大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

陳 霖 黃明清 唐紹輝 張 銘 劉青靈

(1.福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院,福建 福州 350108;2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司,福建 廈門(mén) 361016)

銅礦是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)急需緊 缺的大宗礦產(chǎn)資源,但國(guó)內(nèi)銅供應(yīng)長(zhǎng)期不足,因此境外銅礦資源的合理開(kāi)發(fā)和利用對(duì)保障我國(guó)礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略安全具有重要意義[1]。Jama銅礦是塞爾維亞在產(chǎn)的超大型地下礦,主礦體BR礦體位于Jama礦區(qū)西北部,總體走向NW—SE,傾向SW,傾角45°～55°;礦體走向長(zhǎng)約1 450 m,厚約 360 m,垂向延伸約1 400 m,賦存標(biāo)高92～-934 m,是典型的傾斜極厚斑巖型銅礦體。結(jié)合井下開(kāi)采現(xiàn)狀,從提高采礦生產(chǎn)能力、降低采礦成本的角度出發(fā),考慮使用高效率的大直徑深孔采礦方法,其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取得是否科學(xué),直接關(guān)系到采場(chǎng)穩(wěn)定性與開(kāi)采的安全性。

合理確定采場(chǎng)礦房跨度、礦柱尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)確保礦山安全、高效、可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化主要包括工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法、理論計(jì)算法[2-3]、數(shù)值模擬法[4-5]等。 如趙永等[6]采用Mathews穩(wěn)定圖法得到紅嶺鉛鋅礦采空區(qū)的穩(wěn)定性系數(shù)及水力半徑,通過(guò)采場(chǎng)穩(wěn)定性等概率圖評(píng)估了采場(chǎng)的穩(wěn)定概率;ZHANG等[7]通過(guò)改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定圖研究了挑水河磷礦條帶式開(kāi)采的合理寬度;賀永俊等[8]應(yīng)用FLAC3D軟件模擬分析了不同采場(chǎng)長(zhǎng)寬組合時(shí)采場(chǎng)頂板、充填體的破壞形式與應(yīng)力集中情況;劉建東等[9]采用FLAC3D軟件模擬分析了采場(chǎng)寬度為 12、15、18 m時(shí),甲瑪銅金屬礦的大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V的采場(chǎng)頂板與礦柱穩(wěn)定性,提出最佳采場(chǎng)寬度為15 m。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的前期研究為傾斜厚大礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了有益參考,而基于理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法可更可靠地設(shè)計(jì)合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本研究針對(duì)Jama銅礦傾斜極厚斑巖型礦體的開(kāi)采技術(shù)條件,首先提出二步驟開(kāi)采的大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,在最大無(wú)支護(hù)跨度計(jì)算的基礎(chǔ)上,通過(guò)Mathews穩(wěn)定圖法[10]計(jì)算安全的水力半徑,得到一步驟采場(chǎng)的合理寬度與長(zhǎng)度;然后以二步驟采場(chǎng)寬度為變量,采用FLAC3D軟件模擬“隔三采一”條件下采場(chǎng)在不同回采階段的穩(wěn)定性,從而優(yōu)化Jama銅礦的高中段大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),為傾斜極厚礦體超大規(guī)模地下開(kāi)采提供參考。

1 傾斜極厚BR礦體概況

1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

Jama礦區(qū)BR礦體是傾斜極厚的斑巖型銅礦體,礦床位于熱液蝕變巖石中,與硅化、硫酸鹽化、黃鐵礦化安山巖及其火山碎屑巖有關(guān)。礦體節(jié)理、裂隙一般發(fā)育,大部分為層狀節(jié)理且以剪節(jié)理為主,張節(jié)理極少,節(jié)理間距25～50 cm,巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值為73.46%～82.02%,平均為77.31%,單軸抗壓強(qiáng)度為76.26 MPa;上盤(pán)圍巖主要巖性為高嶺土化安山巖和硅化安山巖,巖石強(qiáng)度相對(duì)較低,節(jié)理密度較高,含水率較高,RQD值集中在72%～80%,平均為86.84%,單軸抗壓強(qiáng)度主要為60～110 MPa,屬較堅(jiān)硬和堅(jiān)硬巖;下盤(pán)圍巖為賦存于Bor斷層中的礫巖及構(gòu)造角礫巖,RQD值主要為75%～92%,巖石單軸抗壓強(qiáng)度主要為50～70 MPa,屬堅(jiān)硬巖,巖石完整性、穩(wěn)定性均較好。

1.2 開(kāi)采方案

Jama礦床包括高品位塊狀硫化物礦體和斑巖型礦體。塊狀硫化物礦石賦存在礦床上部,大部分已采完。斑巖型礦體BR礦體尚未開(kāi)采,礦塊垂直走向布置,先采礦房,再采礦柱,礦塊之間的隔離礦柱待兩側(cè)礦塊回采完畢并充填后,再采用同樣的工藝回采并嗣后充填。其中-150 m以上為一采區(qū),首采-150m中段,目前已完成-150 m中段部分采準(zhǔn)工程,地表充填站正在建設(shè)。

BR礦體二采區(qū)標(biāo)高-450～-150 m,中段高度100m,主要生產(chǎn)中段為-450、-350、-250 m,從下而上順序開(kāi)采,首采中段-450 m。采用大直徑深孔一段或兩段鑿巖,底部設(shè)塹溝集中出礦,礦房回采完畢后,采用全尾砂膏體充填采空區(qū)。為實(shí)現(xiàn)1 000萬(wàn)t/a的超大規(guī)模地下開(kāi)采,擬采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采,如圖1所示。

圖1 大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄊ疽釬ig.1 Schematic of large-diameter deep hole open stoping with subsequent backfill

2 Mathews穩(wěn)定圖法分析

2.1 采場(chǎng)極限跨度

地下開(kāi)挖體的最大無(wú)支護(hù)跨度(SPAN)與Q值和開(kāi)挖體支護(hù)比(ESR)的關(guān)系可表示為

式中,Q為Q系統(tǒng)分級(jí)方法的分級(jí)指標(biāo)。

由礦巖和圍巖巖性得到Q值,進(jìn)而計(jì)算采場(chǎng)跨度。采場(chǎng)寬度影響采場(chǎng)長(zhǎng)度取值,采用最大無(wú)支護(hù)跨度計(jì)算得到合理的采場(chǎng)寬度,然后通過(guò)理論計(jì)算得到安全的采場(chǎng)長(zhǎng)度。根據(jù)礦巖的Q分類(lèi)結(jié)果,當(dāng)?shù)V山巷道作為礦山永久性工程時(shí),ESR取1.6;當(dāng)老采空區(qū)及巷道只作為礦山臨時(shí)通道時(shí),ESR為3.0～5.0,據(jù)此可計(jì)算出各種巖性條件下的最大無(wú)支護(hù)跨度(SPAN),見(jiàn)表1。

表1 最大無(wú)支護(hù)跨度SPAN計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of maximum unsupported SPAN

BR礦體采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采,開(kāi)采后采用全尾砂膏體充填采空區(qū),因此可將采場(chǎng)視為礦山臨時(shí)性巷道,取無(wú)支護(hù)跨度為18.72～31.20 m。為確保足夠的安全富余系數(shù),一步驟采場(chǎng)寬度應(yīng)略小于該最大無(wú)支護(hù)跨度值,因此本研究將一步驟礦房采場(chǎng)寬度暫定為15～17 m。

2.2 Mathews圖解法計(jì)算

2.2.1 穩(wěn)定性指數(shù)N

Mathews圖解法是MATHEWS等[11]基于礦山實(shí)踐提出的巖石分類(lèi)方法。TRUEMAN等[12]和MAWDESL等[13]對(duì)Mathews穩(wěn)定圖解法進(jìn)行了擴(kuò)展,采用對(duì)數(shù)回歸方法對(duì)穩(wěn)定區(qū)、大破壞區(qū)進(jìn)行了重新定義,本研究將其應(yīng)用于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計(jì)算中。Mathews穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為[14]

式中,Q′為修正后的NGI巖體開(kāi)挖質(zhì)量分級(jí)方法的分級(jí)指標(biāo)值;A為應(yīng)力系數(shù);B為巖體節(jié)理調(diào)整系數(shù);C為重力調(diào)整系數(shù)。

2.2.1.1 Q值修正

BARTON等[15]于1974年在對(duì)200多個(gè)隧道工程實(shí)例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了一種針對(duì)NGI巖體的隧道開(kāi)挖質(zhì)量分級(jí)方法。分類(lèi)指標(biāo)值Q可由下式計(jì)算:

式中,RQD為巖石質(zhì)量指數(shù);Jn為巖體的節(jié)理數(shù);Jr為巖體的節(jié)理粗糙度系數(shù);Ja為巖體的節(jié)理蝕變系數(shù);Jw為巖體的節(jié)理水折減系數(shù);SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

按照Mathews穩(wěn)定圖方法要求對(duì)Q值進(jìn)行修正,將地應(yīng)力影響系數(shù)SRF設(shè)為1,地下水的影響因素Jw=1,根據(jù)Q系統(tǒng)分級(jí)法重新計(jì)算Q值,得到Q′值(修正后的Q值)見(jiàn)表2。其中,礦體的礦巖、上盤(pán)安山巖的Q′值分別為34.36和38.60。

表2 Mathews穩(wěn)定圖修正后的Q′值Table 2 Q′value modified by Mathews stability graph

2.2.1.2 系數(shù) A、B、C 確定

A值考慮高應(yīng)力降低巖體穩(wěn)定,為完整巖體的單軸抗壓強(qiáng)度與平行開(kāi)挖面最大誘導(dǎo)應(yīng)力的比值,取值范圍為0.1～1.0。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采技術(shù)條件,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較大,上盤(pán)安山巖的強(qiáng)度因子A取0.2,礦巖強(qiáng)度因子A取0.2。

B值根據(jù)控制性節(jié)理與采場(chǎng)表面的相對(duì)方位確定,當(dāng)結(jié)構(gòu)面與開(kāi)挖面的夾角分別為 10°、20°、30°、45°、60°、90°時(shí),B值分別取 0.2、0.3、0.35、0.4、0.8、1.0。本研究根據(jù)Jama礦開(kāi)采技術(shù)條件,采場(chǎng)頂板礦體中的節(jié)理方位系數(shù)B取0.85,側(cè)幫與上盤(pán)分別取0.62和0.2。

假定采場(chǎng)暴露面是水平暴露面,則C=8;當(dāng)?shù)V體與上盤(pán)接觸面的最小傾角為45°時(shí),C=3.76。

根據(jù)式(2)及上述系數(shù)計(jì)算取值,采場(chǎng)頂板和側(cè)幫均按礦巖的Q′值計(jì)算,則計(jì)算得到采場(chǎng)頂板、側(cè)幫、上盤(pán)的穩(wěn)定性系數(shù)N分別為11.68、34.09、5.81。

2.2.2 水力半徑計(jì)算

水力半徑反映了礦房的空間尺寸和形狀,是礦巖可崩性評(píng)價(jià)的一個(gè)有效指標(biāo),Mathews穩(wěn)定性系數(shù)與水力半徑的關(guān)系如圖2所示,可通過(guò)該圖來(lái)確定容許水力半徑的范圍。

圖2 Mathews穩(wěn)定性系數(shù)與水力半徑的關(guān)系Fig.2 Relationship between Mathews stability coefficient and hydraulic radius

水力半徑計(jì)算公式為

式中,HR為水力半徑,m;X為采場(chǎng)寬度或高度,m:Y為采場(chǎng)長(zhǎng)度,m。

計(jì)算得出穩(wěn)定性系數(shù)N和穩(wěn)定狀況下的容許水力半徑HR等相關(guān)參數(shù)取值,見(jiàn)表3。

表3 容許水力半徑HR分布Table 3 Distribution of allowable hydraulic radius HR

BR礦體厚度為360 m,因此開(kāi)采時(shí)從上盤(pán)到下盤(pán)分成若干個(gè)盤(pán)區(qū),盤(pán)區(qū)間布置15～18 m隔離礦柱,除了靠近上盤(pán)布置的盤(pán)區(qū)外,其余盤(pán)區(qū)暴露面主要為頂板和側(cè)幫。二采區(qū)-450 m中段開(kāi)采深度約850 m,在分析100 m段高的采場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí),主要考慮頂板和側(cè)幫的暴露面積和水力半徑。根據(jù)礦巖無(wú)支護(hù)最大跨度分析,一步驟礦房開(kāi)采寬度確定為15～17 m,在工程應(yīng)用中,二步驟采場(chǎng)寬度要比一步驟大些。采場(chǎng)跨度為 15、18、20 m時(shí),分別分析采場(chǎng)頂板對(duì)應(yīng)的水力半徑,得到采場(chǎng)頂板暴露尺寸與水力半徑的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)采場(chǎng)高度為100 m時(shí),不同采場(chǎng)長(zhǎng)度下側(cè)幫暴露尺寸與水力半徑的關(guān)系如圖4所示。

圖3 采場(chǎng)頂板暴露尺寸與水力半徑關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between stope roof exposure size and hydraulic radius

圖4 采場(chǎng)側(cè)幫暴露尺寸與水力半徑關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between stope side wall exposure size and hydraulic radius

結(jié)合圖2和表3分析可知:采場(chǎng)跨度取值小于20 m,采場(chǎng)長(zhǎng)度在90 m之內(nèi),均在無(wú)支護(hù)過(guò)渡區(qū)內(nèi);當(dāng)采場(chǎng)跨度為15m時(shí),采場(chǎng)長(zhǎng)度在90m內(nèi)均在穩(wěn)定區(qū)。采場(chǎng)段高取100 m時(shí),從表3可知,支護(hù)過(guò)渡區(qū)的水力半徑小于15.78 m,通過(guò)圖3得出采場(chǎng)最大長(zhǎng)度為46 m。在水力半徑容許的支護(hù)過(guò)渡區(qū)可能會(huì)發(fā)生局部片幫,由于回采過(guò)程中無(wú)作業(yè)人員及設(shè)備暴露在采場(chǎng),在工程實(shí)踐中可通過(guò)適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施來(lái)確保安全。

綜合最大無(wú)支護(hù)跨度計(jì)算公式、Mathews圖解法采場(chǎng)頂板和側(cè)幫容許水力半徑的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)采場(chǎng)的跨度為15 m、高度為100 m時(shí),所得采場(chǎng)長(zhǎng)度為45m,可以滿(mǎn)足采場(chǎng)穩(wěn)定要求。因此將一步驟采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)取為45 m×15 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)。

3 采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

在理論分析的基礎(chǔ)上,采用FLAC3D軟件對(duì)高中段大采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中的采場(chǎng)位移、塑性區(qū)、安全系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,從而進(jìn)一步分析采場(chǎng)穩(wěn)定性。

3.1 模型范圍選取及構(gòu)建

以BR礦體二采區(qū)首采區(qū)域-450 m中段為例進(jìn)行建模,采場(chǎng)長(zhǎng)度45 m,采場(chǎng)高度100 m。模型從上到下依次為礦體上盤(pán)圍巖、礦體、下盤(pán)圍巖。

采用Rhino軟件建立模型,導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行模擬,X方向代表礦體的走向方向,Y方向代表垂直礦體走向,Z方向代表豎直方向。構(gòu)建的分析模型沿走向長(zhǎng)750m,垂直走向長(zhǎng)150m,海拔范圍為0～-600 m。從礦房和礦柱到外邊界網(wǎng)格按一定比例劃分,模型共得到單元數(shù)79～80萬(wàn)個(gè),建模完成后的模型如圖5所示。計(jì)算過(guò)程中采用“隔三采一”開(kāi)采方案(圖6),如-450 m中段盤(pán)區(qū)Ⅰ沿礦體走向分布stope 1～stope 9共9個(gè)采場(chǎng),第1步同時(shí)開(kāi)采stope 1、stope 5、stope 9,第2步充填stope 1、stope 5、stope 9空區(qū)并同時(shí)開(kāi)采stope 3、stope 7,第3步充填 stope 3、stope 7空區(qū)并同時(shí)開(kāi)采stope 2、stope 6,第4步充填stope 2、stope 6空區(qū)并回采stope 4、stope 8,第5步充填stope 4、stope 8空區(qū),開(kāi)采順序見(jiàn)表4。

圖5 采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model of stope stability

圖6 極厚礦體“隔三采一”開(kāi)采模式示意Fig.6 Schematic of mining pattern of "mining one stope in three intervals" for extremely thick orebody

表4 “隔三采一”模式下采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程Table 4 Mining process of the stopes under the pattern of "mining one stope in three intervals"

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

采場(chǎng)埋藏較深,礦區(qū)主應(yīng)力屬于水平構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)的高應(yīng)力場(chǎng)。因此,計(jì)算域初始條件考慮原巖構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和自重應(yīng)力場(chǎng)的共同作用。礦體在-450 m中段時(shí),沿礦體走向水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值為0.8,垂直于礦體走向水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力比值為1.2。當(dāng)?shù)V體埋深600 m時(shí),計(jì)算得到巖層垂直自重應(yīng)力為26.5 MPa,該深度下采場(chǎng)沿走向初始地應(yīng)力為21.2 MPa,垂直走向的初始地應(yīng)力為31.8 MPa。模擬中采用理想彈塑性Mohr-Coulumb模型,巖體力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表5,采空區(qū)采用膏體膠結(jié)充填,計(jì)算假定充填體是接頂?shù)?充填體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度大于1.62 MPa。

表5 巖體力學(xué)參數(shù)Table 5 Mechanical parameters of rock mass

3.3 模擬方案

理論分析初步確定了模擬采場(chǎng)的長(zhǎng)度為45 m,一步驟采場(chǎng)寬度為15 m,高度為100 m,本次模擬重點(diǎn)對(duì)二步驟采場(chǎng)的寬度進(jìn)行優(yōu)化,共設(shè)計(jì)了4個(gè)方案,各方案參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬方案Table 6 Numerical simulation schemes of stope stability

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果

3.4.1 位 移

位移是采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo),若采場(chǎng)圍巖變形量過(guò)大,采場(chǎng)極有可能發(fā)生失穩(wěn)。各方案對(duì)應(yīng)的最大位移曲線如圖7所示。由圖7可知:開(kāi)采全過(guò)程中,各個(gè)方案頂板的最大水平位移變化不大,最大水平位移(沿走向)為40.74～42.10 mm,頂板的最大垂直(重力方向)位移隨著二步驟礦柱寬度的增大而增大,最大垂直位移為92.12～105.91 mm。

圖7 不同方案的最大位移對(duì)比Fig.7 Comparison of the maximum displacement of different schemes

采場(chǎng)穩(wěn)定性可通過(guò)頂?shù)装鍘r層的位移量來(lái)體現(xiàn)。4個(gè)方案的位移分析表明:隨著采場(chǎng)的開(kāi)挖,采場(chǎng)位移逐漸增加,且開(kāi)采第1、2、3步的采場(chǎng)位移量較小,第4步采場(chǎng)出現(xiàn)較大的位移量,但都在可控范圍之內(nèi)。方案3的模擬結(jié)果如圖8所示,其中,“42 floor disp_z of stope 4”及“33 roof disp_z of stope 4”分別為stope 4底板、頂板的垂直位移變化曲線;“46 floor disp_z of stope 8”及“37 roof disp_z of stope 8”分別為stope 8底板、頂板的垂直位移變化曲線。可以看出,最大位移量發(fā)生在第4步,第4步開(kāi)采完成后,stope 4頂板垂直位移為93.5 mm,對(duì)應(yīng)的底板垂直位移為52 mm;stope 8頂板垂直位移為80.5 mm,底板垂直位移為41.5 mm。

圖8 第4步開(kāi)采stope 4和stope 8頂?shù)装宕怪蔽灰魄€Fig.8 Vertical displacement curves of stope 4 and stope 8 in the fourth step of mining

3.4.2 塑性區(qū)

塑性區(qū)分布可直觀地反映礦巖開(kāi)采后的圍巖穩(wěn)定性,4個(gè)方案模擬結(jié)果對(duì)比表明:方案1、2、3并未出現(xiàn)連片的貫通性破壞,方案4剪切破壞塑性區(qū)分布明顯,在stope 4甚至出現(xiàn)了貫穿性破壞的塑性區(qū)。選取方案3模擬結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖9所示,“4 stope_v_shear(FISH)”及“5 stope_v_tension(FISH)”分別為第3步開(kāi)采結(jié)束后礦房拉伸破壞及剪切破壞體積變化曲線。可以看出,礦房和礦柱的拉伸破壞單元主要集中在采場(chǎng)幫壁和頂?shù)装?在開(kāi)采第3步時(shí),采場(chǎng)剪切破壞單元急劇增加;開(kāi)采結(jié)束后,stope 3和stope 7的充填體并未起到協(xié)助應(yīng)力轉(zhuǎn)移的作用,其拉伸破壞體積還有減小的趨勢(shì),此時(shí)充填體的主要破壞部位仍集中于stope 5的充填體。

圖9 第3步開(kāi)采時(shí)礦房礦柱破壞體積曲線Fig.9 Volume curves of collapsed pillars and room s during the third step of mining

本次模擬以二步驟寬度作為變量,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致,此時(shí)若僅采用常規(guī)塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比,模擬的結(jié)果區(qū)別較小。因此,本研究采用整體礦巖破壞體積比例來(lái)定量評(píng)價(jià)不同方案的破壞單元體積最大情況。以開(kāi)采第2步為例,當(dāng)采場(chǎng)寬為15 m,礦柱寬度為15～19.5 m時(shí),礦房和礦柱破壞單元體積為1 740.79～2 005.78 m3,對(duì)應(yīng)的比例為14.77%～20.95%。隨著二步驟的采場(chǎng)寬度增大,塑性區(qū)明顯增加,采場(chǎng)兩幫會(huì)出現(xiàn)比較明顯的片幫,但并未出現(xiàn)貫通性破壞。塹溝底部結(jié)構(gòu)的兩幫發(fā)生較為嚴(yán)重的剪切破壞,工程實(shí)踐中需提前采用錨桿或錨索對(duì)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。

3.4.3 安全系數(shù)

安全系數(shù)是由摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則所決定的極限應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)的比值。安全系數(shù)為1時(shí)處于臨界狀態(tài),安全系數(shù)越大,圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)越好[16]。4個(gè)方案的安全系數(shù)分析表明:多采場(chǎng)開(kāi)采結(jié)束后,應(yīng)力重新分布過(guò)程產(chǎn)生的剪切破壞部位主要位于塹溝底部結(jié)構(gòu),拱頂?shù)募羟衅茐膯卧^小,安全系數(shù)取值為1.0～1.4。第3步開(kāi)采時(shí),即將開(kāi)采的stope 4和stope 8中部發(fā)生局部區(qū)域的剪切破壞,其中stope 4的安全系數(shù)為1.1～1.15,如圖10所示,安全系數(shù)分布與模型塑性區(qū)分布吻合。從安全系數(shù)角度分析發(fā)現(xiàn),在提前支護(hù)的情況下,這4個(gè)方案的安全系數(shù)仍在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

圖10 安全系數(shù)分布Fig.10 Distribution of safety coefficients

通過(guò)對(duì)-450 m中段礦塊開(kāi)采過(guò)程的位移量、塑性區(qū)和安全系數(shù)分析可知,采用方案1、方案2與方案3開(kāi)采時(shí),位移變化不大,在礦巖的塑性變形范圍內(nèi),并且不發(fā)生大面積的剪切破壞,整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中保持穩(wěn)定狀態(tài),采場(chǎng)安全系數(shù)大于1。采用方案4進(jìn)行開(kāi)采時(shí),采場(chǎng)垂直位移量和破壞單元體積較大,且由于在模擬開(kāi)采過(guò)程中stope 4出現(xiàn)連片的剪切破壞,塹溝底部結(jié)構(gòu)同樣破壞嚴(yán)重,容易導(dǎo)致充填體受到破壞和采場(chǎng)失穩(wěn)。此時(shí),一步驟礦房寬度取15 m,二步驟礦柱寬度取18 m,可依靠礦巖和膠結(jié)充填體達(dá)到控制地壓的目的。

大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ墓I(yè)試驗(yàn)采場(chǎng)位于BR礦體二采區(qū)-450 m中段2#勘探線附近,傾向SW,傾角50°左右,平均厚度為300 m,平均品位為0.617%。一步驟采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為45 m×15 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高),二步驟采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為45 m×18 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)。從現(xiàn)場(chǎng)一步驟采場(chǎng)開(kāi)采情況可知,生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于原分段鑿巖分段出礦空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?高中段大采場(chǎng)在采充過(guò)程中均保持穩(wěn)定,僅部分塹溝底部結(jié)構(gòu)需采用錨桿進(jìn)行加固。

5 結(jié) 論

(1)大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘砂踩咝У亻_(kāi)采傾斜極厚斑巖型銅礦體。最大無(wú)支護(hù)跨度計(jì)算初步確定的一步驟采場(chǎng)安全寬度為15～17 m;Mathews圖解法中采場(chǎng)頂板、側(cè)幫暴露尺寸與水力半徑的關(guān)系分析表明,當(dāng)?shù)V房寬度為15 m,中段高度為100 m時(shí),采場(chǎng)長(zhǎng)度應(yīng)小于46 m。

(2)當(dāng)采場(chǎng)長(zhǎng)45 m、高 100 m,一步驟采場(chǎng)寬度15 m,二步驟采場(chǎng)寬度為15～19.5 m時(shí),FLAC3D軟件采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬表明:頂板的最大垂直位移隨著二步驟采場(chǎng)寬度增大而增大;二步驟采場(chǎng)寬度為15～18 m時(shí),采場(chǎng)周?chē)闯霈F(xiàn)貫通性塑性區(qū)破壞,但塹溝底部結(jié)構(gòu)的兩幫發(fā)生部分剪切破壞;多采場(chǎng)“隔三采一”開(kāi)采時(shí)塹溝底部結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較低,可提前采用錨桿或錨索對(duì)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。

(3)基于不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)位移、塑性區(qū)及安全系數(shù)的分布規(guī)律,BR礦體大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǜ咧卸未蟛蓤?chǎng)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為:一步驟采場(chǎng)45 m×15 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高),二步驟采場(chǎng)45 m×18 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)。工業(yè)試驗(yàn)表明,優(yōu)化后的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可保障傾斜極厚斑巖型礦體安全回采。