趙興東 周 鑫 魏 慧

(東北大學(xué)采礦地壓與控制研究中心,遼寧 沈陽 110819)

三山島金礦原有的機(jī)械化盤區(qū)充填采礦法因采切工程量大、生產(chǎn)能力小、安全性差、開采成本增加等問題已不適用于深部開采。為此,選用脈外采準(zhǔn)分段空場嗣后充填采礦法替換原有采礦方法,新方法作業(yè)人員在巷道中鑿巖,安全性好、勞動生產(chǎn)率高、生產(chǎn)能力大,較現(xiàn)有的采礦方法可顯著提升生產(chǎn)能力,達(dá)到1 260 t/d。該礦屬破碎帶蝕變巖型特大型金礦床,隨著開采深度不斷增加,巖體質(zhì)量變差,礦體變得十分破碎[1-2]。在此開采條件下,確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是保證分段空場嗣后充填采礦法順利實(shí)施及實(shí)現(xiàn)礦山深部安全高效生產(chǎn)的前提。

總結(jié)國內(nèi)外專家學(xué)者所開展的工作,發(fā)現(xiàn)Mathews穩(wěn)定性圖表與數(shù)值模擬是在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面最為常見的分析方法。劉建東等[3]采用理論計(jì)算、Mathews穩(wěn)定性圖表和FLAC3D數(shù)值模擬多種方法對采場頂板及礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合研究,在此基礎(chǔ)上確定了合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù);潘桂海等[4]在分析礦巖與充填體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值仿真模擬方法設(shè)計(jì)了4種結(jié)構(gòu)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了擾動作用下的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選;馬俊生等[5]基于巖體分級結(jié)果,采用Mathews穩(wěn)定性圖表法分析采場跨度,結(jié)合數(shù)值模擬方法對典型采場跨度尺寸進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并對采場圍巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了分析,得到了采場跨度的合理取值;許宏亮等[6]結(jié)合Mathews穩(wěn)定性圖表法和FLAC3D數(shù)值計(jì)算方法,利用Mathews穩(wěn)定性圖表法初步選定采場結(jié)構(gòu)參數(shù),并利用數(shù)值方法在初選方案中進(jìn)行比選獲得最優(yōu)的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

現(xiàn)有采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)均是在原有采場參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,并未說明初始結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇方法。本研究通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及巖石力學(xué)試驗(yàn)對研究區(qū)域內(nèi)的礦巖質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)分級;綜合考慮分級結(jié)果、礦體條件,借助RMR臨界跨度圖表和Mathews穩(wěn)定性圖表初步確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù);最后利用RS2數(shù)值軟件和Mathews穩(wěn)定性圖表對采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析,確定最優(yōu)采場尺寸,為礦山開采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

三山島金礦礦體主要賦存在三山島斷裂帶中,巖性以黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖為主。研究區(qū)為-915～-960 m中段,礦體平均傾角50°,平均厚度45 m,礦體上盤受F1斷層影響,近主斷面蝕變帶內(nèi)局部巖石較破碎,穩(wěn)固性較差。

針對研究區(qū)內(nèi)傾斜厚大礦體,擬采用分段空場嗣后充填采礦法進(jìn)行開采,如圖1所示。與原有的機(jī)械化盤區(qū)充填采礦法相比,作業(yè)人員在巷道中鑿巖,安全性好、勞動生產(chǎn)率高、生產(chǎn)能力大。但由于礦巖質(zhì)量較差,需確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確保采礦方法順利實(shí)施,實(shí)現(xiàn)礦山深部安全高效生產(chǎn)。

圖1 分段空場嗣后充填采礦法示意Fig.1 Schematic of sublevel open stope and backfilling mining method

利用測線法對三山島金礦-915～-960 m中段礦巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析,根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)查,采用Q、RMR和GSI分類方法[7-8]對礦巖質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)(表1),最后利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則獲得礦巖力學(xué)參數(shù),如表2所示。

表1 3種巖體分類方法評價(jià)結(jié)果Table 1 Evaluation results of three rock mass classification methods

表2 巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass

2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

對于深部采礦而言,采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定不僅與開采礦體的產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育程度等有關(guān),還與開采方法、回采順序和地壓控制方法相關(guān)。深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)需要綜合考慮礦體賦存條件、礦山機(jī)械設(shè)備、地應(yīng)力、巖體節(jié)理情況等地質(zhì)力學(xué)信息。礦山現(xiàn)有階段高度45 m,由于巖體質(zhì)量(Ⅳ～Ⅴ)差,45 m階段高度采場無法保證采場穩(wěn)定性,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)考慮設(shè)置2或3個(gè)分段,據(jù)此確定分段高度為22.5 m或15 m;再借助RMR穩(wěn)定圖表確定采場穩(wěn)定的極限跨度(寬度);在此基礎(chǔ)上利用Mathews穩(wěn)定性圖表對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 采場跨度確定

本研究利用RMR臨界跨度圖表[9]確定采場允許最大跨度(寬度)。為了精確獲得極限跨度,利用GetData和Excel軟件對曲線進(jìn)行擬合得到RMR巖體質(zhì)量評分與未支護(hù)跨度之間的函數(shù)模型(圖2)。結(jié)合礦體的RMR評分計(jì)算得到最大跨度為8.2 m,因此最終確定采場跨度(寬度)為8 m。

圖2 RMR臨界跨度圖表Fig.2 RMR critical span chart

2.2 基于Mathews穩(wěn)定性圖表采場長度分析

Mathews穩(wěn)定性圖表是由MATHEWS等于1980年首先提出[10],并用于1 000 m深度以下的硬巖礦山開采設(shè)計(jì)。此后,POTVIN[11]、HADJIGEORGIOU[12]和MAWDESLEY[13]等大量研究人員對該方法進(jìn)行了擴(kuò)展,并驗(yàn)證了其有效性。

Mathews穩(wěn)定性圖表原本是一種預(yù)測采場穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)方法,也可以在采場高度及寬度已知的情況下通過穩(wěn)定性系數(shù)N′確定頂板及兩幫的水力半徑,進(jìn)而確定采場長度(圖3)。

圖3 采場長度計(jì)算示意Fig.3 Schematic of the calculation of stope length

穩(wěn)定性系數(shù)N′的計(jì)算公式為

式中,Q′為巖體質(zhì)量指標(biāo),基于巖石隧洞施工參數(shù),由修正的Q系統(tǒng)分級法得出;A為采動應(yīng)力因子;B為節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù);C為重力調(diào)整系數(shù);RQD為巖石質(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)理蝕變系數(shù)。

根據(jù)本研究確定的采場寬度8m、采場高度15m或22.5 m,并結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)及現(xiàn)場節(jié)理調(diào)查結(jié)果對穩(wěn)定系數(shù)N′進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果見表3。

表3 不同高度穩(wěn)定系數(shù)N′統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical of stability coefficient N′of different heights

本研究利用HADJIGEORGIOU[12]改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定性圖表(圖4)確定頂板和兩幫的水力半徑,再根據(jù)式(2)計(jì)算采場長度L:

圖4 Mathews穩(wěn)定性圖表Fig.4 Mathews stability chart

式中,L為采場長度,m;L頂板為根據(jù)頂板穩(wěn)定性計(jì)算的采場長度,m;HR頂板為頂板的水力半徑,m;L兩幫為根據(jù)兩幫穩(wěn)定性計(jì)算的采場長度,m;HR兩幫為兩幫的水力半徑,m。

根據(jù)式(4)計(jì)算的水力半徑及采場長度見表4。

表4 水力半徑及采場長度計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation resultss of hydraulic radius and stope length

在采場高度為15 m、采場跨度為8m的條件下,不支護(hù)時(shí),采場頂板保持穩(wěn)定的最大長度為3.07 m,采場頂板長度為3.07～32.50 m時(shí),頂板處于未支護(hù)過渡區(qū);采場兩幫保持穩(wěn)定的最大長度為7.32 m,采場兩幫長度為7.32～20.40 m時(shí),兩幫處于未支護(hù)過渡區(qū)。

在采場高度為22.5 m、采場跨度為8 m的條件下,不支護(hù)時(shí),采場頂板保持穩(wěn)定的最大長度為3.07 m,采場頂板長度為3.07～32.50 m時(shí),頂板處于未支護(hù)過渡區(qū);采場兩幫保持穩(wěn)定的最大長度為6.97 m,采場兩幫長度為6.97～15.62 m時(shí),兩幫處于未支護(hù)過渡區(qū)。

綜合考慮設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工等因素,確定兩種采場尺寸參數(shù)方案如表5所示。

表5 采場尺寸方案Table 5 Schemes for stope size

3 采場穩(wěn)定性分析

由工程地質(zhì)勘查及巖體質(zhì)量評價(jià)結(jié)果可知,巖體質(zhì)量總體是上盤最差,因此采場最易發(fā)生失穩(wěn)破壞的區(qū)域?yàn)榕c上盤相接觸的三角礦區(qū)。本研究利用Mathews穩(wěn)定性圖表和RS2數(shù)值模擬軟件對上盤的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,以位移和塑性區(qū)范圍為評價(jià)指標(biāo)對兩種方案進(jìn)行優(yōu)選。當(dāng)采場高度為15 m和22.5m時(shí),利用Mathews穩(wěn)定性圖表分析上盤穩(wěn)定性,計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 上盤穩(wěn)定性分析參數(shù)Table 6 Stability analysis parameters of hanging wall

當(dāng)采高為15 m時(shí),上盤水力半徑為2.61,其中上盤穩(wěn)定性系數(shù)N′為0.17;當(dāng)采高為22.5 m時(shí),上盤水力半徑為 3.14,其中上盤穩(wěn)定性系數(shù)N′為0.11,查穩(wěn)定性圖表(圖4)可知均處于未支護(hù)過渡區(qū),但當(dāng)采場高度為15m時(shí)其落點(diǎn)更加靠近穩(wěn)定區(qū),采場高度為22.5 m時(shí)靠近支護(hù)穩(wěn)定區(qū)。

利用RS2數(shù)值模擬軟件計(jì)算時(shí)采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型,邊界條件采用位移約束,施加場應(yīng)力分別為40.2 MPa(σH)、24.8 MPa(σz)和24.2 MPa(σh),材料參數(shù)見表2,計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 采場位移分布(單位:m)Fig.5 Displacement distribution of stope

圖6 采場塑性區(qū)分布(單位:m)Fig.6 Plastic zone distribution of stope

模擬結(jié)果表明:采場最大位移及塑性區(qū)最大范圍均出現(xiàn)在礦體上盤;當(dāng)采場高度為15m時(shí),采場上盤最大位移為0.83 m,塑性區(qū)厚度為4.130 m;當(dāng)采場高度為22.5 m時(shí),采場上盤最大位移為0.96 m,塑性區(qū)厚度為9.563 m。

雖然采場高度為22.5 m時(shí)比15 m采切工程量更少,但是上盤的穩(wěn)定性是制約能否安全開采的關(guān)鍵。綜合考慮Mathews穩(wěn)定性圖表判定結(jié)果和RS2數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)采場高度為15m時(shí),采場位移及破壞范圍更小,更容易對上盤圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行控制,所以最終確定方案1(表5)作為最優(yōu)尺寸。但目前礦山并未開始施工,將會選擇試驗(yàn)采場并安裝微震、位移等傳感器,并采用三維激光掃描技術(shù)來監(jiān)測采場圍巖穩(wěn)定性[14-16],這是下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

(1)以工程地質(zhì)調(diào)查和巖體質(zhì)量分級為基礎(chǔ),利用RMR臨界跨度圖表和Mathews穩(wěn)定性圖表對采場尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),再通過數(shù)值模擬對采場穩(wěn)定性進(jìn)行分析和優(yōu)選。系統(tǒng)闡述了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化步驟,可為類似礦山提供參考。

(2)采用 Q、RMR、GSI 3種方法對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級,分級結(jié)果反映出研究區(qū)內(nèi)礦巖屬于Ⅳ～Ⅴ類巖體;采用RMR臨界跨度圖表確定采場最大跨度(寬度)為8 m;利用Mathews穩(wěn)定性圖表和數(shù)值模擬對采場尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)選,最終確定的最優(yōu)尺寸為8 m×15 m×15 m,可為礦山開采設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

(3)微震、位移、三維激光掃描監(jiān)測是評價(jià)采場圍巖穩(wěn)定性的直接手段,可與穩(wěn)定性圖表法及數(shù)值模擬評價(jià)結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證,這是下一步重點(diǎn)研究方向。