黃 杰 劉 哲 朱仕林 李中楠 郭吉葵

（1.南京鋼鐵集團冶山礦業(yè)有限公司；2.霍邱縣慶發(fā)礦業(yè)有限責(zé)任公司；3.中鋼集團馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計有限公司）

隨著采礦活動的深入開展，崩落采礦法對地表所造成的影響日趨嚴(yán)重。由于國家對礦山安全和環(huán)保的要求，崩落采礦法逐步轉(zhuǎn)向充填采礦方法。魯中礦業(yè)有限公司是國有大型地下黑色冶金礦山企業(yè)，采用無底柱分段崩落法開采，在生產(chǎn)中存在地表塌陷、礦石損失貧化大、尾礦庫堆存壓力大等難題［1-2］。若繼續(xù)沿用該采礦方法，礦山生存環(huán)境將變得異常艱難，同時，顯著的地壓問題對礦山的安全生產(chǎn)也帶來極大威脅［3-5］。所以，礦山計劃由崩落采礦法轉(zhuǎn)為充填法進(jìn)行開采。需要對采場主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和支護形式進(jìn)行研究，得出保證采場穩(wěn)定的最優(yōu)方案，為后續(xù)礦山安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 礦區(qū)工程概括

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查與分析，礦體分布于接觸帶內(nèi)，礦體圍巖巖性復(fù)雜，蝕變強?？傮w上礦體圍巖特征以破碎、軟弱為主，蠕狀變形特征明顯。根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，塊狀礦石為Ⅲ~Ⅳ級，大理巖為Ⅳ級，紅板巖、矽卡巖、蝕變閃長巖和蜂窩狀、粉狀礦石均為Ⅴ級［6-9］。

礦體埋藏深，厚度大，傾角變化大，礦石品位高。當(dāng)前采用無底柱分段崩落法開采，存在礦石損失貧化大、支護成本高的特點，迫切需要向充填法轉(zhuǎn)變［10］。因此，充填采礦方法的選擇與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化成為項目的關(guān)鍵。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值模擬建立

FLAC3D數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計算模型是否與實際情況相符合，包括選擇適當(dāng)?shù)挠嬎惴秶?、模型的邊界條件、局部結(jié)構(gòu)的簡化處理等。本次數(shù)值模擬分析需要注意以下幾點。

（1）主要開采范圍為-350~-500 m水平。模擬時，以最低中段-500 m水平礦房開采為例，進(jìn)行開采模擬分析。

（2）模型底部為-800 m水平，模型在X、Z方向進(jìn)行一定程度的擴展延伸，根據(jù)影響范圍在采空區(qū)尺寸3~5倍的距離，模型實際尺寸為700 m×160 m×1 000 m（長×寬×高）。

（3）采場開挖是一次性完成的，二步驟礦房開挖前，提前進(jìn)行預(yù)切頂支護模擬（頂板及上盤安裝錨桿及錨索支護）后，再進(jìn)行開挖。

2.2 材料選取及應(yīng)力邊界條件

2.2.1 力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬計算能否獲得符合實際的結(jié)果，取決于力學(xué)參數(shù)的合理性。本次研究的礦巖力學(xué)參數(shù)參照礦山相關(guān)巖石力學(xué)試驗，結(jié)合礦山實際情況進(jìn)行了適當(dāng)折減，見表1。

2.2.2 邊界條件

計算模型上表面采用自由邊界，底面采用固定約束，側(cè)面方向邊界施加鉸支約束，固定5個邊界的位移。在固定邊界的前提下，添加巖體材料的物理力學(xué)性質(zhì)。

2.2.3 初始地應(yīng)力場

根據(jù)礦山原巖應(yīng)力測量，礦區(qū)在北西、南東方向存在近水平方向、大小約等于自重力荷載的構(gòu)造應(yīng)力場。巖體應(yīng)力場中，最大主應(yīng)力σ1=1.3γH，方位N46.5°W，傾角24°；最小主應(yīng)力σ3=0.47γH，方位S48°W，傾角10°；其中γ為巖體容重，kN/m3；H為上覆巖層厚度，m。圖1為模型初始應(yīng)力場分布云圖。

2.3 開挖模擬方案

根據(jù)厚大礦體事先計劃的采礦方案，采場沿走向布置，分2步驟進(jìn)行開采，一步驟采用進(jìn)路法回采采場，然后對進(jìn)路進(jìn)行充填，充填體綜合強度為2 MPa；并在二步驟回采前，在采場的上盤（端部）、頂部進(jìn)行預(yù)控頂回采，并用高強度充填體（3 MPa）充填。對頂板完成支護后，再對二步驟采場進(jìn)行整體崩落開采。模擬時，采場長為礦體厚度（50~70 m），礦房寬度初步設(shè)置10，12.5，15 m 3種。首先以采場寬度12.5 m來進(jìn)行分析，隨后根據(jù)12.5 m方案的模擬結(jié)果來進(jìn)行15 m或10 m方案模擬。

2.4 模擬結(jié)果分析

由于篇幅的限制，選取采場寬度12.5 m和15 m進(jìn)行對比分析。

圖2為采場寬度12.5 m的模擬結(jié)果，可以看出，空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力約為0.51 MPa，空區(qū)周圍圍巖最大剪切應(yīng)力約4 MPa，均處于巖體可承受范圍以內(nèi)。塑性區(qū)在頂板及上盤圍巖中幾乎未見分布。綜合空區(qū)周圍受力及塑性區(qū)分布情況來看，在頂板及上盤采用常規(guī)錨索和錨桿支護，采場寬度12.5 m的方案能滿足采場穩(wěn)定性要求。

從應(yīng)力大小來看，采用15 m方案后（圖3），由采場寬度增加帶來的應(yīng)力重分布差異得到了體現(xiàn)，應(yīng)力各項指標(biāo)均要明顯高于12.5 m方案。其中頂板最大拉應(yīng)力從0.51 MPa增長到0.68 MPa，增加了約33%；最大正剪應(yīng)力從4.08 MPa增長到4.89 MPa，增加了約20%。從塑性區(qū)分布情況來看，12.5 m方案頂板及上盤塑性區(qū)分布不明顯，沒有集中分布，而15 m方案頂板及上盤出現(xiàn)了一定范圍的塑性區(qū)，考慮到礦區(qū)巖性較差，整體巖性破碎，自穩(wěn)能力弱，空區(qū)失穩(wěn)的可能性較大。

根據(jù)模擬方案的分析比較，15 m相對于12.5 m方案無論是拉、剪應(yīng)力值，應(yīng)力集中區(qū)域，還是塑性區(qū)分布范圍，均出現(xiàn)了較明顯的增長，該方案有一定的安全風(fēng)險，故推薦采場寬度為12~13 m。

3 預(yù)切頂進(jìn)路支護方案

礦山整體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理間距0.22~0.375 m/條，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值為20.57%~35.2%，RQD值很低。礦體被軟弱的矽卡巖、蝕變閃長巖穿插，部分礦體本身為多孔狀、蜂窩狀疏松結(jié)構(gòu)，礦區(qū)礦體分布于接觸帶內(nèi)，礦石分塊狀、蜂窩狀及粉狀，礦體圍巖巖性復(fù)雜，蝕變強?？傮w上，礦體圍巖特征以破碎、軟弱為主，具蠕狀變形特征明顯。礦體圍巖多含蛇紋石、綠泥石等礦物，強度低，具膨脹與蠕變特性，自穩(wěn)能力極差。按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》對礦區(qū)礦體及頂板圍巖進(jìn)行分級，見表2。

礦山實際生產(chǎn)中揭露本區(qū)地應(yīng)力較大，接近礦體附近時巷道多變形或坍塌，不經(jīng)支護幾乎無法生產(chǎn)，開采時部分需要二次支護，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果對采準(zhǔn)進(jìn)路及巷道支護進(jìn)行分級。

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3.1 Ⅰ級支護

采用長錨索和中長錨桿交錯布置，主要是用于預(yù)切頂分段空場嗣后充填聯(lián)合采礦法。為了維護采場頂板、礦體上盤的穩(wěn)定性，保障鑿巖硐室及采場的安全。錨索和錨桿交錯布置在預(yù)切頂回采的進(jìn)路中，采用?20 mm螺旋鋼托盤錨桿，長3.0 m，錨桿間距1.3 m×1.3 m；錨索長度10 m，間距2.5 m，排距4 m，每排布置2根；礦體上盤錨索支護采用均勻布置，錨索的排間距與進(jìn)路中相同，上下相鄰進(jìn)路中錨索排距4 m，間距2.5 m，與豎直方向呈20°~30°角，具體根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)整。錨索采用?15.24 mm鋼絞線，設(shè)計承載力230 kN，破斷力260 kN。圍巖破碎帶采用錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護，噴射C20混凝土，支護厚度為100 mm，應(yīng)力集中區(qū)域和支撐壓力帶適當(dāng)增加混凝土噴射厚度。

3.2 Ⅱ級支護

Ⅱ級支護主要采用中長錨桿與短錨桿交錯布置的支護方式，并同時結(jié)合噴射混凝土，形成錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護形式。中長錨桿采用?20 mm螺旋鋼托盤錨桿，長3.0 m，錨桿排間距1.6 m×1.3 m；短錨桿長度2.0 m，錨桿間距0.8 m×0.8 m，噴射C20混凝土，混凝土厚度100 mm，厚度根據(jù)圍巖情況適當(dāng)調(diào)整。主要適用于巖體破碎段、軟巖段、支撐壓力段、高應(yīng)力區(qū)、服務(wù)期長的巷道。

3.3 Ⅲ級支護

Ⅲ級支護主要采用錨噴網(wǎng)支護形式，采用?18 mm螺旋鋼托盤錨桿，長2.0 m，間距1.0 m×1.0 m；噴射C20混凝土，支護厚度為80~100 mm。主要適用于部分聯(lián)絡(luò)巷及通風(fēng)巷道、圍巖較穩(wěn)固的開拓巷道。

3.4 Ⅳ級支護

Ⅳ級支護主要為錨噴支護或素噴混凝土支護，錨噴支護采用?18 mm螺旋鋼托盤錨桿，長2.0 m，錨桿間距1.0 m×1.0 m；噴射C20混凝土，素噴混凝土厚度50~80 mm。主要適用于服務(wù)期較短的臨時支護和采準(zhǔn)巷道。

4 結(jié) 語

（1）在頂板及上盤采用高強度支護手段后，12.5 m方案能滿足采場穩(wěn)定性要求。空區(qū)頂板最大拉應(yīng)力約為0.51 MPa，空區(qū)周圍圍巖最大剪切應(yīng)力約4 MPa，塑性區(qū)在頂板及上盤圍巖中幾乎未見分布，能夠滿足采場穩(wěn)定開采。

（1）15 m開挖方案中空區(qū)頂板及上盤圍巖出現(xiàn)小范圍的冒頂、垮落等破壞跡象，雖然破壞區(qū)并未完全貫通整個空區(qū)頂板，但考慮到礦區(qū)巖性較差，自穩(wěn)能力弱，破壞區(qū)有較大可能進(jìn)一步向深處發(fā)展，造成采場較大面積失穩(wěn)，因此，該方案有較大風(fēng)險，不建議實施，建議采場寬度以12~13 m為宜。

（3）通過對采場頂板進(jìn)路進(jìn)行不同強度的支護研究，對不同巖性進(jìn)行分級，劃分為4種支護方式，以維護采場和巷道的安全。