甘懷營(yíng) 淡永富 李華華

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司）

四川某鋰輝石礦位于海拔2 200～4 200 m的高山上，采用平硐、溜井和斜坡道聯(lián)合開(kāi)拓運(yùn)輸方案，大孔徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V工藝。礦山主要開(kāi)采礦體均有露頭，開(kāi)采過(guò)程為防止揭露地表造成地表水涌入礦井，需要留設(shè)地表保護(hù)礦柱。另外由于礦區(qū)地形復(fù)雜、自然地形坡度大、地表工程地質(zhì)情況差且?guī)r層為順層，局部開(kāi)挖或采動(dòng)極易造成整體滑坡，因此地下開(kāi)采順序及地表保護(hù)礦柱留設(shè)尺寸對(duì)于各工業(yè)場(chǎng)地及運(yùn)輸?shù)缆返陌踩兄匾绊憽?/p>

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

礦區(qū)位于可爾因偉晶巖田東南密集區(qū)內(nèi)，依據(jù)巖石工程地質(zhì)特征諸因素，將礦區(qū)巖層劃分為兩大工程地質(zhì)巖組。

（1）軟弱工程地質(zhì)巖組（Q4）主要由黏土、亞黏土、亞砂土夾礫石組成，地下開(kāi)采對(duì)出露地表部分影響較大。

（2）堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組按巖性類(lèi)別分為2類(lèi)，一是變質(zhì)巖組（T3zh），二是巖漿巖組（γρ、γι、q），呈長(zhǎng)條狀、脈狀產(chǎn)出，致密堅(jiān)硬，呈整體狀結(jié)構(gòu)，力學(xué)強(qiáng)度較高，其中花崗偉晶巖脈是鋰輝石礦體賦存巖脈。

1.2 采礦方法

礦體賦存于花崗偉晶巖脈中，主要礦石為鋰輝石，巖脈系較硬工程地質(zhì)巖組，巖石質(zhì)量好，巖體較完整，穩(wěn)固性好。頂?shù)装逑等B系上統(tǒng)侏倭組（T3zh）堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組，巖體主要呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖組的RQD平均值為80.56%，巖石質(zhì)量好，巖體較完整，穩(wěn)固性好。不同類(lèi)型的礦體所采用的采礦方法不同，傾角為30°～50°的礦體采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法，傾角大于50°的礦體采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法。

2 地表保護(hù)礦柱安全厚度計(jì)算

2.1 理論計(jì)算

理論計(jì)算基于材料力學(xué)理論中的板及梁結(jié)構(gòu)，考慮外加均勻分布載荷，經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化而得。根據(jù)擬采用的采礦方法，地表保護(hù)礦柱安全厚度確定可以采用厚跨比法［1］、荷載傳遞線法［2］、破裂拱估算法［3］、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計(jì)算法［4］和K B魯佩涅依特理論法等5種常用方法計(jì)算。其中，荷載傳遞線法、破裂拱理論估算法及K B魯佩涅依特理論法考慮生產(chǎn)實(shí)際因素較多，因而計(jì)算所得礦柱尺寸較為可靠，而厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計(jì)算法考慮因素相對(duì)較少且過(guò)于理想，計(jì)算結(jié)果較為主觀。因此，本研究采用荷載傳遞線法、破裂拱理論估算法及K B魯佩涅依特理論法3種方法計(jì)算。

2.1.1 荷載傳遞線法

該方法認(rèn)為荷載由頂板中心按與豎直線成30°～35°擴(kuò)散角向下傳遞，此傳遞線位于頂板與硐壁的交點(diǎn)以外時(shí)，即認(rèn)為硐壁直接支承頂板上的外荷與自重，頂板是安全的，即式（1）。

式中，h為頂柱厚度，m；b為采場(chǎng)跨度，m；β為擴(kuò)散角，（°）。根據(jù)式（1），取采場(chǎng)跨度為13 m，擴(kuò)散角為35°，得出頂柱安全厚度為9.28 m。

2.1.2 破裂拱理論估算法

該方法認(rèn)為采空區(qū)未坍塌時(shí)，相當(dāng)于自然拱處于平衡狀態(tài)，如發(fā)生坍塌則形成破裂拱，破裂拱以上的巖體質(zhì)量由拱承擔(dān)，在此基礎(chǔ)上增加頂板厚度以承載上部附加荷載，該拱高加上附加厚度即為頂板安全厚度，即式（2）。

式中，h0為采場(chǎng)高度，取50 m；φ為頂板巖石內(nèi)摩擦角，取35°；f為頂板巖石普氏硬度系數(shù)，取6；a為頂板附加荷載疊加系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計(jì)算，頂柱安全厚度為7.05 m。

2.1.3 K B魯佩涅依特理論法［3～5］

該方法主要考慮到空區(qū)跨度及頂板巖體特性對(duì)安全頂板厚度的影響，同時(shí)也考慮了頂板上部附加荷載的影響，提出了安全厚度計(jì)算公式：

式中，σcp=rσc/k0k3，為在彎曲條件下考慮到抗壓強(qiáng)度系數(shù)（r）、強(qiáng)度安全系數(shù)（k3）和結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)（k0）條件下頂板強(qiáng)度極限，k0=2～3，k3=7～10，r=（7～10）%，σc為頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度，取50 MPa；ρ為密度，kg/m3；q為均布荷載，MPa。

經(jīng)計(jì)算，頂柱安全厚度為7.72 m。

2.2 頂柱厚度取值

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，礦柱厚度合理范圍在7.05～9.28 m，取最大值為頂板安全厚度值，即9.28 m。

3 開(kāi)采順序優(yōu)化研究

3.1 開(kāi)采順序方案

根據(jù)中段礦量及品位分布，礦山主要礦量分布在3 600～3 800 m中段，中段礦量為368.7～567.8萬(wàn)t，該中段范圍的品位也較好。根據(jù)中段生產(chǎn)能力，存在2個(gè)回采順序方案，即由3 600 m水平開(kāi)始往上開(kāi)采（方案1）和由3 800 m水平往下開(kāi)采（方案2）。中段內(nèi)回采步驟均為先采礦房，充填礦房后采礦柱。

3.2 模型建立

利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，對(duì)礦體進(jìn)行建模，模型如圖1所示。

地質(zhì)報(bào)告中沒(méi)有詳細(xì)的礦巖物理力學(xué)數(shù)據(jù)，根據(jù)類(lèi)似礦巖巖性，獲取礦巖物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

3.3 初始地應(yīng)力

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地質(zhì)報(bào)告中沒(méi)有地應(yīng)力數(shù)據(jù)，以礦巖重力為主要地應(yīng)力，進(jìn)行地應(yīng)力反演，結(jié)果最大主應(yīng)力為18.1 MPa，最小主應(yīng)力為5.4 MPa，礦體中最大應(yīng)力為12 MPa。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 主應(yīng)力

圖2 為方案1和方案2回采過(guò)程中礦體內(nèi)最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的變化曲線。2個(gè)方案的最大拉應(yīng)力相差不大，且均較?。环桨?的最大壓應(yīng)力均值為14.7 MPa，方案2為13.44 MPa，方案1較方案2增大約9.4%，但方案1由底部中段開(kāi)采至上部中段，應(yīng)力值呈現(xiàn)為近似線性變化趨勢(shì)，增長(zhǎng)較穩(wěn)定且緩慢；方案2由上部中段開(kāi)采至下部中段，應(yīng)力值前期較低且平緩，開(kāi)采至3 700 m中段后應(yīng)力值呈現(xiàn)出劇烈跳動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，上下波動(dòng)較大，且在開(kāi)采后期最大壓應(yīng)力值較大，約為20 MPa，采場(chǎng)圍巖處于循環(huán)加卸載的應(yīng)力環(huán)境下，對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響。

3.4.2 位移分析

圖3 為方案1和方案2回采過(guò)程中采場(chǎng)和地表坡面最大位移變化曲線?；夭蛇^(guò)程中，2個(gè)方案的采場(chǎng)位移和地表坡面位移隨回采步而增大，方案1的采場(chǎng)位移較方案2大，方案1的地表坡面位移較方案2小。采場(chǎng)豎向位移均在2 cm范圍內(nèi)，位移較小。由于地表坡面為第四系堆積物，對(duì)外界擾動(dòng)較為敏感，方案2的擾動(dòng)引起了地表坡面較大的位移，不利于其穩(wěn)定性。

2個(gè)方案回采過(guò)程中，采場(chǎng)穩(wěn)定性均較好，均未產(chǎn)生塑性破壞，總體上2個(gè)方案結(jié)果差距不大。但方案2對(duì)地表坡面的擾動(dòng)較大，不利于其穩(wěn)定性，則方案1較優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）采用荷載傳遞線法、破裂拱估算法和K B魯佩涅依特理論法3種方法計(jì)算頂柱安全厚度，頂柱安全理論厚度至少不低于9.28 m，才能保證礦柱自身和地表邊坡的穩(wěn)定性。

（2）從3 600 m水平向上開(kāi)采的方案對(duì)地表坡面的擾動(dòng)較小，有利于礦區(qū)的穩(wěn)定性。