張 兵 胡文達(dá) 李 輝 王貽明(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；.中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司謙比希銅礦)

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謙比希銅礦主礦體深部保安礦柱穩(wěn)定性分析*

張 兵1,2,3胡文達(dá)1,2,3李 輝3王貽明1,2
(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司謙比希銅礦)

謙比希銅礦深部礦體采用大直徑深孔分段空?qǐng)鏊煤髲U石充填法開采，存在鑿巖巷道穩(wěn)定性差、上盤垮冒嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致采場(chǎng)回采效率低、安全性差，制約礦山生產(chǎn)能力，同時(shí)上部采用嗣后分級(jí)尾砂充填，隔離保安礦柱僅厚21 m。為保證深部嗣后采場(chǎng)的安全回采，選用FLAC3D對(duì)保安礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，在當(dāng)前條件下，21 m保安礦柱能有效隔離上下采區(qū)，防止上部充填尾砂涌入下部采場(chǎng)，保證采場(chǎng)作業(yè)安全。

大直徑深孔 空?qǐng)鏊煤蟪涮?保安礦柱 分級(jí)尾砂

隨著謙比希銅礦500 mL以上資源的逐漸枯竭，為維持礦山產(chǎn)能，礦山提前向900 mL深部開拓采礦，目前在垂向上已形成500,700,900 mL 3個(gè)采區(qū)，其中500 mL采區(qū)已接近尾聲，900 mL采區(qū)為新建采區(qū)。700 mL采區(qū)以上主要采用上向水平分層充填法、中深孔落礦分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和崩落法回采，深部900 mL采區(qū)設(shè)計(jì)采用大直徑下向深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。因700 mL采區(qū)的Ⅱ、Ⅲ盤區(qū)采用分級(jí)尾砂充填，且采空區(qū)上部圍巖崩落裂隙帶已與上部主含水層連通，存在上部充填尾砂大量涌入900 mL采區(qū)，造成淹井的危險(xiǎn)，在700～900 mL采區(qū)預(yù)留一水平保安礦柱，以隔離上下2個(gè)采區(qū)。鑒于900 mL采區(qū)回采順序?yàn)樽韵露?，且部分采?chǎng)頂板冒落嚴(yán)重，可能威脅到水平礦柱的安全，因此，需研究水平保安礦柱的穩(wěn)定性，以便制定相應(yīng)的對(duì)策措施，確保生產(chǎn)安全。

1 開采技術(shù)條件

謙比希銅礦床在地質(zhì)構(gòu)造上處于贊比亞—?jiǎng)偣?金)銅鈷礦帶的中部偏南。該礦帶呈北西—南東向展布，在贊比亞境內(nèi)長約150 km，寬約50 km，自北西部的孔科拉(KONKOLA)到南東部的盧安夏(LUANSHYA)，一系列大型、超大型銅礦床分布于卡富埃(KAFUE)背斜的北東翼和南西翼，形成2個(gè)次級(jí)成礦帶。謙比希銅礦床產(chǎn)于南西次級(jí)成礦帶中部、謙比希盆地的北緣。地理坐標(biāo)：南緯12°40′，東經(jīng)28°00′。謙比希銅礦主要是泥質(zhì)型沉積變質(zhì)巖型銅礦床,根據(jù)設(shè)計(jì)，主礦體683～878 mL水平礦石量為7496 526 t，平均品位為2.41%。

深部嗣后充填法采區(qū)是指704 mL以下對(duì)應(yīng)上部分層法回采的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ盤區(qū)，走向長790 m，垂高為161 m，見圖1。礦體傾角為60°～85°，其中770 mL以上傾角相對(duì)較緩，為60°～70°，770 mL以下傾角為70°～85°，為急傾斜礦體。礦體厚5～10 m，平均為8 m，厚度變化均勻。礦體連續(xù)性好，沒有發(fā)現(xiàn)夾石，沒有出現(xiàn)無礦天窗。

圖1 深部嗣后充填法開采示意

礦體距上盤礦巖界線1.5 m范圍內(nèi)為蝕變破碎帶；礦體內(nèi)部(865 mL)3～5 m較破碎，5～8 m礦巖整體性相對(duì)較好，而距下盤邊界8～12 m為泥質(zhì)石英巖，較破碎；距礦體下盤接觸帶1 m范圍內(nèi)為礫巖，破碎；距礦體底板6～7 m及8～10 m有破碎帶，多為石英脈填充，對(duì)進(jìn)路穩(wěn)定性影響不大，見圖2。

圖2 深部近礦圍巖破碎帶分布

2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)南非Roclab及VLC公司提交的巖石力學(xué)試報(bào)告，主要巖石強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

E.Hoek等在1994年對(duì)原Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了重新定義和擴(kuò)展。新準(zhǔn)則引入了巖體的地質(zhì)環(huán)境因素，認(rèn)為可以用地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI(the geological strength index)對(duì)節(jié)理化巖體進(jìn)行評(píng)分和分級(jí)，通過巖體的GSI得分來計(jì)算及描述其強(qiáng)度和變形特征[1-2]。GSI取值區(qū)間為(0，100)，其大小決定于巖體結(jié)構(gòu)面特性。修正后的Hoek-Brown準(zhǔn)則可用下式表示：

表1 巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果匯總

(1)

式中，σ1為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力,MPa；σ3為巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力,MPa；σci為組成巖體的完整巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度,MPa；mb為巖體Hoek-Brown常量；s，a為巖體特性的常數(shù)。

s、a和mb的計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中，D為巖體擾動(dòng)參數(shù)，表示爆破破壞和應(yīng)力松弛對(duì)節(jié)理巖體的擾動(dòng)程度，非擾動(dòng)巖體D=0，擾動(dòng)性很強(qiáng)的巖體D=1,具體值可查表;mi為完整巖塊的Hoek-Brown常量，具體值可查表。

根據(jù)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算，獲得與該礦山礦巖條件吻合的深部礦巖力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 礦巖體力學(xué)參數(shù)

3 保安礦柱穩(wěn)定性分析

為保護(hù)地表地貌、地面建筑、構(gòu)筑物和主要井巷，分隔礦田、井田、含水層、火區(qū)及破碎帶等而留下不采或暫時(shí)不采的部分礦體稱為礦柱。礦柱是地下礦山開采重要的結(jié)構(gòu)單元，按留設(shè)的用途，又分井筒保安礦柱、境界礦柱，防水礦柱、斷層破碎帶礦柱等。

深部礦體采用大直徑深孔分段空?qǐng)鏊煤髲U石充填法，回采水平為704～865 mL。其正上方礦體采用的是嗣后分級(jí)尾砂充填法，回采水平為650～683 mL，目前已經(jīng)回采完畢?，F(xiàn)根據(jù)嗣后采場(chǎng)回采設(shè)計(jì)參數(shù)，選用FLAC3D軟件，從應(yīng)力、位移分析保安礦柱的穩(wěn)定性。

礦體傾角為75°；礦房沿礦體走向布置，長20 m；礦房的寬度垂直礦體走向，為礦體厚度，8 m。礦房位于礦體中部區(qū)域，四周被上下盤圍巖和礦體包裹?？紤]到整體力學(xué)模型，按開挖空間直徑(或最大跨度)3～5倍的影響范圍進(jìn)行選取，以上盤圍巖一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以垂直礦體走向?yàn)閄方向，沿礦體走向?yàn)閅方向，高度方向?yàn)閆方向建立模型，其中Z=0平面是各礦房的中間面。模型長(Y方向)200 m，寬(X方向)68 m，高(Z方向)80 m。網(wǎng)格劃分遵循細(xì)化以滿足計(jì)算精度，粗劃以減少計(jì)算工作量的原則，在礦房附近區(qū)域加密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離礦房的區(qū)域網(wǎng)格稀疏，模型節(jié)點(diǎn)為53 025個(gè)，單元體為48 000個(gè)。

模型3個(gè)方向主應(yīng)力變?yōu)?負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力)：

σz=ρgz，

(5)

σy=σzk1，

(6)

σx=σzk2，

(7)

式中,σz為垂直主應(yīng)力，MPa；σy為y方向主應(yīng)力，MPa；σx為x方向主應(yīng)力，MPa；ρ為礦石密度，2.5 t/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；z為開采深度，714 m；k1、k2為側(cè)壓系數(shù)，分別取1.2、1.5。

計(jì)算得出σz=-17.5 MPa，σy=-21 MPa，σx=-26.25 MPa。

模型上部表面為自由面，需施加應(yīng)力，其值為上部巖體自重，按下式計(jì)算：

(8)

式中,h為坐標(biāo)原點(diǎn)至模型上表面的高度，40m；其他符號(hào)意義同上。

3.1 應(yīng)力分析

保安礦柱埋深在683～704 mL，厚21 m，對(duì)應(yīng)于模型中的Z=10～31 m。選取Z=12，20 ，28 m 3個(gè)截面，礦房回采后截面上最大、最小主應(yīng)力值見表3。

表3 保安礦柱不同垂高截面的主應(yīng)力

結(jié)合表中數(shù)據(jù)與原巖應(yīng)力值可知，最大主應(yīng)力近于X方向，最小主應(yīng)力近于Z方向。已知模型的坐標(biāo)原點(diǎn)處σx=-26.25 MPa、σz=-17.5 MPa，判斷Z=12 m、Z=20 m截面上存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大主應(yīng)力峰值都達(dá)到-32 MPa左右，最小主應(yīng)力峰值也有-18 MPa，而Z=28 m截面應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)并不明顯，其受力狀態(tài)接近原巖應(yīng)力場(chǎng)條件，說明礦房回采對(duì)其影響很小。此外，在靠近礦房的保安礦柱區(qū)域，如Z=12 m截面最大、最小主應(yīng)力峰值谷值之間差距很大，而遠(yuǎn)離礦房的保安礦柱區(qū)域，如Z=28 m截面最大、最小主應(yīng)力峰值谷值之間差距很小。根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則推論可知，相同條件下，巖體所受最大、最小主應(yīng)力差值越大，越易破壞。這說明靠近礦房的保安礦柱容易破壞，遠(yuǎn)離礦房的不易破壞。最后，所選截面中都沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，可以排除保安礦柱被拉伸破壞的可能性。Z=12 m截面最大、最小主應(yīng)力分布見圖3。Z=28 m截面最大、最小主應(yīng)力分布見圖4。

由圖3可知，最大主應(yīng)力近于X方向，礦房正上方是卸壓區(qū)，應(yīng)力釋放，間隔礦柱正上方是應(yīng)力集中區(qū)。最小主應(yīng)力近于Z方向，圍繞采場(chǎng)形成一個(gè)卸壓區(qū)，應(yīng)力釋放，在礦房正上方最小主應(yīng)力出現(xiàn)谷值-3.42 MPa。

圖3 Z=12 m截面應(yīng)力分布

圖4 Z=28 m截面應(yīng)力分布

由圖4可知，Z=28 m截面上已經(jīng)看不出最大、最小主應(yīng)力分布與礦房之間的關(guān)系了，說明礦房回采對(duì)于這個(gè)區(qū)域的保安礦柱影響已經(jīng)不大了。

3.2 位移分析

選取Z=12，20，28 m 3個(gè)截面，礦房回采后3個(gè)截面上的X、Y、Z方向位移值見表4(其中負(fù)號(hào)僅表示位移方向與坐標(biāo)正方向相反)。

表4 保安礦柱不同垂高截面上位移值

由表4可知，保安礦柱不同垂高截面上Z方向位移最大，X方向次之，Y方向最小(Z=28 m截面X方向位移比Y方向位移還小)；隨保安礦柱截面垂高增加，3個(gè)方向位移值都在快速下降，特別是X、Z方向，Z=28 m截面Z方向位移最大值僅為Z=12 m截面的17.3%，X方向位移最大值僅為Z=12 m截面的15.1%，Y方向位移值也下降為Z=12 m 截面的59%。這與應(yīng)力分析結(jié)果一致，即遠(yuǎn)離礦房區(qū)域的保安礦柱受回采的影響不斷下降。

4 結(jié) 論

(1)采用改進(jìn)的Hoek-Brown準(zhǔn)則，在礦巖巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試基礎(chǔ)上，確定了該礦山礦巖力學(xué)參數(shù)。

(2)通過FLAC3D數(shù)值模擬，從應(yīng)力和位移對(duì)保安礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出下部礦房回采導(dǎo)致保安礦柱失穩(wěn)破壞的范圍在靠近礦房頂板區(qū)域的10 m左右。

(3)分段空?qǐng)鏊煤髲U石充填法采區(qū)與其上部嗣后分級(jí)尾砂充填法采區(qū)之間留有21 m厚礦柱，在計(jì)算條件下，能夠隔離下部礦房回采影響，保證采場(chǎng)安全回采。

[1] Hoek E．Strength of rock and rock masses[J]．ISRM New Journal，1994，2(2)：4-16．

[2] Hoek E，Diederichs M S．Empirical estimation of rock mass modulus[J]．International Journal of Rock Mechanics &Mining Sciences，2006(43)：203-215．

Stability Analysis on the Deep Safety Pillars of the Main Orebody of Chambishi Copper Mine

Zhang Bing1,2,3Hu Wenda1,2,3Li Hui3Wang Yiming1,2

(1.Civil and Environmental Engineering School, Universtiy of Science and Technology Beijing;2.Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines, Ministry of Education;3.Chambishi Copper Mine, CNMC Afrian Minerals company Co., Ltd.)

The large diameter deep hole sublevel open stoping with subsequent backfilling with barren rocks is used in Chambishi copper mine,the stability of drilling tunnels is poor, and catastrophic collapse of hanging side is serious. Therfore,the efficiency of stope mining is low, the safety of the stope mining is poor, the mine production capacity is restricted. Besides that, subsequent grading backfilling filling is used to deal with the upper orebody, the thickness of the safety pillar is 21 m. In order to ensure safety mining of the deep subsequent stope, the FLAC3Dsoftware is adopted to analyze the stability of safety pillar. The research results show that, under the current conditions, the safety pillar with the thickness of 21 m can isolate the mining area effectively and prevent the upper filling backfilling into lower stope so as to ensure safety mining.

Large diameter deep hole, Open stoping with subsequent backfilling, Safety pillar, Grading backfilling

*國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(編號(hào)：2012BAB08B02)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助(編號(hào)：NCET-13-0669)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51374035)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)基金(編號(hào)：2011000612002)。

2014-08-15)

張 兵(1968—)，男，高級(jí)工程師，碩士研究生，100083 北京市朝陽區(qū)安定路10號(hào)。