石英脈型急傾斜極薄黑鎢礦機械化 開采采場跨度優(yōu)化研究

楊植根，郭恭祥，葉光祥

(1.江西盤古山鎢業(yè)有限公司， 江西 于都縣 342311； 2.贛州有色冶金研究所有限公司， 江西 贛州市 341000)

0 引言

某礦石英脈型急傾斜極薄黑鎢礦屬氣化高溫?zé)嵋毫严冻涮畹V床，采用上向進路充填法開采礦脈帶。受成礦裂隙成組成帶分布影響，頂板礦、巖交替呈現(xiàn)，巖體穩(wěn)定性較差，而采場跨度成為制約開采穩(wěn)定性關(guān)鍵問題。

業(yè)界普遍以理論計算和數(shù)值模擬[1-2]的方式進行采場跨度的計算和優(yōu)化，常用的理論計算方法有Mathews穩(wěn)定性圖表法[1]、簡支梁[2]、懸臂梁[3]、工程跨度經(jīng)驗公式[4]等，常用的數(shù)值模擬軟件有FLAC3D[5-7]、ANSYS[8]等。李小松等[9]基于假頂薄板理論得到了大跨度充填體假頂應(yīng)力表達式；劉暢等[10]基于極限分析原理認為：長跨比＞2時，頂板安全厚度取決于跨度的大小；高謙等[11]、薛一鳴[12]則分別分析了大跨度采場失穩(wěn)形式及失穩(wěn)因素閾值。

本文通過RMR值和工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)進行了采場跨度初步設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，選取了5組不同采場跨度，進行數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析，重點分析了采場應(yīng)力、變形及破壞特征，最終得到最優(yōu)采場跨度。

1 巖體分級

該石英脈型黑鎢礦圍巖為變質(zhì)石英砂巖。巖體Q值為20.5，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 變質(zhì)石英砂巖力學(xué)參數(shù)

RMR與Q系統(tǒng)分級方法是目前普遍使用的巖體分級方法，許多學(xué)者總結(jié)出了兩者之間相關(guān)性的經(jīng)驗公式，見表2。

表2 RMR與Q分類相關(guān)關(guān)系式

根據(jù)以上經(jīng)驗公式，將Q值代入計算，得到RMR平均值為71，如圖1所示。按照RMR巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)（見表3），該巖體為II級巖體。

2 巖體分級法

2.1 根據(jù)RMR值判斷采場最大跨度

圖2所示為根據(jù)RMR分級結(jié)果統(tǒng)計得到的無支護跨度與穩(wěn)定時間圖表。根據(jù)RMR穩(wěn)定性經(jīng)驗 圖表，當(dāng)RMR值為71時，最大無支護跨度約為17 m，此時穩(wěn)定時間不足2個月；當(dāng)無支護跨度為 12 m左右時，穩(wěn)定時間約為2個月；隨著無支護跨度的減小，穩(wěn)定時間增加。

圖1 RMR與Q轉(zhuǎn)換計算結(jié)果

表3 RMR巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》判斷采場最大跨度

根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于地下工程巖體自穩(wěn)能力的描述，當(dāng)巖體質(zhì)量等級為II級時，跨度小于10 m時，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊，跨度為10～20 m時，可基本穩(wěn)定，局部可發(fā)生掉塊或小塌方。各巖體等級自穩(wěn)能力見表4。

圖2 基于RMR巖體分級的無支護跨度穩(wěn)定性圖表

表4 地下工程巖體自穩(wěn)能力

2.3 小結(jié)

依據(jù)RMR無支護跨度穩(wěn)定時間經(jīng)驗圖表得到采場無支護跨度為17 m時，穩(wěn)定時間不足2個月，無支護跨度為12 m時，穩(wěn)定時間約2個月左右；依據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于地下工程巖體自穩(wěn)能力的描述，II級巖體跨度小于10 m時，可長期穩(wěn)定，跨度10～20 m時，可基本穩(wěn)定。

綜上所述，兩種方法判斷的采場自穩(wěn)跨度范圍基本一致，兩者綜合考慮，選取采場最大自穩(wěn)跨度約為10 m。

3 數(shù)值模擬法

采用FLAC3D軟件計算不同跨度采場穩(wěn)定性，通過建立不同采場跨度模型，設(shè)置相同的邊界條件與初始條件，根據(jù)巖體分級結(jié)果對巖體參數(shù)進行賦值，最終通過計算對比的方式驗證并確定采場自穩(wěn)跨度。

3.1 模型建立

根據(jù)巖體分級法確定的采場自穩(wěn)跨度范圍，建立5種采場跨度尺寸，分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5 m和15 m。礦體為急傾斜礦體，因此采場高度對開采影響較小，此處采用控制變量法，統(tǒng)一采場高度為5m。由此建立了5種三維數(shù)值模擬模型，各模型網(wǎng)格與節(jié)點數(shù)量約30萬個左右，模型如圖3所示。

3.2 初始條件

礦山設(shè)計開采最深深度-120 m，建立該深度條件下自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力條件。礦體模型邊界條件為：模型X法向平面施加X向約束，Y法向平面施加Y向約束，模型底面為固定約束，頂面為應(yīng) 力邊界條件，施加上覆巖層重力。

圖3 5種不同跨度三維數(shù)值模型

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 應(yīng)力變化特征對比分析

圖4為采場圍巖最大主應(yīng)力云圖。不同跨度采場圍巖的最大主應(yīng)力分布規(guī)律相似，采場四周圍巖為應(yīng)力釋放區(qū)域，采場側(cè)幫圍巖一定深度為應(yīng)力集中區(qū)域。采場開挖后，上部覆巖荷載轉(zhuǎn)移至采場兩側(cè)，于是在采場兩側(cè)圍巖深部形成應(yīng)力集中區(qū)域。

采集采場圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力數(shù)據(jù)，繪制采場圍巖最大主應(yīng)力隨深度的變化曲線，結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5為采場頂板圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力隨深度的變化曲線，不同跨度采場間曲線均呈現(xiàn)先增大后減小，而后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，且不同跨度采場頂板淺部最大主應(yīng)力大致相同，為3～4 MPa。但不同跨度采場最大主應(yīng)力大小及其位置有著明顯差異。采場為5 m跨度時，頂板圍巖最大主應(yīng)力極值為13 MPa，分布深度為2.8 m；7.5 m跨度時，最大主應(yīng)力極值為12.3 MPa，深度3.6 m；10 m跨度時，最大主應(yīng)力極值為11.4 MPa，深度4.7 m；12.5 m跨度時，最大主應(yīng)力極值為11 MPa，深度6.5 m； 15 m跨度時，最大主應(yīng)力極值為10.5 MPa，深度7.5 m。隨著跨度的增加，采場頂板圍巖應(yīng)力擾動深度逐漸增加，表明更深部的圍巖體發(fā)生變形。圖6所示為采場側(cè)幫圍巖最大主應(yīng)力隨深度變化曲線。不同跨度采場側(cè)幫應(yīng)力集中深度差別不大，主要分布在3～4 m深的位置，最大主應(yīng)力極值與采場跨度呈正相關(guān)。

圖4 不同跨度下采場圍巖最大主應(yīng)力云圖

圖5 采場頂板圍巖最大主應(yīng)力變化曲線

采場頂板與側(cè)幫的應(yīng)力曲線說明，該巖體條件 下，采場開挖造成的圍巖體擾動主要發(fā)生在采場頂板，隨著采場跨度的增大，頂板擾動越大，側(cè)幫擾動無明顯變化。

圖6 采場側(cè)幫圍巖最大主應(yīng)力變化曲線

圖7為采場圍巖最小主應(yīng)力分布云圖，采場四周圍巖應(yīng)力減小，向深部逐漸增加。采集采場頂板拉應(yīng)力最大值，繪制拉應(yīng)力值隨采場跨度的變化曲線，如圖8所示。巖石材料是一種抗壓不抗拉的材料，因此采場頂板實際拉應(yīng)力值越低越好。隨著跨度的增加，采場頂板拉應(yīng)力增大，在10 m跨度時 出現(xiàn)了急增的情況，各模型拉應(yīng)力由0.04 MPa增加至0.16 MPa，小于巖體抗拉強度0.17 MPa。

圖7 不同跨度下采場圍巖最小主應(yīng)力云圖

圖8 采場頂板最大拉應(yīng)力變化曲線

3.3.2 變形特征對比分析

圖9為不同跨度下采場圍巖位移云圖，采場開挖后，頂板圍巖受上覆荷載影響，主要發(fā)生豎向位移，且多見于采場頂板，兩側(cè)位移相對較小。頂板 圍巖位移影響范圍隨著跨度的增加向上擴展，位移值也逐漸增大。根據(jù)圖10可知，采場頂板最大位移值分別為0.96 cm、1.3 cm、1.7 cm、2.2 cm和2.6 cm。不同跨度采場頂板圍巖最大位移值隨采場跨度平穩(wěn)增加，未發(fā)生較大突變。

3.3.3 礦巖破壞特征對比分析

采場圍巖塑性區(qū)表示了采場圍巖內(nèi)潛在破壞冒落區(qū)域和采場圍巖松動圈范圍。圖11所示為不同跨度下采場圍巖塑性區(qū)分布，根據(jù)采場塑性區(qū)分布圖，塑性區(qū)有剪切與受拉塑性區(qū)。采場頂板拉塑性區(qū)在5 m、7.5 m跨度采場頂板出現(xiàn)較少，10 m跨度之后大量出現(xiàn)。采場圍巖剪切塑性區(qū)隨著跨度的變化，出現(xiàn)位置也逐漸演化。5 m跨度時主要在采場側(cè)幫；7.5 m跨度時頂板開始出現(xiàn)；10 m跨度時采場頂板剪切破壞區(qū)出現(xiàn)貫通，形成潛在冒落楔形 體；采場為12.5 m、15 m跨度時，采場頂板圍巖塑性區(qū)范圍不斷增大。根據(jù)圖12，采場圍巖塑性區(qū)厚度變化主要發(fā)生在頂板，隨著采場跨度增加而擴大，由2.2 m逐漸增加至6.9 m，采場側(cè)幫的塑性區(qū)則變化較小，均在3 m左右。該塑性區(qū)厚度變化對采場錨桿支護參數(shù)的選擇具有指導(dǎo)意義。

圖9 不同跨度下采場圍巖位移云圖

圖10 采場頂板圍巖位移變化曲線

3.5 小結(jié)

綜上分析，采場開挖的擾動影響主要出現(xiàn)在采場頂板，且隨跨度增加，影響范圍、影響程度均有 擴大。具體表現(xiàn)為：隨著采場跨度的增大，采場頂板拉應(yīng)力極值增大，豎向位移、塑性區(qū)穩(wěn)步增加，當(dāng)采場跨度10 m時，頂板拉應(yīng)力急增，剪切塑性區(qū)開始貫通，形成潛在冒落楔形體，且采場圍巖開始出現(xiàn)較多拉塑性區(qū)。綜合采場圍巖應(yīng)力、位移與塑性區(qū)變化特性，確定采場最優(yōu)跨度為7.5 m。

圖11 不同跨度下采場圍巖塑性區(qū)分布

圖12 采場圍巖塑性區(qū)范圍變化曲線

4 結(jié)論

本文采用巖體分級法與數(shù)值模擬法分別確定了采場最大自穩(wěn)跨度。根據(jù)巖體分級法得到了采場最大自穩(wěn)跨度為10 m，數(shù)值模擬法得到了最優(yōu)采場跨度為7.5 m。綜合兩種方法研究結(jié)論，采場跨度取較小值7.5 m。

采場頂板穩(wěn)定性的影響因素眾多，由于地質(zhì)條件的不確定性，采場穩(wěn)定性主要受斷層破碎帶、地下水侵蝕以及爆破損傷的影響。當(dāng)采場揭露的巖體質(zhì)量條件發(fā)生變化時，應(yīng)及時優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，并加強采場頂板支護。