楊植根,郭恭祥,葉光祥
(1.江西盤古山鎢業(yè)有限公司, 江西 于都縣 342311; 2.贛州有色冶金研究所有限公司, 江西 贛州市 341000)
某礦石英脈型急傾斜極薄黑鎢礦屬氣化高溫?zé)嵋毫严冻涮畹V床,采用上向進路充填法開采礦脈帶。受成礦裂隙成組成帶分布影響,頂板礦、巖交替呈現(xiàn),巖體穩(wěn)定性較差,而采場跨度成為制約開采穩(wěn)定性關(guān)鍵問題。
業(yè)界普遍以理論計算和數(shù)值模擬[1-2]的方式進行采場跨度的計算和優(yōu)化,常用的理論計算方法有Mathews穩(wěn)定性圖表法[1]、簡支梁[2]、懸臂梁[3]、工程跨度經(jīng)驗公式[4]等,常用的數(shù)值模擬軟件有FLAC3D[5-7]、ANSYS[8]等。李小松等[9]基于假頂薄板理論得到了大跨度充填體假頂應(yīng)力表達式;劉暢等[10]基于極限分析原理認為:長跨比>2時,頂板安全厚度取決于跨度的大?。桓咧t等[11]、薛一鳴[12]則分別分析了大跨度采場失穩(wěn)形式及失穩(wěn)因素閾值。
本文通過RMR值和工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)進行了采場跨度初步設(shè)計,并在此基礎(chǔ)上,選取了5組不同采場跨度,進行數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析,重點分析了采場應(yīng)力、變形及破壞特征,最終得到最優(yōu)采場跨度。
該石英脈型黑鎢礦圍巖為變質(zhì)石英砂巖。巖體Q值為20.5,巖體力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 變質(zhì)石英砂巖力學(xué)參數(shù)
RMR與Q系統(tǒng)分級方法是目前普遍使用的巖體分級方法,許多學(xué)者總結(jié)出了兩者之間相關(guān)性的經(jīng)驗公式,見表2。
表2 RMR與Q分類相關(guān)關(guān)系式
根據(jù)以上經(jīng)驗公式,將Q值代入計算,得到RMR平均值為71,如圖1所示。按照RMR巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)(見表3),該巖體為II級巖體。
圖2所示為根據(jù)RMR分級結(jié)果統(tǒng)計得到的無支護跨度與穩(wěn)定時間圖表。根據(jù)RMR穩(wěn)定性經(jīng)驗 圖表,當(dāng)RMR值為71時,最大無支護跨度約為17 m,此時穩(wěn)定時間不足2個月;當(dāng)無支護跨度為 12 m左右時,穩(wěn)定時間約為2個月;隨著無支護跨度的減小,穩(wěn)定時間增加。
圖1 RMR與Q轉(zhuǎn)換計算結(jié)果
表3 RMR巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于地下工程巖體自穩(wěn)能力的描述,當(dāng)巖體質(zhì)量等級為II級時,跨度小于10 m時,可長期穩(wěn)定,偶有掉塊,跨度為10~20 m時,可基本穩(wěn)定,局部可發(fā)生掉塊或小塌方。各巖體等級自穩(wěn)能力見表4。
圖2 基于RMR巖體分級的無支護跨度穩(wěn)定性圖表
表4 地下工程巖體自穩(wěn)能力
依據(jù)RMR無支護跨度穩(wěn)定時間經(jīng)驗圖表得到采場無支護跨度為17 m時,穩(wěn)定時間不足2個月,無支護跨度為12 m時,穩(wěn)定時間約2個月左右;依據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于地下工程巖體自穩(wěn)能力的描述,II級巖體跨度小于10 m時,可長期穩(wěn)定,跨度10~20 m時,可基本穩(wěn)定。
綜上所述,兩種方法判斷的采場自穩(wěn)跨度范圍基本一致,兩者綜合考慮,選取采場最大自穩(wěn)跨度約為10 m。
采用FLAC3D軟件計算不同跨度采場穩(wěn)定性,通過建立不同采場跨度模型,設(shè)置相同的邊界條件與初始條件,根據(jù)巖體分級結(jié)果對巖體參數(shù)進行賦值,最終通過計算對比的方式驗證并確定采場自穩(wěn)跨度。
根據(jù)巖體分級法確定的采場自穩(wěn)跨度范圍,建立5種采場跨度尺寸,分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5 m和15 m。礦體為急傾斜礦體,因此采場高度對開采影響較小,此處采用控制變量法,統(tǒng)一采場高度為5m。由此建立了5種三維數(shù)值模擬模型,各模型網(wǎng)格與節(jié)點數(shù)量約30萬個左右,模型如圖3所示。
礦山設(shè)計開采最深深度-120 m,建立該深度條件下自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力條件。礦體模型邊界條件為:模型X法向平面施加X向約束,Y法向平面施加Y向約束,模型底面為固定約束,頂面為應(yīng) 力邊界條件,施加上覆巖層重力。
圖3 5種不同跨度三維數(shù)值模型
3.3.1 應(yīng)力變化特征對比分析
圖4為采場圍巖最大主應(yīng)力云圖。不同跨度采場圍巖的最大主應(yīng)力分布規(guī)律相似,采場四周圍巖為應(yīng)力釋放區(qū)域,采場側(cè)幫圍巖一定深度為應(yīng)力集中區(qū)域。采場開挖后,上部覆巖荷載轉(zhuǎn)移至采場兩側(cè),于是在采場兩側(cè)圍巖深部形成應(yīng)力集中區(qū)域。
采集采場圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力數(shù)據(jù),繪制采場圍巖最大主應(yīng)力隨深度的變化曲線,結(jié)果如圖5、圖6所示。圖5為采場頂板圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力隨深度的變化曲線,不同跨度采場間曲線均呈現(xiàn)先增大后減小,而后逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢,且不同跨度采場頂板淺部最大主應(yīng)力大致相同,為3~4 MPa。但不同跨度采場最大主應(yīng)力大小及其位置有著明顯差異。采場為5 m跨度時,頂板圍巖最大主應(yīng)力極值為13 MPa,分布深度為2.8 m;7.5 m跨度時,最大主應(yīng)力極值為12.3 MPa,深度3.6 m;10 m跨度時,最大主應(yīng)力極值為11.4 MPa,深度4.7 m;12.5 m跨度時,最大主應(yīng)力極值為11 MPa,深度6.5 m; 15 m跨度時,最大主應(yīng)力極值為10.5 MPa,深度7.5 m。隨著跨度的增加,采場頂板圍巖應(yīng)力擾動深度逐漸增加,表明更深部的圍巖體發(fā)生變形。圖6所示為采場側(cè)幫圍巖最大主應(yīng)力隨深度變化曲線。不同跨度采場側(cè)幫應(yīng)力集中深度差別不大,主要分布在3~4 m深的位置,最大主應(yīng)力極值與采場跨度呈正相關(guān)。
圖4 不同跨度下采場圍巖最大主應(yīng)力云圖
圖5 采場頂板圍巖最大主應(yīng)力變化曲線
采場頂板與側(cè)幫的應(yīng)力曲線說明,該巖體條件 下,采場開挖造成的圍巖體擾動主要發(fā)生在采場頂板,隨著采場跨度的增大,頂板擾動越大,側(cè)幫擾動無明顯變化。
圖6 采場側(cè)幫圍巖最大主應(yīng)力變化曲線
圖7為采場圍巖最小主應(yīng)力分布云圖,采場四周圍巖應(yīng)力減小,向深部逐漸增加。采集采場頂板拉應(yīng)力最大值,繪制拉應(yīng)力值隨采場跨度的變化曲線,如圖8所示。巖石材料是一種抗壓不抗拉的材料,因此采場頂板實際拉應(yīng)力值越低越好。隨著跨度的增加,采場頂板拉應(yīng)力增大,在10 m跨度時 出現(xiàn)了急增的情況,各模型拉應(yīng)力由0.04 MPa增加至0.16 MPa,小于巖體抗拉強度0.17 MPa。
圖7 不同跨度下采場圍巖最小主應(yīng)力云圖
圖8 采場頂板最大拉應(yīng)力變化曲線
3.3.2 變形特征對比分析
圖9為不同跨度下采場圍巖位移云圖,采場開挖后,頂板圍巖受上覆荷載影響,主要發(fā)生豎向位移,且多見于采場頂板,兩側(cè)位移相對較小。頂板 圍巖位移影響范圍隨著跨度的增加向上擴展,位移值也逐漸增大。根據(jù)圖10可知,采場頂板最大位移值分別為0.96 cm、1.3 cm、1.7 cm、2.2 cm和2.6 cm。不同跨度采場頂板圍巖最大位移值隨采場跨度平穩(wěn)增加,未發(fā)生較大突變。
3.3.3 礦巖破壞特征對比分析
采場圍巖塑性區(qū)表示了采場圍巖內(nèi)潛在破壞冒落區(qū)域和采場圍巖松動圈范圍。圖11所示為不同跨度下采場圍巖塑性區(qū)分布,根據(jù)采場塑性區(qū)分布圖,塑性區(qū)有剪切與受拉塑性區(qū)。采場頂板拉塑性區(qū)在5 m、7.5 m跨度采場頂板出現(xiàn)較少,10 m跨度之后大量出現(xiàn)。采場圍巖剪切塑性區(qū)隨著跨度的變化,出現(xiàn)位置也逐漸演化。5 m跨度時主要在采場側(cè)幫;7.5 m跨度時頂板開始出現(xiàn);10 m跨度時采場頂板剪切破壞區(qū)出現(xiàn)貫通,形成潛在冒落楔形 體;采場為12.5 m、15 m跨度時,采場頂板圍巖塑性區(qū)范圍不斷增大。根據(jù)圖12,采場圍巖塑性區(qū)厚度變化主要發(fā)生在頂板,隨著采場跨度增加而擴大,由2.2 m逐漸增加至6.9 m,采場側(cè)幫的塑性區(qū)則變化較小,均在3 m左右。該塑性區(qū)厚度變化對采場錨桿支護參數(shù)的選擇具有指導(dǎo)意義。
圖9 不同跨度下采場圍巖位移云圖
圖10 采場頂板圍巖位移變化曲線
綜上分析,采場開挖的擾動影響主要出現(xiàn)在采場頂板,且隨跨度增加,影響范圍、影響程度均有 擴大。具體表現(xiàn)為:隨著采場跨度的增大,采場頂板拉應(yīng)力極值增大,豎向位移、塑性區(qū)穩(wěn)步增加,當(dāng)采場跨度10 m時,頂板拉應(yīng)力急增,剪切塑性區(qū)開始貫通,形成潛在冒落楔形體,且采場圍巖開始出現(xiàn)較多拉塑性區(qū)。綜合采場圍巖應(yīng)力、位移與塑性區(qū)變化特性,確定采場最優(yōu)跨度為7.5 m。
圖11 不同跨度下采場圍巖塑性區(qū)分布
圖12 采場圍巖塑性區(qū)范圍變化曲線
本文采用巖體分級法與數(shù)值模擬法分別確定了采場最大自穩(wěn)跨度。根據(jù)巖體分級法得到了采場最大自穩(wěn)跨度為10 m,數(shù)值模擬法得到了最優(yōu)采場跨度為7.5 m。綜合兩種方法研究結(jié)論,采場跨度取較小值7.5 m。
采場頂板穩(wěn)定性的影響因素眾多,由于地質(zhì)條件的不確定性,采場穩(wěn)定性主要受斷層破碎帶、地下水侵蝕以及爆破損傷的影響。當(dāng)采場揭露的巖體質(zhì)量條件發(fā)生變化時,應(yīng)及時優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù),并加強采場頂板支護。