王 洋，宋衛(wèi)東，譚玉葉，方暄東，夏 鴻

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.武鋼礦業(yè)有限責(zé)任公司金山店鐵礦，湖北大冶435116）

預(yù)控頂分段空?qǐng)鏊煤蟛蓤?chǎng)頂板穩(wěn)定性分析

王 洋1，2，宋衛(wèi)東1，2，譚玉葉1，2，方暄東3，夏 鴻3

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.武鋼礦業(yè)有限責(zé)任公司金山店鐵礦，湖北大冶435116）

頂板的穩(wěn)定性直接關(guān)系到嗣后采場(chǎng)的整體安全，以金山店鐵礦為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，對(duì)分段空?qǐng)鏊煤箜敯宸€(wěn)定性及其預(yù)控頂控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，確定合理的頂板參數(shù)，滿(mǎn)足頂板整體穩(wěn)定性與生產(chǎn)設(shè)備的適用性要求。

預(yù)控頂；空?qǐng)觯豁敯宸€(wěn)定性；數(shù)值模擬

隨著地下礦山采用充填法開(kāi)采逐漸成為國(guó)家政策主導(dǎo)的發(fā)展趨勢(shì)，分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄔ趪?guó)內(nèi)的新建礦山與崩落法轉(zhuǎn)充填法開(kāi)采的礦山中得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄗ裱鞣侄伪坡涞V、底部集中出礦、下分段開(kāi)采滯后上分段回采、階段集中充填的原則，具有生產(chǎn)效率高、資源回采強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)。但分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄓ捎诓蓤?chǎng)高、開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力大、空?qǐng)龃嬖谥芷陂L(zhǎng)等特點(diǎn)，所以對(duì)礦巖穩(wěn)固性的要求較高［5］。

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵體包括頂板和礦柱，頂板與礦柱的穩(wěn)定性直接決定嗣后采場(chǎng)的整體安全，從而決定了分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘芊癯晒?yīng)用。其中，頂板的失穩(wěn)破壞嚴(yán)重阻礙了分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ耐茝V發(fā)展，新疆阿舍勒銅礦［6］650m中段破碎圍巖礦體，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ牟蓤?chǎng)發(fā)生垮塌，提出了預(yù)控頂技術(shù)方案，即在采場(chǎng)開(kāi)采之前，采用長(zhǎng)錨索和噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)加固圍巖。貴州用沙壩磷礦［7］巷道頂板節(jié)理裂隙比較發(fā)育的采場(chǎng)，采用預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索護(hù)頂。因此，進(jìn)行采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性及其控制技術(shù)的研究，合理確定采場(chǎng)頂板的安全厚度與極限跨度，對(duì)保障采場(chǎng)安全生產(chǎn)、提高開(kāi)采效益有重要的意義。

本文在金山店鐵礦西區(qū)充填法試驗(yàn)采場(chǎng)的工程背景下，通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的技術(shù)手段，對(duì)分段空?qǐng)鏊煤箜敯宸€(wěn)定性及其預(yù)控頂控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，確定合理的頂板參數(shù)，滿(mǎn)足頂板整體穩(wěn)定性與生產(chǎn)設(shè)備的適用性要求。

1 工程背景

金山店鐵礦西區(qū)選擇位于19-1?！?5?？碧骄€(xiàn)之間的701、703礦塊開(kāi)展充填法工業(yè)試驗(yàn)，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，開(kāi)采深度為標(biāo)高-368～-396m。-354m以上為崩落法采場(chǎng)，-354～-368m留有14m的隔離頂柱。圖1是采場(chǎng)工程布置縱投影圖。

圖1 充填法采場(chǎng)布置縱投影圖Fig.1 Vertical projection of stope layout with filling method

開(kāi)采范圍內(nèi)礦體主要為浸染狀磁鐵礦，其次為塊狀磁鐵礦，塊狀與浸染狀磁鐵礦礦石結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，屬中等穩(wěn)固性礦石。粉狀磁鐵礦分布較少，屬穩(wěn)固性極差的礦石。礦體的主要頂?shù)装鍘r石中，石英閃長(zhǎng)巖屬穩(wěn)固性好的巖石；矽卡巖、泥質(zhì)黑云母角巖巖性軟硬不均，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬穩(wěn)固性差的巖石。

回采過(guò)程中，10＃采場(chǎng)出現(xiàn)了大量的覆蓋層巖石，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在頂板上方存在一條斷裂破碎帶，由于爆破振動(dòng)，寬度不斷擴(kuò)大，隔離頂柱貫通，使覆蓋層巖石不斷通過(guò)斷裂帶進(jìn)入10＃采場(chǎng)，造成了礦石的損失貧化。同時(shí)，造成頂板垮落，無(wú)法形成采空區(qū)，后期充填無(wú)法正常進(jìn)行。

經(jīng)過(guò)討論研究，提出長(zhǎng)錨索預(yù)控頂?shù)闹ёo(hù)方案，即在-368m采場(chǎng)進(jìn)路中進(jìn)行長(zhǎng)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索索體采用直徑15.2mm的鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)9m，每排布置6根錨索，排距2m。但是在接下來(lái)開(kāi)采的8＃采場(chǎng)中，在-396m水平的塹溝中發(fā)現(xiàn)了失穩(wěn)破壞的控頂錨索。所以現(xiàn)在需要對(duì)頂板的參數(shù)進(jìn)行校核，對(duì)頂板穩(wěn)定性及其預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究分析。

2 采場(chǎng)頂板無(wú)支護(hù)安全厚度

對(duì)于一些采用崩落法轉(zhuǎn)充填法開(kāi)采的礦山，上、下階段隔離層的穩(wěn)定直接影響到上、下階段作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)備的安全。隔離層合理厚度的選擇是保證其穩(wěn)定性的主要因素。對(duì)隔離層厚度的確定，通常有以下幾種：普氏拱理論、厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論。

不同的計(jì)算方法對(duì)于影響因素的側(cè)重略有不同，厚跨比法側(cè)重礦房寬度，結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論主要側(cè)重頂板礦巖的抗拉強(qiáng)度，而普氏拱理論綜合考慮了礦房寬度、礦柱高度、礦巖堅(jiān)固系數(shù)以及內(nèi)摩擦角，因而分析嗣后采場(chǎng)穩(wěn)定性更適宜［8］。

普氏拱理論認(rèn)為，礦房開(kāi)采完后形成的空區(qū)，其頂部圍巖將形成自然拱、壓力拱和破裂拱。嗣后采場(chǎng)由于自身的穩(wěn)定性發(fā)生變形破裂，其空區(qū)破裂拱拱高可用式（1）表示。

式中：a—礦房寬度，m；h—礦柱高度，m；φ—巖石內(nèi)摩擦角，°；f—礦巖堅(jiān)固性系數(shù)。

經(jīng)分析，一般崩落法轉(zhuǎn)充填法開(kāi)采的礦山，當(dāng)其充填采場(chǎng)礦房寬度小于20m，且?guī)r石堅(jiān)固性系數(shù)大于4，內(nèi)摩擦角大于30°時(shí)，過(guò)渡層厚度大于10m即可滿(mǎn)足安全條件。對(duì)于礦巖性質(zhì)較好或采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)較小的礦山，可適當(dāng)減小隔離層厚度。

以金山店鐵礦張福山礦體西區(qū)為工程背景，在原有的采準(zhǔn)工程條件下，為便于生產(chǎn)管理可將無(wú)底柱分段崩落法的最后一個(gè)分段作為隔離過(guò)渡層，即14m。作為主要礦體成分，浸染狀磁鐵礦堅(jiān)固性系數(shù)為5，內(nèi)摩擦角為30.56°，選擇14m的隔離過(guò)渡層，能夠滿(mǎn)足普氏拱理論的要求。

3 采場(chǎng)頂板無(wú)支護(hù)安全跨度

3.1 利用巖體質(zhì)量分類(lèi)Q系統(tǒng)確定頂板安全跨度

利用評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量分類(lèi)的Q系統(tǒng)能夠經(jīng)驗(yàn)地計(jì)算出地下工程無(wú)支護(hù)條件下的極限跨度［9］，采場(chǎng)頂板無(wú)支護(hù)極限跨度L、Q值與支護(hù)比ESR值存在以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

式中：L—采場(chǎng)頂板無(wú)支護(hù)極限跨度，m；ESR—開(kāi)挖體支護(hù)比，對(duì)于臨時(shí)性礦山巷道或工程，如滯后對(duì)采空區(qū)處理的采場(chǎng)可取3～5；Q—巖體質(zhì)量分類(lèi)系統(tǒng)評(píng)分值。

以組成西區(qū)礦體主要成分的浸染狀磁鐵礦為例，巖體質(zhì)量分類(lèi)Q值為1.95，經(jīng)計(jì)算，采場(chǎng)頂板無(wú)支護(hù)極限跨度為7.8～13.1m。

3.2 利用簡(jiǎn)支梁理論確定頂板安全跨度［10］

將采場(chǎng)頂板假設(shè)為兩端簡(jiǎn)支梁（見(jiàn)圖2），根據(jù)材料力學(xué)，巖梁中性軸上、下表面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力為：

式中：α—礦體傾角，°；l—巖梁跨度，m；h—巖梁高度，m；γ—巖體容重，×104N/m3。

圖2 巖梁受力分析簡(jiǎn)圖Fig.2 Force analysis of rock beam

經(jīng)計(jì)算，頂板傾向的最大允許跨度為：

頂板沿走向的最大允許跨度為：

式中：σt—巖體抗拉強(qiáng)度，MPa。

試驗(yàn)采場(chǎng)垂直礦體走向布置，頂板安全跨度即是頂板沿走向的最大允許跨度，同樣以浸染狀磁鐵礦為例，巖梁高度h為14m，巖體抗拉強(qiáng)度σt為0.1MPa，容重γ為3.27×104N/m3，經(jīng)計(jì)算，頂板安全跨度L＝7.6m。

4 預(yù)控頂采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性分析

4.1 模擬方案設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)有高效無(wú)軌采礦設(shè)備的使用，以及采場(chǎng)生產(chǎn)能力的要求，設(shè)計(jì)采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不能太小，而無(wú)支護(hù)條件下的頂板安全跨度在10m以下，故需要采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)，提高采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，盡可能地提高生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

本次模擬選擇10、12、15m三種采場(chǎng)跨度，隔離頂板厚度均為14m，礦柱高度均為28m，支護(hù)形式為頂板上方巷道噴錨支護(hù)的基礎(chǔ)上補(bǔ)強(qiáng)長(zhǎng)錨索，如圖3所示。以西區(qū)試驗(yàn)采場(chǎng)為工程背景，巷道間距12m，而上部崩落法采場(chǎng)巷道間距是16m，故空間上相互錯(cuò)開(kāi)，降低了長(zhǎng)錨索的預(yù)控頂效果，另外10＃采場(chǎng)存在明顯的礦巖破碎帶，導(dǎo)致垮冒，隔離層貫穿，在預(yù)控頂采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的分析中，不具有代表性。故為了更加典型地比較分析三種跨度采場(chǎng)的穩(wěn)定性，本部分?jǐn)?shù)值模擬僅針對(duì)預(yù)控頂巷道位于采場(chǎng)中央位置且不存在明顯破碎帶的采場(chǎng)，即圖3中（a）、（c）礦房Ⅱ與（b）礦房Ⅰ的采場(chǎng)布置形式。

圖3 三種尺寸跨度采場(chǎng)布置圖Fig.3 Layout of stopes with three dimension spans

4.2 數(shù)值模型建立

模擬采場(chǎng)垂直礦體走向布置，數(shù)值模型見(jiàn)圖4，采用FLAC3D軟件摩爾—庫(kù)侖彈塑性模型，礦體以浸染狀磁鐵礦為主，上盤(pán)圍巖主要為矽卡巖，下盤(pán)圍巖主要是石英閃長(zhǎng)巖，上部為崩落法覆巖，下部為充填法采場(chǎng)，留有14m隔離頂柱。崩落覆巖上盤(pán)移動(dòng)角59°，下盤(pán)移動(dòng)角70°，礦體傾角75°，礦體水平厚度40m。具體模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高＝300m× 180m×140m。

本次計(jì)算采用的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，簡(jiǎn)化了底部出礦結(jié)構(gòu)，只分析一步采礦房全部采出且未及時(shí)充填前的采空區(qū)穩(wěn)定性。根據(jù)張福山礦區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力推斷，該中段最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ3與原巖應(yīng)力σv大致存在以下關(guān)系：σ1＝1.938σv，σ3＝0.336σv。而σv＝γH，經(jīng)計(jì)算，模型底部（-440m水平）各原巖應(yīng)力值為：σxx＝27.88MPa，σyy＝4.83MPa，σzz＝14.39MPa。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Model of numerical calculation

4.3 模型結(jié)果分析

對(duì)于頂板，其穩(wěn)定性往往受到拉應(yīng)力控制，表現(xiàn)為位移的增加及塑性破壞，因此主要從塑性區(qū)、頂板位移及拉應(yīng)力情況分析支護(hù)效果。由于文章篇幅所限，如下以12m礦房跨度未支護(hù)與支護(hù)兩種條件為例進(jìn)行模型結(jié)果分析。

1）應(yīng)力分布情況分析

圖5（a）、（b）為12m礦房跨度頂板在未支護(hù)與支護(hù)兩種條件下的豎向應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，礦房Ⅰ的開(kāi)挖擾動(dòng)引起了采場(chǎng)周邊應(yīng)力的重新分布，分布形式是從靠近礦房區(qū)向周?chē)鷥蓚?cè)及頂板上方擴(kuò)大，在緊靠開(kāi)挖區(qū)域的頂板下方應(yīng)力卸壓區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，在頂板上方的兩角出現(xiàn)應(yīng)力集中。頂板采用錨索支護(hù)后，應(yīng)力集中區(qū)域與應(yīng)力卸壓區(qū)的面積均有所減小，最大主應(yīng)力由13.9MPa減小到12.2MPa，最小主應(yīng)力由0.05MPa減小到0.04 MPa。實(shí)際上，最小主應(yīng)力往往代表著圍巖內(nèi)向拉應(yīng)力區(qū)發(fā)展的趨勢(shì)，支護(hù)后的頂板拉應(yīng)力區(qū)域明顯減小，且拉應(yīng)力數(shù)值減小。

表1 礦巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of ore and rock

圖5 豎向應(yīng)力云圖Fig.5 Contour of vertical stress

2）位移分布情況分析

圖6（a）、（b）為12m礦房跨度頂板在未支護(hù)與支護(hù)兩種條件下的豎向位移云圖，從圖中可以看出，開(kāi)挖完的礦房Ⅰ上下方頂?shù)字谐霈F(xiàn)了位移方向相反的情況，頂柱巖層位移方向向下，底柱巖層位移方向向上。頂板采用錨索支護(hù)后，礦房Ⅰ上下方頂?shù)字谐霈F(xiàn)的最大位移量均有所減小，頂板最大變形量由5.9cm減小到5.1cm，且變形面積明顯減小，即錨索預(yù)控頂支護(hù)對(duì)減少頂板整體變形量有明顯的效果。

圖6 豎向位移云圖Fig.6 Contour of vertical displacement

3）塑性區(qū)分布規(guī)律

圖7（a）、（b）為12m礦房跨度頂板在未支護(hù)與支護(hù)兩種條件下的塑性區(qū)分布圖，從圖中可以看出，開(kāi)挖完的礦房Ⅰ頂?shù)字霈F(xiàn)較大程度的剪切破壞與拉伸破壞，礦柱兩幫塑性區(qū)較小，進(jìn)行錨索預(yù)控頂支護(hù)后，頂板周?chē)苄云茐膮^(qū)域面積明顯減小，基本可保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 塑性區(qū)分布圖Fig.7 Diagram of plasticity region

4）模擬方案對(duì)比分析

建立10、12、15m三種采場(chǎng)跨度的開(kāi)挖模型，通過(guò)比較三種模型支護(hù)前后開(kāi)挖計(jì)算出的最大豎向應(yīng)力值、最大豎向位移量及塑性區(qū)體積（如表2），確定合適的采場(chǎng)跨度參數(shù)。

表2 三種計(jì)算模型的最大豎向應(yīng)力值、最大豎向位移量及塑性區(qū)體積Table 2 Maximum szz，maximum z-displacement and volume of plasticity region of the three models of calculation

由表中數(shù)據(jù)可以看出，頂板厚度一定時(shí)，礦房跨度越大，開(kāi)挖后頂板的最大豎向應(yīng)力值、最大豎向位移量及整個(gè)模型的塑性區(qū)體積都越大。綜合比較分析豎向應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布，預(yù)控頂后10m跨度與12m跨度的最大豎向應(yīng)力值較接近，而15m跨度的應(yīng)力值較前二者相對(duì)更大；最大豎向位移量的比較結(jié)果類(lèi)似，即15m跨度的最大位移量出現(xiàn)驟增，較前二者的位移量大的多；而三種跨度開(kāi)挖模型的塑性區(qū)體積隨跨度的增加呈現(xiàn)穩(wěn)步增大的趨勢(shì)，無(wú)明顯驟變現(xiàn)象。

綜合考慮三種礦房跨度預(yù)控頂條件下開(kāi)挖后的數(shù)值模擬結(jié)果以及礦山高效無(wú)軌設(shè)備的充分利用，在變形允許程度內(nèi)，滿(mǎn)足頂板整體穩(wěn)定的要求，最終確定采場(chǎng)跨度參數(shù)為12m。

5 結(jié)論

1）以金山店鐵礦張福山礦體西區(qū)為工程背景，在原有的采準(zhǔn)工程條件下，為便于生產(chǎn)管理可將無(wú)底柱分段崩落法的最后一個(gè)分段作為隔離過(guò)渡層，即14m，能夠滿(mǎn)足普氏拱理論的要求。

2）利用巖體質(zhì)量分類(lèi)Q系統(tǒng)與簡(jiǎn)支梁理論，以礦體主要成分浸染狀磁鐵礦為例，確定采場(chǎng)頂板無(wú)支護(hù)安全跨度為8m左右，超過(guò)此安全跨度后應(yīng)進(jìn)行合理的有效支護(hù)。

3）通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬的手段，建立10、12、 15m三種跨度預(yù)控頂條件下礦房開(kāi)挖后的計(jì)算模型，綜合考慮數(shù)值模擬結(jié)果以及礦山高效無(wú)軌設(shè)備的充分利用，在變形允許的程度內(nèi)，滿(mǎn)足頂板整體穩(wěn)定的要求，最終確定采場(chǎng)跨度參數(shù)為12m。

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Stability analysis of roof in stope with sublevel open and subsequent pre-controlling roof technology

WANG Yang1，2，SONG Weidong1，2，TAN Yuye1，2，F(xiàn)ANG Xuandong3，XIA Hong3
（1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；3.Jinshandian Iron Mine，Wuhan Steel Group Mining Co.，Ltd.，Daye Hubei 435116，China）

The overall safety of subsequent stope is directly related to roof stability.Based on engineering background of Jinshandian Iron Mine，the roof stability and the pre-controlling technology of sublevel open and subsequent stope are studied by combining theoretical calculations and numerical simulation.And the reasonable parameters of roof are determined with meeting the demands of the overall stability of roof and the applicability of production equipment.

pre-controlling roof；open stope；roof stability；numerical simulation

TD322

Α

1671-4172（2015）06-0001-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51374033）；教育部博士點(diǎn)基金（20120006110022）

王 洋（1990-），男，碩士研究生，礦業(yè)工程專(zhuān)業(yè)，主要從事金屬礦山充填采礦工藝以及巖石力學(xué)方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.001