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        某金礦深部采場(chǎng)穩(wěn)定性分析與參數(shù)優(yōu)化

        2022-09-29 04:01:10夏自鋒溫賓玲王炳煒劉玉橋秦秀合
        采礦技術(shù) 2022年5期

        夏自鋒,溫賓玲,王炳煒,劉玉橋,秦秀合

        (1.招金礦業(yè)股份有限公司, 山東 招遠(yuǎn)市 265400;2.山東招金膜天股份有限公司, 山東 招遠(yuǎn)市 265400;3.招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦, 山東 招遠(yuǎn)市 265414)

        0 引言

        合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與采場(chǎng)穩(wěn)定性不僅能保證礦山安全開(kāi)采,還能提高礦山生產(chǎn)效率,因此采場(chǎng)尺寸參數(shù)與穩(wěn)定性具有重要意義。針對(duì)這方面,Barton[1-2]提出Q分級(jí)系統(tǒng)方法,給出經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算公式,可進(jìn)行巖體評(píng)價(jià)以及支護(hù)設(shè)計(jì);Mathews、Potvin等[3-4]基于Q系統(tǒng)分級(jí),提出了采場(chǎng)穩(wěn)定性圖表法;Pakalnis、Brady等[5-6]利用臨界跨度圖方法確定采場(chǎng)最大跨度;董金奎、李江等[7-8]分別運(yùn)用 Mathews圖表法對(duì)焦家金礦、大尹格莊金礦采場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并取得了良好效果。

        本文以某金礦-860 m中段為工程背景,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)分析,應(yīng)用Mathews 穩(wěn)定圖法、臨界跨度設(shè)計(jì)法和數(shù)值模擬,對(duì)現(xiàn)有條件下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化,確定出最終采場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化方案,最大限度地提高采場(chǎng)的生產(chǎn)能力與安全高效回采礦石。

        1 工程背景

        某金礦7#礦段為礦山開(kāi)采主礦體,分布于496~559線之間招平斷裂帶主裂面的下盤(pán),主要由黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖組成,屬厚度變化穩(wěn)定、品位變化均勻的傾斜中厚至厚大礦體;礦床水文地質(zhì)簡(jiǎn)單,但工程地質(zhì)較復(fù)雜,上盤(pán)圍巖和礦體之間充填的斷層泥導(dǎo)致了極為不利的回采條件,易垮塌冒落。

        目前,某金礦主要采礦方法為上向水平分層充填采礦法,中間留設(shè)2~3 m寬的間柱,局部邊角礦體或小礦體采用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法;歷經(jīng)長(zhǎng)期大規(guī)模開(kāi)采之后,開(kāi)采深度已超過(guò) 1000 m,進(jìn)入深部開(kāi)采階段,地壓將進(jìn)一步顯現(xiàn),深部開(kāi)采中冒落、片幫等地壓?jiǎn)栴}也將愈發(fā)突出,亟須對(duì)-860 m以下深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析與優(yōu)化。

        2 圖表法穩(wěn)定性分析

        本次采用SIROⅤISION工業(yè)相機(jī)及三維圖片處理軟件,結(jié)合常規(guī)工程地質(zhì)調(diào)查手段對(duì)-860 m水平礦巖結(jié)構(gòu)面的間距、產(chǎn)狀、張開(kāi)度與充填情況、結(jié)構(gòu)面跡線長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)面表面形狀、結(jié)構(gòu)面滲水性狀況、結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度等特征,進(jìn)行詳細(xì)和連續(xù)的測(cè)量和調(diào)查;對(duì)礦巖進(jìn)行了單軸抗壓、抗拉及點(diǎn)荷載試驗(yàn),獲得了礦巖物理力學(xué)參數(shù)?;诂F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)某金礦巖質(zhì)量進(jìn)行了多方法分級(jí)評(píng)價(jià)及穩(wěn)定性分析。

        2.1 Mathews穩(wěn)定性圖表法

        Barton[1]從巖體完整程度、節(jié)理性狀和發(fā)育程度、地下水狀況、地應(yīng)力狀況等方面提出了巖體質(zhì)量(Q)分類(lèi),可用式(1)表示:

        式中,RRQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)值;Jn為節(jié)理組數(shù);Jr為節(jié)理粗糙系數(shù);Ja為節(jié)理蝕變系數(shù);Jw為節(jié)理水折減系數(shù);SSRF為應(yīng)力折減系數(shù)。

        Mathews穩(wěn)定性圖表法由Mathews等[3]提出,后由Potvin[4]進(jìn)行了改進(jìn),建立了穩(wěn)定性系數(shù)N′和采場(chǎng)暴露面水力半徑HHR之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,收集了秘魯和加拿大的地下礦山穩(wěn)定性數(shù)據(jù),劃分為穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)、破壞區(qū)的分界曲線,如圖1所示。

        圖1 Mathews穩(wěn)定性圖

        穩(wěn)定性系數(shù)N′見(jiàn)式(2):

        式中,A為巖石應(yīng)力系數(shù);B為節(jié)理方位修正系數(shù);C為設(shè)計(jì)采場(chǎng)暴露面的重力調(diào)整系數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與文獻(xiàn)[9]的最新計(jì)算方法選取參數(shù)A、B、C分別為0.3,0.8,2。

        水力半徑HHR(或形狀因子S)反映了采場(chǎng)的尺寸和形狀,見(jiàn)式(3):

        式中,L和H分別為采場(chǎng)暴露面的長(zhǎng)度和寬度。

        根據(jù)Q系統(tǒng)分級(jí)結(jié)果(見(jiàn)表1),礦體、圍巖Q值為 6,均為Ⅲ級(jí)(中等)。由式(2)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)N′分別為2.78,2.93;由圖1中加拿大數(shù)據(jù)分析可尋,對(duì)應(yīng)的水力半徑大約是3.12 m,-860 m礦體平均厚度為25 m,跨度分別選擇5,6,7,8,9和10 m時(shí),水力半徑、采場(chǎng)長(zhǎng)度與跨度的關(guān)系如圖2所示。分析圖2可知,采場(chǎng)尺寸為8 m×25 m(跨度×長(zhǎng)度)時(shí),水力半徑為3.0 m<3.12 m,采場(chǎng)處于穩(wěn)定區(qū)域,能滿足覆蓋-860 m礦體厚度。

        表1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)

        圖2 不同跨度下采場(chǎng)長(zhǎng)度和水力半徑系數(shù)關(guān)系

        2.2 臨界跨度圖表法

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與試驗(yàn)結(jié)果,-860 m巖體質(zhì)量分級(jí)RMR結(jié)果見(jiàn)表2,評(píng)分值為63,屬于Ⅱ級(jí)“良好巖體”。基于以往的統(tǒng)計(jì)分析[10-11],建立了臨界跨度曲線(見(jiàn)圖3),將RMR和臨界跨度平面內(nèi)劃分為穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)。由圖3可知,當(dāng)RMR值為63時(shí),最大臨界跨度是10 m左右,即跨度<10 m時(shí),處于穩(wěn)定區(qū),采場(chǎng)可保持穩(wěn)定。

        圖3 臨界跨度

        表2 RMR分級(jí)結(jié)果

        3 數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析

        為進(jìn)一步驗(yàn)證圖表法的可靠性,分別建立跨度為7,8,9 m和10 m的數(shù)值模型。模型左右邊界x方向位移約束,前后邊界y方向位移約束,底部固定約束。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

        表3 試驗(yàn)采場(chǎng)的巖石力學(xué)參數(shù)取值

        基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量孔中獲得的地應(yīng)力數(shù)據(jù),對(duì)某金礦深部的地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演,得到地應(yīng)力值隨深度的線性回歸方程。

        水平最大主應(yīng)力:

        水平最小主應(yīng)力:

        垂直應(yīng)力:

        式中,H為埋深,m;Hσ為最大水平主應(yīng)力,MPa;hσ為最小水平主應(yīng)力,MPa;νσ為垂直應(yīng)力,MPa,γ為平均容重,2715 kN / m3。

        以地表標(biāo)高+180 m 計(jì)算,在-860 m 水平所受的地應(yīng)力大小為Hσ= 73.47 MPa,hσ= 32.93 MPa,νσ=28.24 MPa。

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,采用點(diǎn)安全系數(shù)f評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性,當(dāng)f>1,處于安全狀態(tài);f=1,處于臨界狀態(tài);f<1,處于破壞狀態(tài)。從圖4可知,隨著跨度的增加,采場(chǎng)圍巖的安全系數(shù)逐漸降低;當(dāng)跨度小于8 m時(shí),采場(chǎng)安全系數(shù)f>1,采場(chǎng)穩(wěn)定性良好;當(dāng)跨度大于9 m時(shí),采場(chǎng)頂板達(dá)到臨界破壞狀態(tài),邊墻部分破壞。數(shù)值模擬確定采場(chǎng)跨度為8 m。

        圖4 不同跨度的采場(chǎng)點(diǎn)安全系數(shù)云圖

        4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

        根據(jù)理論測(cè)算與數(shù)值模擬結(jié)果,某金礦在-860 m中段570~574線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用,采場(chǎng)進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)為8 m×25 m×3.6 m(跨度×長(zhǎng)度×高度),如圖5所示,兩幫及頂板半孔率高,未發(fā)生破壞、剝落現(xiàn)象,采場(chǎng)穩(wěn)定性好。

        圖5 -860 m中段574線進(jìn)路現(xiàn)場(chǎng)

        5 結(jié)論

        基于Q系統(tǒng)與RMR對(duì)某金礦深部采場(chǎng)的巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上采用Mathews 穩(wěn)定圖表法、臨界跨度設(shè)計(jì)方法和數(shù)值模擬對(duì)深部采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,確定了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為 8 m×25 m×3.6 m(跨度×長(zhǎng)度×高度),當(dāng)跨度小于8 m時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定,并在-860 m中段570~574線進(jìn)行了回采應(yīng)用,試驗(yàn)證明,采場(chǎng)穩(wěn)定性好,兩幫及頂板未發(fā)生剝落和失穩(wěn)現(xiàn)象,可為采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

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