基于巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性分析的采場(chǎng)跨度優(yōu)化

薛田喜，李守奎，李 軍

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司焦家金礦； 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院)

引 言

地下工程未開挖前，原巖應(yīng)力處于自然平衡狀態(tài)。開挖后，所形成的采空區(qū)破壞了原巖的自然平衡狀態(tài)，導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布。隨著開采的推進(jìn)，采場(chǎng)每回采一個(gè)分層都會(huì)使原巖應(yīng)力改變其原有的分布狀態(tài)而產(chǎn)生新的應(yīng)力場(chǎng)。礦體的開采擾動(dòng)引起采場(chǎng)應(yīng)力重新分布而出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，頂板沉降和兩幫變形會(huì)引起局部區(qū)域塑性破壞，對(duì)采場(chǎng)安全性影響極大，而不同的采場(chǎng)跨度對(duì)于圍巖位移與應(yīng)力變化規(guī)律有不同程度的影響，合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是提高生產(chǎn)效率，確保礦山安全的重要前提[1-2]。對(duì)于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究，李江等[3]對(duì)大尹格莊金礦8204采場(chǎng)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)用圖表法和數(shù)值模擬對(duì)采場(chǎng)尺寸和最大跨度進(jìn)行優(yōu)化。王金波等[4-6]根據(jù)礦山巖體質(zhì)量指標(biāo)，利用Mathews穩(wěn)定圖法對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)跨度進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對(duì)采場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。李楠[7]利用試驗(yàn)測(cè)定的散體流動(dòng)參數(shù)和“三分段回采”原則，分析計(jì)算小汪溝鐵礦無底柱分段崩落采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理值；借助圖形分析法確定崩礦步距與下盤巖石開掘高度的初始值。劉洋樹等[8]采用室內(nèi)相似模型試驗(yàn)研究了采用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的VCR采礦法采場(chǎng)的穩(wěn)定性。郭亮等[9]針對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性問題，采用數(shù)值模擬的手段對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從開采過程中礦巖的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。梁勝增等[10]采用Flac3D數(shù)值模擬軟件,建立了三維數(shù)值計(jì)算模型,根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料施加合理的初始條件,對(duì)礦體的回采順序進(jìn)行模擬研究。由此可見，研究不同采場(chǎng)跨度對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力、位移的影響，總結(jié)開采過程中整個(gè)采場(chǎng)應(yīng)力和位移的變化規(guī)律對(duì)實(shí)現(xiàn)安全開采和有針對(duì)性的采場(chǎng)支護(hù)具有指導(dǎo)意義。

1 工程背景

某礦區(qū)主要構(gòu)造為上盤的主斷裂，礦體賦存于主斷裂下盤蝕變帶內(nèi)。礦體整體走向NE54°，傾向NW，傾角27°左右。礦體水平厚度2～70 m，104勘探線附近最厚,為70 m，兩翼逐漸變薄至10 m以下。礦體類型屬于含金黃鐵礦化、黃鐵絹英巖化破碎蝕變巖型，礦體上盤圍巖為斷層接觸關(guān)系，界線明顯；而礦體下盤與圍巖呈漸變過渡關(guān)系，無明顯界線。礦體上盤圍巖為斜長(zhǎng)角閃巖，穩(wěn)固性差，暴露面積較大或滯留時(shí)間較長(zhǎng)、易發(fā)生塌落。礦體下盤為絹英巖化、硅化和鉀化花崗巖，其內(nèi)也發(fā)育有相互交錯(cuò)的節(jié)理裂隙。

該礦山主要的采礦方法為上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法。采礦方法是礦山開采的核心內(nèi)容，采場(chǎng)跨度是采礦方法研究的重點(diǎn)，合適的采場(chǎng)跨度能夠使礦山實(shí)現(xiàn)低成本、高效益、可持續(xù)的發(fā)展。該礦山多年來采場(chǎng)跨度一直保持在3.5 m×3.5 m，隨著生產(chǎn)任務(wù)的逐年上調(diào)，開采深度逐漸加深，進(jìn)行采場(chǎng)跨度的優(yōu)化調(diào)整勢(shì)在必行。

2 圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查

采用人工測(cè)量和SIROVISION三維巖體不接觸測(cè)量技術(shù)，對(duì)深度為1 000 m左右的礦體及上、下盤圍巖典型區(qū)域進(jìn)行節(jié)理裂隙掃描測(cè)量，統(tǒng)計(jì)節(jié)理裂隙分布規(guī)律并進(jìn)行優(yōu)勢(shì)節(jié)理劃分，結(jié)果見圖1～3。

圖1 礦體三維結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)勢(shì)節(jié)理劃分

圖2 礦體上盤圍巖三維結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)勢(shì)節(jié)理劃分

圖3 礦體下盤圍巖三維結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)勢(shì)節(jié)理劃分

從掃描結(jié)果及優(yōu)勢(shì)節(jié)理劃分來看，礦體及上、下盤圍巖節(jié)理均較發(fā)育，巖體完整性較差。

3 巖體質(zhì)量GSI分級(jí)

在評(píng)價(jià)巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI時(shí)，通過“巖體結(jié)構(gòu)級(jí)度(SR)”和“巖體表面條件等級(jí)(SCR)”來描述巖體的非連續(xù)性和巖體結(jié)構(gòu)的表面條件，實(shí)現(xiàn)節(jié)理化巖體結(jié)構(gòu)的定量化描述，從而獲取精確的GSI值。

巖體表面條件等級(jí)(SCR)是由粗糙度級(jí)別(Rc)、風(fēng)化程度級(jí)別(Rw)和充填膠結(jié)程度級(jí)別(Rf)通過下式計(jì)算得到的：

SCR=Rc+Rw+Rf

(1)

半對(duì)數(shù)圖表(見圖4)可以估計(jì)出巖體體積節(jié)理數(shù)(Jv)所對(duì)應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)級(jí)度(SR)值。

圖4 半對(duì)數(shù)圖表

通過對(duì)照分析可以得出,礦體與上、下盤圍巖的GSI分級(jí)結(jié)果，見表1。

表1 礦體與上、下盤圍巖的GSI分級(jí)結(jié)果

4 基于GSI指標(biāo)的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度折減

Hoek-Brown準(zhǔn)則在巖體力學(xué)參數(shù)的折減研究中最為著名，被廣泛應(yīng)用于邊坡工程、隧道硐室及水利水電工程中，將巖體的地質(zhì)環(huán)境(巖體結(jié)構(gòu)特性、表面粗糙度等)包含在原有的理論中，即GSI，得出了巖塊和巖體破壞時(shí)主應(yīng)力之間的關(guān)系為：

(2)

式中：σ1為破壞時(shí)的最大主應(yīng)力(MPa)；σ3為作用在巖石試樣上的最小主應(yīng)力(MPa)；σc為完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；m，s分別為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

(3)

(4)

式中：mi為巖體完整性系數(shù)，可以查表獲得。

令σ3=0，可得巖體的單軸抗壓強(qiáng)度(σmc)為：

(5)

巖體的單軸抗拉強(qiáng)度(σmτ)為：

(6)

巖體彈性模量(Em)可用下式進(jìn)行估算：

(7)

巖體的內(nèi)聚力(Cm)和內(nèi)摩擦角(φm)計(jì)算公式為：

Cm=Aσc(-T)B

(8)

(9)

式中：A、B、T均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),具體取值可參考文獻(xiàn)[11]。

泊松比(μm)計(jì)算公式為：

μm=0.25(1+e-0.25σmc)

(10)

經(jīng)計(jì)算，礦體與上、下盤圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 礦體與上、下盤圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)

5 不同跨度采場(chǎng)穩(wěn)定性模擬分析

5.1 數(shù)值模型

運(yùn)用Flac3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模型坐標(biāo)系以礦體走向?yàn)閥軸，礦體厚度方向?yàn)閤軸，鉛垂方向?yàn)閦軸。計(jì)算模型在x方向上的長(zhǎng)度為50 m，y方向上的長(zhǎng)度為50 m，z方向上的高度為50 m，共劃分108 329個(gè)單元，20 256個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)及水文條件，模型共分為3個(gè)大組，分別為上盤巖體組、下盤巖體組及礦體組，計(jì)算模型見圖5。

圖5 計(jì)算模型

5.2 邊界條件

巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)參數(shù)折減得到的數(shù)據(jù)，在模型上邊界施加垂直載荷約為28.64 MPa，最大水平主應(yīng)力為35.63 MPa(y軸方向)，最小水平主應(yīng)力為17.25 MPa(x軸方向)。

5.3 不同采場(chǎng)跨度時(shí)圍巖位移變化規(guī)律

分別模擬3 m、4 m、5 m、6 m共4種采場(chǎng)跨度，各采場(chǎng)圍巖的豎向位移云圖見圖6。對(duì)比不同采場(chǎng)跨度的巖體總體位移可以看出，各采場(chǎng)跨度的頂板下移量分別為17.8 mm、28.3 mm、30.5 mm、40.0 mm，底板上移量分別為10.1 mm、13.5 mm、16.9 mm、23.5 mm。

圖6 不同采場(chǎng)跨度時(shí)圍巖豎向位移云圖

從圖6可以看出：采場(chǎng)跨度在4 m以內(nèi)時(shí)，隨采場(chǎng)跨度的增加，頂板位移和底鼓變化量較小；當(dāng)采場(chǎng)跨度大于4 m時(shí)，位移變化量增大；采場(chǎng)跨度為4 m時(shí)，兩幫位移變化量在開挖過程中出現(xiàn)一定的波動(dòng)，最大波動(dòng)范圍在3.5 mm左右；隨著采場(chǎng)跨度逐漸增大到6 m時(shí)，這種波動(dòng)越來越顯著，最大波動(dòng)超過了6.0 mm，由此導(dǎo)致采場(chǎng)兩幫圍巖出現(xiàn)片幫和剝落現(xiàn)象。

5.4 不同采場(chǎng)跨度時(shí)圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

采場(chǎng)開挖引起應(yīng)力擾動(dòng)，不同采場(chǎng)跨度時(shí)，采場(chǎng)應(yīng)力集中、最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力等引起的潛在破壞區(qū)域和破壞程度各不相同。不同采場(chǎng)跨度時(shí)采場(chǎng)開挖完成后的最大主應(yīng)力分布云圖見圖7。

圖7 不同采場(chǎng)跨度時(shí)最大主應(yīng)力分布云圖

從圖7可以看出：開采引起采場(chǎng)最大主應(yīng)力的釋放。采場(chǎng)中最大主應(yīng)力值隨采場(chǎng)跨度的增大而增加，最大主應(yīng)力值分別為49.4 MPa、54.7 MPa、56.6 MPa、62.2 MPa，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力集中隨采場(chǎng)跨度增大而愈發(fā)明顯，但進(jìn)路周邊圍巖的應(yīng)力值卻呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，導(dǎo)致礦區(qū)圍巖的應(yīng)力差值逐漸增大，采場(chǎng)圍巖破壞程度增大。

5.5 不同采場(chǎng)跨度時(shí)圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

不同采場(chǎng)跨度下的巖體塑性區(qū)發(fā)展情況見圖8。當(dāng)采場(chǎng)跨度為3 m時(shí)，第一步開采的塑性區(qū)擴(kuò)展深度約為2.0 m，兩進(jìn)路塑性區(qū)并未完全貫通；當(dāng)采場(chǎng)跨度為4 m時(shí)，塑性區(qū)擴(kuò)展深度約為2.5 m；當(dāng)采場(chǎng)跨度為5 m時(shí)，塑性區(qū)擴(kuò)展深度約為3.5 m，此時(shí)兩進(jìn)路塑性區(qū)已經(jīng)完全貫通；當(dāng)采場(chǎng)跨度為6 m時(shí)，塑性區(qū)擴(kuò)展深度約為5.0 m。綜合上述分析，可以看出采場(chǎng)跨度超過5 m后，塑性區(qū)擴(kuò)展范圍明顯增大。

圖8 不同采場(chǎng)跨度時(shí)的巖體塑性區(qū)發(fā)展情況

上述結(jié)果表明:當(dāng)采場(chǎng)跨度大于5 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖開始表現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，采場(chǎng)兩幫圍巖呈現(xiàn)剝落狀態(tài)，進(jìn)路之間塑性區(qū)開始貫通，建議采場(chǎng)跨度控制在5 m左右，采場(chǎng)頂板與兩幫圍巖在短時(shí)間內(nèi)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)大面積的破壞與失穩(wěn)，可以滿足充填采礦工藝的要求。

6 結(jié) 論

1)針對(duì)深部采場(chǎng)巷道開展結(jié)構(gòu)面調(diào)查與巖體質(zhì)量GSI分級(jí)，結(jié)果表明，礦體及上、下盤圍巖節(jié)理構(gòu)造均較發(fā)育，巖體完整性較差。

2)依據(jù)GSI分級(jí)結(jié)果分別對(duì)礦體及上、下盤圍巖進(jìn)行巖體參數(shù)折減，得到的巖體力學(xué)參數(shù)與完整巖體相比損失較大。

3)采場(chǎng)跨度為4 m以內(nèi)時(shí)，隨采場(chǎng)跨度的增加，頂板位移和底鼓變化穩(wěn)定；當(dāng)采場(chǎng)跨度大于4 m時(shí)，位移變化量增大。

4)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力集中隨采場(chǎng)跨度增大而明顯，采場(chǎng)圍巖破壞程度增大，且采場(chǎng)跨度超過5 m后，塑性區(qū)擴(kuò)展范圍明顯增大。

5)綜合考慮礦山生產(chǎn)要求與現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)，建議采場(chǎng)跨度保持在3～4 m。