徐 荃,吳志波,陳小偉,范文錄(.中聯(lián)資產(chǎn)評(píng)估集團(tuán)有限公司,北京000;.萬寶礦產(chǎn)有限公司,北京0005;.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京0008)

1 前言

隨著礦山開采深度的不斷增加,工程災(zāi)害日趨增多,如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn)加劇、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等,對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大威脅[1]。選擇合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置形式對(duì)減少礦井沖擊地壓,圍巖大變形及流變有著積極的作用[2-5],但是傳統(tǒng)的室內(nèi)模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)法都耗費(fèi)大量的人力和物力,難以實(shí)現(xiàn)多種可能方案的比較和對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采順序的高效優(yōu)化。

本文以某金礦深部回采工程為研究對(duì)象,以修正Mathews 穩(wěn)定圖法和FLAC3D數(shù)值模擬為研究手段,通過對(duì)穩(wěn)定圖表和數(shù)值模擬結(jié)果中的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較研究,對(duì)某金礦-1600m 水平深部礦體的回采結(jié)構(gòu)參數(shù)以及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置形式進(jìn)行了優(yōu)化分析,得到了較為合理的優(yōu)化結(jié)果,為礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了科學(xué)可靠的研究結(jié)論。

2 礦山概況

某金礦礦床工業(yè)礦體主要巖性以黃鐵礦絹英巖化花崗碎裂巖、絹英巖化碎裂巖及絹英黃鐵礦化碎裂巖為主,礦床頂板和底板巖性為絹英巖化花崗巖、絹英巖化碎裂巖、黃鐵礦絹英巖化花崗碎裂巖等,巖石比較堅(jiān)硬,工程地質(zhì)條件良好,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,斷裂帶內(nèi)局部巖石較破碎,蝕變較強(qiáng)烈、裂隙較發(fā)育,巖心較破碎,穩(wěn)固性相對(duì)較差。

本礦體主要為金礦,Au 平均品位4.19g/t,礦體厚度大部分為5m 以上的中厚礦體,且傾角大于30°,考慮到礦體的賦存條件復(fù)雜,原生礦體的采礦方法為上向水平分層充填法。

3 采礦技術(shù)方案

1)垂直走向布置上向水平分層充填法

盤區(qū)和采場(chǎng)布置:沿礦體走向方法劃分為盤區(qū)進(jìn)行回采,每個(gè)盤區(qū)內(nèi)有10 個(gè)采場(chǎng),分為礦房、礦柱進(jìn)行兩步驟回采,礦房、礦柱均垂直礦體走向布置,長(zhǎng)度為礦體厚度。先采一步驟礦房,后采二步驟礦柱,礦房采用膠結(jié)充填,礦柱采用非膠結(jié)充填。盤區(qū)之間不留間柱,不留頂、底柱,垂直走向布置方式如圖1所示。

圖1 垂直走向布置盤區(qū)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

2)沿走向布置上向水平分層充填法

盤區(qū)和采場(chǎng)布置:沿走向布置上向水平分層充填法與垂直走向布置上向水平分層充填法工藝基本相同,不同之處在于上向水平分層充填法采場(chǎng)沿走向布置,采場(chǎng)之間按留3m 間柱,間柱不考慮回采。采準(zhǔn)、切割、回采作業(yè)、采場(chǎng)通風(fēng)和采場(chǎng)支護(hù)均基本相同,充填方式與垂直走向布置上向水平分層充填法的二步驟采場(chǎng)充填方式相同,垂直走向布置方式如圖2所示。

4 基于Mathews 穩(wěn)定圖法采場(chǎng)尺寸確定

圖2 沿走向布置盤區(qū)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

英國(guó)Golder 公司的Mathews 于1981年基于50個(gè)工程實(shí)例數(shù)據(jù)建立了巖體穩(wěn)定性指數(shù)N 與采礦暴露面形狀系數(shù)S 之間關(guān)系—穩(wěn)定性圖表,主要利用NGI 巖體分級(jí)指標(biāo)Q 計(jì)算巖體穩(wěn)定性指數(shù)N,綜合考慮礦山開拓和采準(zhǔn)工程,初步確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)并計(jì)算采場(chǎng)暴露面形狀系數(shù)S(或稱水力半徑),將N 和S 值投影穩(wěn)定性圖表上即可初步判斷采場(chǎng)的穩(wěn)定性;或者是根據(jù)巖體穩(wěn)定性指數(shù)N 在穩(wěn)定性圖表上求出總體穩(wěn)定的采場(chǎng)形狀系數(shù)S,在初步確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)后即可確定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1988年P(guān)otvin 等研究人員通過收集更多的礦山現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),通過對(duì)175 個(gè)案例進(jìn)行研究驗(yàn)證了穩(wěn)定圖表法的合理性,并相繼提出了修正方法,重新修正并擴(kuò)展了Mathews 穩(wěn)定圖表。隨著新支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,Nickson 注意到之前設(shè)計(jì)的穩(wěn)定圖表都未考慮支護(hù)條件,已經(jīng)不能完整的反應(yīng)當(dāng)時(shí)礦山的工程實(shí)際情況,不能準(zhǔn)確的對(duì)采取了錨索等支護(hù)手段的采場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。所以,Nickson 提出了兩種分別判斷在未支護(hù)條件下和支護(hù)條件下的穩(wěn)定性圖表,并在Potvin 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更進(jìn)一步的分類調(diào)查,Nickson 修正的穩(wěn)定圖如圖3所示。

在修正Mathews 穩(wěn)定圖法中,穩(wěn)定性指數(shù)N的計(jì)算公式為

式中,Q′為修正的NGI 系統(tǒng)分級(jí)指標(biāo);A為巖石強(qiáng)度因數(shù),為在評(píng)價(jià)的采空區(qū)邊界上巖石單軸抗壓強(qiáng)度與誘發(fā)的壓應(yīng)力之比;B為巖體缺陷方位修正系數(shù),取決于關(guān)鍵不連續(xù)節(jié)理面方向與待分析面方位間的差值;C為設(shè)計(jì)采場(chǎng)暴露面方位修正系數(shù),與重力作用下的待分析采空面的破壞模式如頂板冒落、片幫、兩幫下滑等有關(guān)。

式(1)中的巖體質(zhì)量指數(shù)Q′為

圖3 Nickson 在Potvin 圖表法基礎(chǔ)上進(jìn)行的穩(wěn)定性圖表法統(tǒng)計(jì)

式中,RQD 為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jn為節(jié)理組數(shù);Jr為節(jié)理粗糙度;Ja為節(jié)理蝕變、充填及膠結(jié)程度。

根據(jù)金礦勘探報(bào)告以及周邊相關(guān)生產(chǎn)礦山相關(guān)巖石力學(xué)資料,對(duì)某金礦開采區(qū)域巖體質(zhì)量進(jìn)行初步判斷,基于巖芯的GSI 評(píng)價(jià)方法[6]和勘察報(bào)告中對(duì)巖石條件描述,判斷本次開采區(qū)域GSI 指標(biāo)為70～80。根據(jù)式(3)可推斷Q′=18.0～54.6,Q′為修正的NGI 質(zhì)量指標(biāo)?；趲r芯的GSI 評(píng)價(jià)方法如圖4所示。

根據(jù)相關(guān)資料得到開采區(qū)域的巖體質(zhì)量、地應(yīng)力以及不連續(xù)面和采礦方法,推斷其相關(guān)參數(shù)取值分別為Q′=18.0～54.6,A=0.775,B=0.4,C=2,根據(jù)式(1),得到N=11.2～34.1

穩(wěn)定性指數(shù)S能夠綜合反映采場(chǎng)的形狀和尺寸。井下任何的暴露面均可近似認(rèn)為是一個(gè)長(zhǎng)方形,即可以定義采場(chǎng)形狀系數(shù)S為

式中,L為暴露寬度,m;L1為暴露面長(zhǎng)度,m。

當(dāng)L1/L大于4∶1時(shí),S基本保持不變,即此時(shí)暴露面寬度L對(duì)暴露面的穩(wěn)定性起主要作用。

根據(jù)計(jì)算參數(shù)N=11～34,對(duì)照?qǐng)D3穩(wěn)定性圖表進(jìn)行分析,當(dāng)N=11,S取值小于7 時(shí),采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)N=34,S取值小于9 時(shí),采場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

假設(shè)采場(chǎng)尺寸最大為寬15m,長(zhǎng)150m,最大主應(yīng)力方向垂直于采場(chǎng)布置方向,則S=≈6.82＜7,所在該區(qū)域較好巖體質(zhì)量區(qū)域(GSI=90)處于不支護(hù)長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài),在巖體質(zhì)量一般區(qū)域(GSI=80)處于不支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)與支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)的臨界區(qū)域。

5 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維數(shù)值模擬

1)三維計(jì)算模型的建立

為了對(duì)本次采礦方法中的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇及合理性驗(yàn)證,采用FLAC3D軟件對(duì)礦體-1600m水平的不同結(jié)構(gòu)尺寸及布置形式的盤區(qū)采場(chǎng)開采過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,根據(jù)穩(wěn)定圖表得到的分析結(jié)果,結(jié)合礦山生產(chǎn)工藝及相關(guān)經(jīng)驗(yàn),在垂直礦體走向和沿礦體走向布置形式下布置三個(gè)不同尺寸的采場(chǎng)比較方案,具體方案編號(hào)及對(duì)應(yīng)參數(shù)見表1。

表1 模擬采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

使用Datamine3.0 礦業(yè)軟件生成的礦床模型數(shù)據(jù),首先在FLAC3D中建立礦體三維塊體模型,整體模型沿走向長(zhǎng)600m,垂直走向長(zhǎng)1 000m,高度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)實(shí)際礦山-1 700～-1 500m,含有-1 600m 中段部分礦體模型,由上到下包含圍巖、礦房、礦柱,其中對(duì)包含礦房和礦柱的部分范圍定義為核心區(qū)域,單元體最小為1m×1m×1m,圍巖到礦體區(qū)域單元體逐漸變小,模型大小約為40 萬個(gè)三維塊體單元,總共建立6 個(gè)三維模型。三維計(jì)算模型如圖5所示,方案③礦體模型如圖6所示。

圖4 基于巖芯的GSI 評(píng)價(jià)方法

圖5 三維計(jì)算模型

2)礦巖、充填體力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力邊界條件

圖6 -1 600m 礦體及礦房礦柱模型(垂直礦體走向布置礦房寬15m,長(zhǎng)150m)

本次數(shù)值模擬依照礦體-1 415～-1 416m 深度附近鉆取的花崗閃長(zhǎng)巖巖心作為巖體參數(shù)選取的依據(jù),對(duì)礦石和圍巖使用Hoek-Brown 本構(gòu)模型,通過對(duì)巖心編錄數(shù)據(jù)及照片進(jìn)行分析,采用基于Hoek-Brown 準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)確定方法,取該區(qū)域巖體參數(shù)GSI=80mi=29gci=40MPa,并使用加拿大Rock Science 公司的RocData 軟件計(jì)算數(shù)值模型中巖體相關(guān)參數(shù)如下:

mb=14.197;s=0.108 4;a=0.501

t=-0.305 3MPa;sigc=13.150MPa;sigcm=22.194MPa;Em=35 565.59MPa;v=0.2

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)充填體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,其選取參數(shù)見表3。

表2 選取巖芯位置及實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表3 選取巖芯位置及實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

根據(jù)其相鄰礦山的地應(yīng)力分布情況,本次數(shù)值計(jì)算取深度為1 600m 時(shí),地應(yīng)力初始分布為最大水平主應(yīng)力σh,max=70.2MPa,最小水平主應(yīng)力σh,min=39.7MPa,垂直應(yīng)力σv=44.9MPa,其中最大水平主應(yīng)力方向垂直于礦體走向。

3)模擬回采順序

本次六種模擬方案中,方案①和方案④分六步進(jìn)行回采,一步先開采一步礦房,執(zhí)行計(jì)算到收斂,二步充填一步礦房采空區(qū),開挖二步礦柱并計(jì)算至收斂,如上依次開采、充填所有礦房、礦柱,方案①的開采如圖7所示,圖中同一顏色區(qū)域在同一步開采。

圖7 -1 590m 水平垂直走向采場(chǎng)布置圖(寬8m,長(zhǎng)50m)

其余四個(gè)方案,均為一步或兩步礦房、礦柱依次回采充填,六種方案最終計(jì)算結(jié)果均為采空區(qū)充填后計(jì)算收斂并平衡。

6 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對(duì)垂直走向和沿走向兩種布置方式各三個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算,對(duì)其開采過程中的垂直方向、水平方向位移、最大最小主應(yīng)力分布規(guī)律以及塑性區(qū)變化(方案一如圖8至圖11)進(jìn)行比較分析得到如下規(guī)律:

(1)在采場(chǎng)垂直走向布置時(shí)方案①在整個(gè)開挖過程中沉降值最小,最大沉降值為121.3mm。方案②礦房礦柱寬度10m,最大沉降值為143.4mm,方案③礦房礦柱寬度15m,最大沉降值為156.0mm,可以看出三個(gè)方案中最大位移沉降值與開挖礦房寬度呈正相關(guān)。從最大沉降位置分析來看,在整個(gè)開采過程中一般最大沉降值位于整個(gè)開采區(qū)域的中心位置,在方案①第三、第五開挖步中,最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在已經(jīng)充填的充填體中心區(qū)域。在完成礦房開挖充填進(jìn)行礦柱開采時(shí),頂板最大沉降出現(xiàn)在礦柱開采頂板區(qū)域。

圖8 方案①第一步開挖區(qū)域頂板沉降位移等值線

圖9 方案①第一步開挖區(qū)域x 方向位移等值線圖

圖10 方案①第一步開挖區(qū)域最小主應(yīng)力分布云圖

在沿走向布置時(shí)方案④開采過程中頂板沉降值相比其他方案明顯更大,最大值在43.9mm 左右,而方案⑤最大值僅11.9mm 左右,方案⑥最大值為25mm。這主要是由于受到最大主應(yīng)力的影響,雖然方案④在每一開采步中開采區(qū)域最小,但是開采后期形成的充填體寬度為16m,為三個(gè)方案中最大,說明在沿走向布置開采時(shí),礦房礦柱整體寬度對(duì)于頂板沉降值影響明顯。

(2)垂直走向方案布置方案②下X 方向最大位移值為627.4mm 左右,為三種方案最大,方案③為261.3mm,方案①為455.9mm。受Y 方向最大主應(yīng)力的影響,方案②中礦房礦柱長(zhǎng)寬比為15,相對(duì)較大,形成的條形礦柱細(xì)長(zhǎng),所以會(huì)出現(xiàn)邊墻水平位移較大的現(xiàn)象。

圖11 方案①第一步開挖區(qū)域塑性區(qū)分布圖(A1-A1 z=-1 590)

沿走向布置三種方案水平位移均較小,方案④、方案⑤、方案⑥的Y 方向位移分別為113.2mm、115.4mm、125.0mm。

六種方案最大水平位移均出現(xiàn)于中部礦柱或者礦房邊墻中心區(qū)域。

(3)六種方案中垂直走向布置下最大主應(yīng)力應(yīng)力集中最大值分布于開采區(qū)域端部靠近上下盤邊緣以及兩側(cè)邊幫的隅角區(qū)域,而沿走向布置的方案中,集中應(yīng)力出現(xiàn)在開采空區(qū)端部與左右邊墻交匯處。方案①、方案②、方案③中最大主應(yīng)力極值大小分別為 159.0MPa、160.7MPa 和163.1MPa 左右,相差不大。方案④、方案⑤、方案⑥中,開挖初期出現(xiàn)較大應(yīng)力集中現(xiàn)象,大小分別為139.9MPa、128.4MPa、125.9MPa 左右。這一些區(qū)域的應(yīng)力集中強(qiáng)度遠(yuǎn)大于巖石單軸抗壓強(qiáng)度,可能會(huì)出現(xiàn)少量破壞現(xiàn)象。

(4)從計(jì)算結(jié)果中可以觀察到六種方案在開采過程中均出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力值,基本處于0.3MPa以內(nèi),部分開采步區(qū)最大值出現(xiàn)0.35MPa 可能會(huì)出現(xiàn)其拉應(yīng)力值大于巖體抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)破壞,拉應(yīng)力主要分布于開挖區(qū)域的邊墻中部區(qū)域。

(5)根據(jù)開挖過程中塑性區(qū)域分布特點(diǎn)分析,垂直走向布置方式下,方案③中由于礦柱寬15m 相對(duì)于其他兩種方案塑性區(qū)貫通區(qū)域比例相對(duì)較小,但是三種情況下礦柱由于應(yīng)力集中都有較多的塑性破壞區(qū)。沿走向布置的三種方案下塑性區(qū)分布差別不大,最終塑性區(qū)分布來看由于方案⑤開挖充填區(qū)域較大,充填體周圍的塑性破壞區(qū)域相對(duì)較多。局部區(qū)域的邊墻處由于拉應(yīng)力的作用,出現(xiàn)部分拉破壞塑性區(qū),在開采中需要注意。

7 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

通過使用修正Mathews 穩(wěn)定圖法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置形式進(jìn)行比較分析,具體如圖12所示。根據(jù)圖表驗(yàn)證以及數(shù)值模擬計(jì)算中的位移、應(yīng)力分析比較結(jié)果,不同的采場(chǎng)尺寸及布置方式對(duì)采場(chǎng)回采穩(wěn)定性有一定的影響,雖然方案①中設(shè)計(jì)的每一步單個(gè)開挖區(qū)域尺寸最小,對(duì)應(yīng)的最大沉降值和最大、最小主應(yīng)力都為三個(gè)方案中最小,但是其水平最大位移小于方案②,卻遠(yuǎn)大于方案③,其開采效率相對(duì)于其他兩個(gè)方案較低。方案③由于寬度15m,暴露面積較大,在地應(yīng)力的影響下會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,且本次模擬不考慮巖體節(jié)理裂隙對(duì)開采的影響,過大的暴露面出現(xiàn)節(jié)理裂隙滑移破壞的可能性將會(huì)大大增大。但是由于該方案開采中礦柱厚度最大,產(chǎn)生的水平位移相對(duì)較小,塑性區(qū)的貫通比例明顯低于其他兩個(gè)方案。綜合考慮在巖體質(zhì)量較好的區(qū)域(GSI＞80)推薦方案③,當(dāng)有斷層穿過,或者節(jié)理裂隙較為發(fā)育的巖體區(qū)域(GSI≤80),推薦方案①更為合理。

圖12 六種方案數(shù)值模擬結(jié)果變化趨勢(shì)圖

沿走向布置下受最大主應(yīng)力影響采場(chǎng)寬度對(duì)于其位移場(chǎng)以及塑性區(qū)分布影響明顯,但是三種方案無明顯應(yīng)力和應(yīng)變問題,雖然方案④每次開采寬度8m,但是由于其最終開采區(qū)域?qū)挾?6m,相比于另外兩個(gè)寬度方案10m 和12m 較大,所以在頂板的沉降值出現(xiàn)了明顯的增大,但是其在Y 方向的位移卻相對(duì)較小?？紤]到最大主應(yīng)力方向垂直于礦體走向、且可能出現(xiàn)局部巖體的劣化以及節(jié)理裂隙的存在,選取方案⑤更為高效且合理。

8 結(jié)論

(1)結(jié)合巖芯鉆孔數(shù)據(jù),使用基于巖芯的GSI評(píng)價(jià)方法獲得巖芯地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo),根據(jù)Nickson 修正的Mathews 圖表法對(duì)不同地質(zhì)條件下采場(chǎng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行判斷,得出寬15m,長(zhǎng)150m 的采場(chǎng)在該區(qū)域較好巖體質(zhì)量區(qū)域(GSI=90)處于不支護(hù)長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài),在巖體質(zhì)量一般區(qū)域(GSI=80)處于不支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)與支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)的臨界區(qū)域。

(2)通過對(duì)垂直礦體走向、沿礦體走向兩種采場(chǎng)布置形式下共六種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算比較,對(duì)不同方案下的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)的分布規(guī)律進(jìn)行研究,推薦了兩種布置形式下合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)方案,保證在安全回采條件下較高的回采效率。

(3)修正Mathews 穩(wěn)定圖法與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法適用于礦山在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中合理確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及布置形式,相比于傳統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)或者單純數(shù)值模擬計(jì)算的方式,其參數(shù)確定更為科學(xué),高效,為類似礦山相關(guān)工作提供了一種新思路。