大規(guī)模充填采礦采場穩(wěn)定性研究與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

劉建東 解聯(lián)庫 曹 輝

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京102628）

大直徑深孔采礦技術(shù)以其高效率、高強(qiáng)度、集中作業(yè)和改善作業(yè)環(huán)境等特點(diǎn)直接推動(dòng)了采礦大型化、連續(xù)化的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)的地下礦山得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展［1］。以大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法為代表的大規(guī)模采礦技術(shù)在大量開采和集中強(qiáng)化開采方面發(fā)揮了重要作用［2］。甲瑪銅多金屬礦礦體品位高、賦存量大、厚度適中、礦體連續(xù)性好，適合采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法回采。實(shí)際應(yīng)用中，選擇合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是控制地壓災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)礦體安全高效開采的重要保證［3］，必須結(jié)合具體的工程地質(zhì)條件和地應(yīng)力環(huán)境對(duì)采場穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。本研究采用理論計(jì)算、Mathews穩(wěn)定圖和數(shù)值模擬多種方法對(duì)甲瑪銅多金屬礦的采場穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，為大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的實(shí)施應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

甲瑪銅多金屬礦位于海拔4 350～5 407.5 m，屬于典型的高原礦山，礦體主要為矽卡巖型，賦存標(biāo)高3 700～4 550 m，礦體厚度10～50 m，最厚達(dá)199 m。受推覆構(gòu)造控制，礦體呈上陡下緩特征，較陡部分礦體靠近地表，主要為鉛鋅礦體，傾角60～70°；較緩部分為地下深部隱伏銅鉬礦體，傾角小于20°。礦體、頂?shù)装鍖賵?jiān)硬、中硬巖石，淺部節(jié)理裂隙較發(fā)育，總體穩(wěn)固程度為中等以上。

礦山二期地下開采設(shè)計(jì)采用大直徑深孔高分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，包括北區(qū)4 400～4 500 m礦段范圍內(nèi)的4 420～4 465 m、4 460～4 520 m兩區(qū)段。先采4 460～4 520 m區(qū)段，后采4 420～4 465 m區(qū)段。盤區(qū)內(nèi)采場回采順序采用“隔三采一”的方式，一、二步驟回采礦房采場，采用灰砂比為1∶8的尾砂膠結(jié)充填，三、四步驟回采礦柱采場，采用尾砂非膠結(jié)或廢石充填。

2 工程巖體質(zhì)量RMR分級(jí)

工程巖體質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到巖體工程穩(wěn)定性，工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工的基礎(chǔ)依據(jù)。根據(jù)對(duì)甲瑪銅多金屬礦大規(guī)模開采區(qū)域的工程地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合該區(qū)域的工程地質(zhì)特征，采用國內(nèi)外常用的RMR（CSIR）巖體分類系統(tǒng)對(duì)角巖和矽卡巖進(jìn)行分類，并使用經(jīng)驗(yàn)公式［4］Q=e(RMR-44)/9分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的Q值，結(jié)果如表1所示。

3 基于礦柱穩(wěn)定的合理采場寬度計(jì)算

礦柱穩(wěn)定性是大規(guī)模開采安全的關(guān)鍵問題之一。采用國內(nèi)外常用的Bieniawski礦柱強(qiáng)度公式［5］進(jìn)行大規(guī)模開采的采場及盤區(qū)礦柱合理參數(shù)的論證優(yōu)化。由于礦柱沿走向長度較長，可簡化為條帶式礦柱計(jì)算礦柱所受到的垂直應(yīng)力，按下式計(jì)算：

式中，γ為覆巖容重，kN/m3；H為頂板埋深，m；wp為礦柱寬度，m；wo為礦房寬度，m。

Bieniawski與Vanheerden對(duì)南非Witbank煤礦寬高比為0.5～34的多個(gè)煤柱試件進(jìn)行了大量的原位測試，得出的礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中，Sl為礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa；h為礦柱高度，m；α取值根據(jù)礦柱高寬比h/wP確定，當(dāng)h/wP≥5時(shí)，取α=1.4，當(dāng)h/wP＜5時(shí)，取α=1.0。

甲瑪?shù)V大規(guī)模開采區(qū)域礦柱高寬比均小于5，故取α=1.0。因此，礦柱的安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，Sl取值為75 MPa；將采高50 m，采場寬分別為12 m、15 m、18 m的參數(shù)代入式（3）中，可以得出不同采場寬度、不同埋深條件下礦柱安全系數(shù)值，如圖1所示。根據(jù)甲瑪銅多金屬礦礦體條件，采場頂板最大埋深約600 m，在此情況下礦柱安全系數(shù)仍能滿足大于臨界安全系數(shù)1.5的要求，說明12 m、15 m、18 m寬度均能夠滿足礦柱穩(wěn)定的要求。上述計(jì)算是在礦柱兩側(cè)臨空的極限狀態(tài)下得出的，若在采場充填狀態(tài)下，礦柱將更加穩(wěn)定。

4 基于Mathews穩(wěn)定圖的采場穩(wěn)定性分析

4.1 Mathews穩(wěn)定圖法

Mathews穩(wěn)定圖法是由Mathews等人于1981年最早提出［6］，它是依據(jù)大量工程實(shí)例提出的經(jīng)驗(yàn)公式法。1988年P(guān)otvin在分析242個(gè)案例和重新定義某些調(diào)整系數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)Mathews的穩(wěn)定性圖表進(jìn)行修正［7］。1992年P(guān)otvin，Nickson等人通過收集更多深部采礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料，對(duì)該方法的合理性進(jìn)行驗(yàn)證并提出修正［7-9］；2000年Trueman等人根據(jù)大量新增的實(shí)例資料，采用對(duì)數(shù)回歸的方法重新定義穩(wěn)定區(qū)和嚴(yán)重破壞區(qū)［10］；2004年Mawdeskey等人給出了該方法穩(wěn)定區(qū)、破壞與嚴(yán)重破壞區(qū)的等概率圖［11］。

Mathews穩(wěn)定圖法實(shí)質(zhì)是利用NGI巖體分級(jí)指標(biāo)Q計(jì)算巖體穩(wěn)定性指數(shù)N，依據(jù)礦山開拓和采準(zhǔn)工程確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)并計(jì)算采場暴露面形狀系數(shù)S，將N和S值投影到Potvin修改后的穩(wěn)定性圖表上，即可初步判斷采場的總體穩(wěn)定性；或者是根據(jù)巖體穩(wěn)定性指數(shù)N在穩(wěn)定性圖表上求出總體穩(wěn)定的采場形狀系數(shù)S，在初步選定采場某一結(jié)構(gòu)參數(shù)后即可確定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.2 Mathews法計(jì)算參數(shù)選取

（1）Q′值：以節(jié)理裂隙水折減系數(shù)Jw與應(yīng)力折減系數(shù)SRF之比等于1時(shí)的Q值即為Q′值。根據(jù)前述計(jì)算矽卡巖Q=4.74，依據(jù)地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，SRF取1.556，Jw取0.66，計(jì)算得Q′為11.17。

（2）巖石應(yīng)力系數(shù)A：通過巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc和次生壓應(yīng)力σ1之比確定。根據(jù)模擬分析，采場頂板中央位置的壓應(yīng)力平均為12.85 MPa，頂板角巖單軸抗壓強(qiáng)度為113.53 MPa，計(jì)算得σc/σ1=8.84，故A值取0.847。

（3）節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)B：角巖平均傾角取74.5°，故B值取0.897。

（4）重力影響系數(shù)C：采場頂板均為水平狀態(tài)，故C值取1.0。

4.3 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)Mathews法分析

根據(jù)以上分析，按公式N=Q′×A×B×C計(jì)算得，N=8.49。根據(jù)圖1計(jì)算得出采場頂板保持穩(wěn)定的最大水力半徑S為7.65 m，在此允許水力半徑條件下，采場頂板暴露面積和長度隨采場寬度的變化趨勢(shì)見圖2。設(shè)計(jì)推薦的45 m×18 m、52.5 m×18 m和60 m×18 m三種結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)應(yīng)的水力半徑分別為6.43、6.7、6.92，均小于允許水力半徑，故可以滿足采場穩(wěn)定的要求。從圖2中可以看出，當(dāng)采場寬度為18 m時(shí)，最大允許采場長度為77.3 m；當(dāng)采場長度為60 m時(shí)，最大允許采場寬度為22.4 m。

5 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值模擬

5.1 計(jì)算模型

綜合考慮礦體及圍巖分布特點(diǎn)和巖層移動(dòng)角等因素，建立的三維模型尺寸為200 m×420 m×200 m，模型共劃分110 880單元和118 728節(jié)點(diǎn)。根據(jù)甲瑪銅多金屬礦的實(shí)測地應(yīng)力結(jié)果，賦予模型實(shí)測地應(yīng)力。采用理想彈塑性Mohr-Coulumb模型。計(jì)算的范圍位于4 420～4 465 m中段，計(jì)算模型的巖體全部采用矽卡巖，礦房采用膠結(jié)充填，礦柱采用非膠結(jié)充填，具體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。本次計(jì)算假定充填體是接頂?shù)模谟?jì)算中僅考慮地應(yīng)力的作用，忽略地震波、爆炸沖擊波及地下水等因素對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響。計(jì)算過程采用隔“三采一”的開挖順序，每個(gè)采場采完后立即充填。

5.2 應(yīng)力變化分析

在礦房回采期間，礦柱中發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且首采、次采礦房開采時(shí)，礦柱中所產(chǎn)生的應(yīng)力集中程度不同，主要原因是首采礦房開采后，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到鄰近的圍巖體中，圍巖體完整性相對(duì)較好，能夠賦存住高應(yīng)力；待次采礦房開采后，礦房之間的巖體受力進(jìn)一步惡化，高應(yīng)力無法全部得到賦存，出現(xiàn)部分應(yīng)力損失和能量耗散，這部分應(yīng)力和能量轉(zhuǎn)移到礦房的膠結(jié)充填體中，使充填體發(fā)展為三向受力狀態(tài)。對(duì)于高應(yīng)力區(qū)域的盤區(qū)采場，采場寬度較小時(shí)礦柱容易發(fā)生屈服破壞，故采用15 m、18 m寬度的礦柱尺寸相對(duì)較好。

5.3 頂板變形分析

如圖3所示，在礦塊內(nèi)各個(gè)采場回采過程中，位于礦塊中央位置采場頂板變形量呈線性增長趨勢(shì)。礦房、礦柱的回采對(duì)于鄰近區(qū)域的覆巖都具有一定程度的影響。在礦塊充填后一段時(shí)間，礦塊中央位置采場頂板變形量趨于穩(wěn)定。采場寬度采用12 m、15 m時(shí)，頂板變形量較小；采場寬度采用18 m時(shí)，頂板變形相對(duì)較大，且對(duì)比明顯。因此，從覆巖移動(dòng)的劇烈程度來看，采場寬度采用12 m或15 m有利于控制覆巖變形。

5.4 塑性區(qū)分布

在礦房開采膠結(jié)充填后，3種采場寬度下的頂板覆巖的塑性區(qū)發(fā)展深度較小，大多數(shù)塑性單元恢復(fù)到彈性工作狀態(tài)；采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為12 m時(shí)，礦柱的剪切破壞塑性區(qū)分布明顯，以低圍壓下發(fā)生的壓剪、礦柱表面的拉剪破壞為主，大量塑性單元未恢復(fù)到彈性工作狀態(tài)，而采場寬度15 m、18 m時(shí)礦柱的受力狀態(tài)相對(duì)較好，尤其是18 m礦柱部分核區(qū)仍以彈性工作狀態(tài)為主，這與前述的應(yīng)力分析結(jié)果一致。當(dāng)?shù)V塊被完全采空非膠結(jié)充填后，覆巖變形相對(duì)劇烈，但最終恢復(fù)到彈性工作狀態(tài)；膠結(jié)充填體發(fā)揮一定的支承作用，充填體出現(xiàn)大量的塑性單元，但最終會(huì)趨于穩(wěn)定。

5.5 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對(duì)4 420～4 465 m中段礦塊開采過程的采場應(yīng)力、變形和塑性區(qū)分析可以看出，對(duì)于高應(yīng)力條件下的采場，采用12 m的采場寬度，在礦房采空條件下發(fā)生礦柱屈服失穩(wěn)的可能性相對(duì)較大；而采用18 m的采場寬度，在開采過程中及采后覆巖移動(dòng)相對(duì)劇烈，尤其是在采礦過程中采場頂板容易發(fā)生破斷。綜合分析，在深部高應(yīng)力的條件下，甲瑪銅多金屬礦采場寬度采用15 m較為合適。結(jié)合Mathews法分析結(jié)果，推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×60 m。

6 結(jié)論

從多方法、多角度對(duì)甲瑪銅多金屬礦大規(guī)模開采采場的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果對(duì)大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法在甲瑪?shù)V的實(shí)施應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。主要結(jié)論如下：

（1）角巖RMR值為56，矽卡巖RMR值為58，二者均屬Ⅲ類巖體，質(zhì)量較好。

（2）通過理論計(jì)算，在確保礦柱穩(wěn)定的前提下，18 m寬的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是可行的。通過Mathews法分析可知，設(shè)計(jì)推薦45 m×18 m、52.5 m×18 m、60 m×18 m三種結(jié)構(gòu)參數(shù)均可行。在確保采場穩(wěn)定的前提下，當(dāng)采場寬度為18 m時(shí)，最大允許采場長度為77.3 m；當(dāng)采場采場長度為60 m時(shí)，最大允許采場寬度為22.4 m。

（3）FLAC3D數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，采用12 m的采場寬度，在礦房采空條件下發(fā)生礦柱屈服失穩(wěn)的可能性相對(duì)較大；而采用18 m的采場寬度，在開采過程中及采后覆巖移動(dòng)相對(duì)劇烈。綜合分析，在深部高應(yīng)力的條件下，甲瑪銅多金屬礦采場寬度采用15 m較為合適，推薦的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×60 m。

（4）采用理論計(jì)算、Mathews穩(wěn)定圖和數(shù)值模擬多方法、多角度對(duì)甲瑪銅多金屬礦采場穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化，不同方法的分析結(jié)果互相驗(yàn)證、互為補(bǔ)充，克服了單一方法分析的不足。