吳秀儀，林玉明，方延強(qiáng)

(1.四川省川威集團(tuán)有限公司，四川成都 610100;2.林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司四川分公司，四川成都 610065)

無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)路極限寬度研究

吳秀儀1，林玉明1，方延強(qiáng)2

(1.四川省川威集團(tuán)有限公司，四川成都 610100;2.林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司四川分公司，四川成都 610065)

無(wú)底柱分段崩落法，因采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高，成本低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點(diǎn)，在金屬礦山獲得迅速推廣。但無(wú)底柱分段崩落采礦方法礦石是在覆蓋層廢石的包圍下放出，礦石的貧化及損失較大，且較難控制。進(jìn)路斷面是影響礦石的貧化損失的重要因素之一，通過(guò)極限平衡理論，結(jié)合目前礦山巷道錨桿支護(hù)技術(shù)來(lái)合理確定進(jìn)路極限寬度，對(duì)影響進(jìn)路極限寬度的主要因素進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)而為降低無(wú)底柱分段崩落采礦法的貧化損失提供理論參考。

無(wú)底柱分段崩落法;貧化損失;極限平衡理論;極限寬度

無(wú)底柱分段崩落法自20世紀(jì)60年代初從瑞典引入，因該方法具有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高、開采強(qiáng)度大、作業(yè)效率高、成本低和生產(chǎn)安全等優(yōu)點(diǎn)。在金屬礦山獲得迅速推廣，特別是在鐵礦山更為廣泛，目前已占地下鐵礦山礦石總產(chǎn)量的70%左右。隨著開采向地下深部的發(fā)展，該方法的應(yīng)用有增加的趨勢(shì);無(wú)底柱分段崩落法朝著增大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)、增加一次崩礦量，采用電動(dòng)、全液壓的大型無(wú)軌采礦設(shè)備發(fā)展方向。

無(wú)底柱分段崩落法采礦的特點(diǎn)是崩落礦石和覆蓋層廢石直接接觸，礦石是在覆蓋層廢石的包圍下從放礦口放出，回采礦石的貧化及損失較大，且較難控制。我國(guó)無(wú)底柱分段崩落法礦山的貧化率為15%～20%，礦石回收率為85%～90%，較國(guó)外同工藝的礦山貧化損失要高。因此，研究降低無(wú)底柱分段崩落法礦石貧化損失，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)用意義［1－3］。

1 進(jìn)路斷面對(duì)礦石損失貧化的影響

影響覆巖下放礦的礦石回收率和貧化率的因素有:礦巖的物理力學(xué)形狀、塊度組成、壓實(shí)程度，崩落礦石的高度，分段巷道的布置，爆破參數(shù)，進(jìn)路間距、斷面等因素，其中進(jìn)路斷面是影響礦石貧化損失的一個(gè)重要參數(shù)。

1.1 進(jìn)路斷面形狀對(duì)礦石損失貧化的影響

井下開采中進(jìn)路斷面形狀通常采用拱形和矩形兩種。拱形斷面的進(jìn)路中，崩落礦石在其底板上堆積成“舌狀”，突出的“舌尖”妨礙巷道全寬上順序均勻裝礦，導(dǎo)致有效裝礦寬度縮短。而矩形巷道中，崩落的礦石堆面與其底板面的接觸是一條直線，有利于全斷面的均勻裝礦，礦巖接觸面基本保持水平下降，可以減少礦石的貧化損失。因此，井下開采中進(jìn)路斷面應(yīng)采用矩形斷面。

1.2 斷面參數(shù)對(duì)礦石損失貧化的影響

根據(jù)大量的生產(chǎn)實(shí)踐可知，為了降低放礦過(guò)程中的大塊堵塞現(xiàn)象，進(jìn)路巷道高度應(yīng)盡可能小，但不能小于現(xiàn)場(chǎng)鑿巖設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備工作時(shí)所需的最小高度。

進(jìn)路在高度一定的情況下，寬度變大，對(duì)放礦非常有利，可以有效降低貧化率、提高資源回收率，但進(jìn)路的巷道穩(wěn)定性變差;巷道寬度變小，巷道穩(wěn)定性較好，但因不便于全斷面裝礦而產(chǎn)生超前貧化［4］，從而影響礦石貧化損失。

進(jìn)路的寬度直接影響崩落礦石的流動(dòng)性，是影響礦石貧化損失的重要因素之一。因此必須科學(xué)合理地確定進(jìn)路極限寬度。

2 進(jìn)路極限寬度的確定

由于井巷工程的開挖，使巷道周圍地層應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，導(dǎo)致巷道周邊巖體的應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，巷道水平軸線上各巖塊單元體所處的應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 巷道圍巖彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

如果巷道圍巖局部區(qū)域的集中應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度，則這部分圍巖在集中應(yīng)力作用下處于破碎狀態(tài);隨著向圍巖的內(nèi)部發(fā)展，圍巖受開挖的影響逐漸減小，圍巖的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，直到某一深度處圍巖處于彈性狀態(tài)。這樣，隧道周圍就會(huì)產(chǎn)生一定范圍的極限平衡區(qū)［5－6］。

2.1 極限平衡區(qū)半徑的計(jì)算公式

根據(jù)彈塑性理論，圓形巷道在靜水應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)下，巷道的極限平衡區(qū)半徑R為［8］:

式中:a為巷道的當(dāng)量半徑，m;g巖圍巖容重，KN/m3;H為巷道埋深，m;C為粘結(jié)力，MPa;j為內(nèi)摩擦角;Pi為支護(hù)阻力;l=(1－sinj)2sinj。

公式(1)中所涉及的力學(xué)參數(shù)通常是實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的礦巖塊的參數(shù)，而實(shí)際工程中所涉及的是礦巖體的參數(shù)?？紤]到實(shí)驗(yàn)室礦巖塊同礦巖體的差異，用礦巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K1對(duì)礦巖塊的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正。修正后的極限平衡區(qū)半徑公式為:

(2)其它參數(shù)

目前國(guó)內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度較低的情況下，一般的支護(hù)強(qiáng)度很難有效地阻止極限平衡區(qū)的發(fā)生和發(fā)展，支護(hù)阻力Pi對(duì)控制極限平衡范圍的作用較小，計(jì)算時(shí)可以不予考慮。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K1的確定

為了計(jì)算出和工程實(shí)際情況相符的極限寬度，在實(shí)驗(yàn)室除做進(jìn)路礦巖巖樣的常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的礦巖體的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行深入的研究調(diào)查，并進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析，從而獲得準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)。

2.3 進(jìn)路極限寬度計(jì)算公式

(1)極限平衡區(qū)深入圍巖中的深度R'。

其中:h為巷道的高度;R為極限平衡區(qū)半徑。

把式(3)帶入(2)得:

式中:K1為煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)。

式(2)中各參數(shù)的確定方法如下:

(1)矩形巷道的圓形標(biāo)準(zhǔn)化

由于目前巖石力學(xué)和礦山壓力的發(fā)展水平，非圓形巷道周圍應(yīng)力重新分布的理論解析還沒(méi)有達(dá)到令人滿意的結(jié)果;計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬由于進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化和假設(shè)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的誤差［5］。為此，采用矩形巷道的圓形標(biāo)準(zhǔn)化法先求出巷道的當(dāng)量半徑，然后利用圓形巷道的極限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。

當(dāng)量半徑可采用外接圓半徑法來(lái)求得。作矩形巷道的外接圓，用該外接圓的半徑來(lái)表示實(shí)際巷道的特征尺寸。設(shè):巷道的寬度為2ao，高度為2h，x為高寬之比，矩形2ao×2h的外接圓半徑為:

由式(6)可知，在巖石力學(xué)參數(shù)、礦產(chǎn)埋深及巷道高度一定的情況，極限平衡區(qū)深入圍巖中的深度隨著巷道寬度的增加而增大，即巷道寬度越大，巷道越不穩(wěn)定。因此，通過(guò)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，增大巷道的斷面寬度，從而降低礦石貧化率，提高礦石回收率。

(2)根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度確定極限寬度

錨桿支護(hù)具有安全方便，施工速度快，支護(hù)效果好等優(yōu)勢(shì)，目前井下巷道多采用錨桿支護(hù)方式，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。利用錨桿懸吊巖石重量等于錨桿的錨固力［7］，可得出:

式中:Y為錨桿安全系數(shù);n為錨桿的間排距，m;Q為錨桿的錨固力，KN;d為錨桿的直徑，m;［st］為材料抗拉強(qiáng)度，MPa;w為常用錨桿的直徑，m。

根據(jù)井下巷道圍巖特性及采動(dòng)影響確定巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)K1，同時(shí)把巖石力學(xué)參數(shù)及工程支護(hù)參數(shù)帶入式(10)即可計(jì)算出巷道的極限寬度。

3 影響進(jìn)路極限寬度的主要因素

3.1 圍巖力學(xué)特性及地質(zhì)構(gòu)造影響因素

(1)圍巖的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角的影響。粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角是影響巷道臨界寬度的兩個(gè)主要力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，它們直接關(guān)系到圍巖自承能力、極限平衡區(qū)半徑的大小。

(2)地質(zhì)構(gòu)造的影響。如果巷道布置在地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，圍巖存在節(jié)理、裂隙發(fā)育等特性，巷道在掘出以后，巷道穩(wěn)定性較差。因此，巷道極限寬度相對(duì)要?。?－9］。

3.2 采掘技術(shù)的影響因素

(1)巷道高度的影響。在其它條件一定的情況下，如果巷道越高，極限平衡區(qū)深入巖體中的深度就越大，松動(dòng)的巖體或破碎的巖塊就越多，巷道圍巖穩(wěn)定性就越差;同時(shí)不利于放礦，從而增加礦石的貧化損失。在其它參數(shù)一定的情況下，巷道越高，其極限寬度就越小;

(2)采動(dòng)影響因素。相鄰進(jìn)路的掘進(jìn)及相鄰采礦作業(yè)面的采動(dòng)影響，如果進(jìn)路受采動(dòng)影響程度較深，巷道圍巖松散程度、破碎程度較嚴(yán)重，使得巷道圍巖不穩(wěn)定。如采動(dòng)影響程度較大，巷道的極限寬度相應(yīng)要變小。

3.3 支護(hù)影響因素

(1)巷道的支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)及支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道的極限寬度都有很大的影響。如果支護(hù)形式選擇適當(dāng)、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，巷道圍巖的有害變形得到有效的控制，圍巖松動(dòng)或破碎的巖塊被有效支護(hù)，則相應(yīng)的巷道臨界寬度要大;

(2)支護(hù)時(shí)間對(duì)巷道臨界寬度的影響。如果巷道開挖后立即進(jìn)行支護(hù)，巷道圍巖的變形受支護(hù)阻擋，此時(shí)要求支護(hù)的強(qiáng)度和剛度足夠大才能使圍巖穩(wěn)定;如果達(dá)不到要求，則先允許巷道圍巖有一定的變形，使其壓力釋放一部分，然后再進(jìn)行支護(hù)。允許圍巖有一定變形后，再進(jìn)行支護(hù)，此時(shí)的巷道臨界寬要大。因此，支護(hù)時(shí)間的選擇也是影響巷道極限寬度的因素［10－11］。

綜上所述，進(jìn)路臨界寬度的確定要根據(jù)巷道圍巖的力學(xué)特性及地質(zhì)構(gòu)造、井下采掘技術(shù)及支護(hù)形式與強(qiáng)度等因素來(lái)綜合確定。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)無(wú)底柱分段崩落法采礦特點(diǎn)，分析確定進(jìn)路的斷面是影響礦石貧化損失的重要因素之一。矩形斷面礦石的貧化損失要比拱形斷面小;矩形斷面的進(jìn)路中，巷道高度越小，寬度越大，越有利于放礦，礦石貧化損失相應(yīng)降低。

(2)由于井下采掘活動(dòng)而破壞了巷道周圍地層應(yīng)力的平衡狀態(tài)，應(yīng)用極限平衡理論推出巷道圍巖極限平衡區(qū)深入圍巖的公式，而后根據(jù)錨桿支護(hù)理論推出巷道極限寬度的理論公式。

(3)影響強(qiáng)巷道極限寬度的因素是多方面的，從圍巖力學(xué)特性及地質(zhì)構(gòu)造因素、采掘技術(shù)因素、巷道支護(hù)因素三方面進(jìn)行分析。圍巖的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角是影響巷道極限寬度的兩個(gè)主要力學(xué)參數(shù)指標(biāo);采動(dòng)影響因素也是影響臨界寬度的主要因素;巷道的支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)及支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道的極限寬度都有很大的影響。

［1］陳小偉，明世祥.崩落法開采中覆巖厚度對(duì)放出體形態(tài)的影響研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008，17(7):111－114.

［2］張國(guó)建，蔡美峰.崩落體形態(tài)及其影響研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008，12(12):38－42.

［3］馬春德，李夕兵，陳楓，等.自然崩落法礦山深部地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的測(cè)試研究［J］.礦冶工程，2008，28(6):10－14.

［4］陳國(guó)山，翁春林.金屬礦地下開采［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009:212.

［5］劉長(zhǎng)武，翟才旺.地層空間應(yīng)力場(chǎng)的開采擾動(dòng)與模擬［M］.鄭州:黃河水利出版社，2005:102－166.

［6］蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:307.

［7］Wu Xiuyi，Liu Changwu，Shen Rongxi.Research on Roadway Surrounding Rock Classification Method at Strongly Weathered Zone［C］//Proceedings of the 2007＇Intenational Symposium on Mining Science and Safety Technology.Jiaozuo，China:2007: 500－505.

［8］錢鳴高，劉聽成.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1991:63.

［9］陳曉詳，韋四江.初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性的影響［J］.礦冶工程，2008，28(6):1－4.

［10］沈榮喜，吳秀儀，劉長(zhǎng)武，等.海底隧道施工過(guò)程中突水風(fēng)險(xiǎn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2008，32(3):385－388.

［11］東兆星.井巷工程［M］.江蘇徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005:27－120.

Research on Drift Limit－equilibrium Width of Non－pillar Sublevel Caving

WU Xiu－yi1，LIN Yu－ming1，F(xiàn)ANG Yan－qiang2

(1.Tranvic Group，Chengdu 610100，Sichuan，China;2.T.Y.LIN SC.，Chengdu 610065，Sichuan，China)

Non－pillar sublevel caving method is popularized rapidly in metal mines，thanks to the simple stope structure，the high mechanization，the low cost，the safety mining and so on.But it is difficult to control the dilution and loss of the ore because the drawing ore is under the capping rock.The drift cross section is one of the main factors affecting the ore dilution and loss.Based on the present mine bolt supporting technology，the drift limit－equilibrium width is determined rationally through the limit－equilibrium theory.And the main factors affected the drift limit－equilibrium width are analyzed.It has some theoretical reference value in lowering the ore dilution and loss.

non－pillar sublevel caving;dilution and loss;limit－equilibrium theory;limit－equilibrium width

TD311

A

1009－3842(2011)06－0018－03

2011－09－28

吳秀儀(1979－)，男，山西省晉中市祁縣人，工學(xué)博士，采礦工程師，主要從事采礦工程與巖土工程的理論與技術(shù)研究。E－mail: wuxiuyi227@yahco.com.cn