焦家金矿破碎矿体采场进路的跨度优化研究

刘 冬 金长宇 夏自锋 东龙宾 赵潘潘

(深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳110819)

采场围岩的稳定性关系到矿山安全生产及经济效益，同时也是选择采矿方法和地压控制方法的主要依据之一。采场围岩的失稳，通常以顶板变形为最初的表现形式，随着回采工作的推进，采场规模及形状在时间和空间上不断变化，造成采场周围应力场也处于经常变化之中，破坏了岩体原有的物理力学平衡状态，使得围岩松弛，最终导致采场顶板岩体冒落、跨塌等失稳现象［1-5］。因此，加强采场岩体稳定性的研究，是采矿过程中的一个重要环节。焦家金矿－390 m中段现为主要回采中段，该中段矿体总体走向NE54°，倾向NW，倾角26°左右，厚度10～20 m，为缓倾斜矿体，厚度为中厚。矿体属于含金黄铁矿化、黄铁绢英岩化破碎蚀变岩型，矿体赋矿岩石主要为黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗岩、硅化花岗岩。矿体上盘与围岩为断层接触关系，界线明显;而矿体下盘与围岩呈渐变过渡关系，无明显的边界线。采场内岩石稳固性中等，节理裂隙的交汇部位，岩石比较破碎，其稳固性相对较差，极易形成三角冒落。该中段采用上向水平分层进路充填采矿方法，采场进路沿矿体走向布置，进路规格为3.5 m×3.5 m，由于进路规格小，严重制约矿山生产能力，使矿山生产效率低下。因此，科学地确定出合理的采场跨度，对实现焦家金矿的安全、高效开采，增大其资源利用率，增加其经济效益具有重大意义。

1 数值计算模型的建立

1.1 试验采场

本次试验采场设置在－390 m中段，为了获得钻孔摄像、声波测试结果，以及了解试验采场的地质条件及岩石力学性质，在试验采场共设置了6个地质钻孔，钻孔平均长度30 m，分布在矿体及上下盘围岩中，1和4号钻孔处于矿体下盘，2，3和5号钻孔处于矿体中。试验采场的矿体分布及钻孔布置方位如图1所示。

图1 焦家金矿试验采场矿体模型及钻孔方位Fig.1 The ore body m odel and drilling orientation diagram of Jiaojia Gold M ine test stope

综合运用3GSM、钻孔摄像与声波测试手段确定出试验采场内进路的结构面分布结果如图2所示。

图2 焦家金矿试验采场内进路结构面分布Fig.2 Discontinuity distribution of Jiaojia Gold M ine test stope

1.2 离散元模型

根据岩体表面节理裂隙调查结果、钻孔摄像以及声波测试结果，建立三维离散元模型。模型左右边界约束x方向位移，下边界约束x、y、z三方向位移，前后边界约束y方向位移，上边界为无约束，施加上覆岩层重力。对于岩体参数，通过室内岩石力学试验，得到如表1所示的岩体参数。

表1 试验采场岩体参数取值Table1 Value selection of rock mass parameters in the test stope

利用经验公式(1)对采场结构面刚度参数进行估算:

式中，Kn为结构面法向刚度;Ks为结构面切向刚度;tj为结构面厚度，一般为tj=0.1～0.6 m;Ej为充填物质的变形模量，Gj为充填物质的剪切模量。并且参考其他工程，确定了焦家金矿试验采场内进路结构面的计算参数，如表2所示。

表2 试验采场进路结构面参数取值Table2 Value selection of rock mass discontinuity parameters

2 不同跨度下进路围岩稳定性分析

2.1 变形场分析

经数值模拟计算结果可以得到采场进路顶板、底板位移与采场跨度曲线，如图3(a)、图3(b)所示。

采场跨度为3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 m时，围岩均较稳定，变形场基本左右对称，顶底板位移均随着采场跨度的增加成指数形式增加，此时受岩体结构面影响较小，当采场跨度为8.5 m时，顶底板位移显著增大，采场顶板发生冒落，此时采场主要受岩体结构面的影响，围岩不稳定，需要及时进行支护，如图4、图5所示。

2.2 应力场分析

当采场跨度小于8.5 m时，采场开挖后均稳定，最大主应力主要集中在顶板边角处，左右边墙部分位置出现应力松弛，底板出现较多拉应力。当采场跨度为8.5 m时，采场开挖后已经发生顶板冒落，最大主应力主要集中在采场四周部分裂隙处，采场四周大量出现应力松弛，即存在大量不稳定块体，有冒落的趋势。采场四周大量出现拉应力，最大约为0.50 MPa，如图6所示，其中虚线所示为原来采场进路。

图3 采场进路顶板、底板位移与采场跨度曲线Fig.3 Relationship curves of the displacement of route roof and floor and the stope span

图4 采场进路跨度为7.5 m时围岩变形结果Fig.4 Results of surrounding rock deformation in the span of 7.5 m

2.3 节理变形分析

经计算得到如图7(a)、图7(b)所示为采场开挖后节理切向速度、法向速度随采场跨度的变化曲线。根据结果可以看到，当采场跨为小于8.5 m时，采场开挖后较稳定，节理的切向速度、法向速度都随着采场跨度的增加而成指数形式增加。当采场跨度增加至8.5 m时，采场进路发生坍塌，大量块体脱离顶板，节理切向速度矢量和法向速度矢量图如图8所示，其中实线所示为原来采场进路。

图5 采场进路跨度为8.5 m时围岩变形结果Fig.5 Results of surrounding rock deformation in the span of 8.5 m

图6 采场进路跨度为8.5 m时应力云图Fig.6 Stress contour in the span of 8.5 m

3 结论

采用离散元数值模拟方法，通过变形、应力和节理变形等多角度分析了焦家金矿试验采场不同跨度下开挖过程中的基本力学行为规律。

根据以上数值计算分析，采场开挖后围岩变形矢量都指向临空面，采场顶板和边墙的位移都随着采场跨度的增大而增大，从图4(a)中可以看到，在采场稳定的前提下，顶板最大位移约5.0 mm左右，当跨度增至8.5 m时，如图5(a)所示，顶板发生冒落，采场已不稳定。

图7 节理变形速度与采场跨度曲线Fig.7 Relationship curves of joint deformation velocity and stope span

图8 采场进路跨度为8.5 m时节理变形速度矢量Fig.8 Contour of joint deformation velocity vector in the span of 8.5 m

围岩二次应力场中应力较集中的地方主要位于采场顶板左右边角处，经计算分析，在采场稳定的前提下，最大集中应力随着采场跨度的增大而增大，从图6(a)、(b)中可以看到，当跨度增至8.5m时，采场四周出现大量应力松弛，顶板发生冒落，采场四周大量出现拉应力，最大可达0.5 MPa，此时采场稳定性已经主要受岩体结构面控制，在拉应力的作用下，大量节理发生张开，导致采场不稳定。

节理的剪切变形和法向变形都集中在顶板上方，节理的剪切位移速度和法向位移速度都随着采场跨度的增大而增大。从图7(a)、(b)中可以看到，在采场稳定前提下，节理剪切位移速度最大值约为0.86 mm/s，法向位移速度最大值约为0.81 mm/s;当跨度增至8.5 m时，顶板发生冒落，节理张开、滑动，大量块体冒落并脱离顶板，此时采场需要支护以维持稳定。

基于以上数值计算结果分析可知，当采场跨度小于8.5 m时，采场开挖后较为稳定;当采场跨度增至8.5 m时，采场围岩稳定性问题相当突出，顶板发生冒落，节理发生张开和滑动，需要在节理裂隙发育处加强支护，因此不建议将跨度增至8.5 m，宜在7.5 m左右。经过现场实际施工情况对比，现场实际开挖进路最大跨度为7.5 m，如图1中所标示进路跨度，与本研究所得结果一致，进而验证了本研究的正确性。

［1］ 黄英华，徐必根，吴亚斌.基于Mathew稳定图的采场顶板持续冒落临界阈值研究［J］.中国矿业，2012，21(2):122-126.

Huang Yinghua，Xu Bigen，Wu Yabin.Study on the critical value of stope roof continuous collapse be based upon Mathew stability graph［J］.China Mining Magazine，2012，21(2):122-126.

［2］ 高 谦，明士祥，任天贵.开采深埋和软弱围岩的缓倾斜矿体采场巷道的稳定性［J］.有色矿山，1994(2):6-9.

Gao Qian，Ming Shixiang，Ren Tiangui.Study on the stability ofstope in the gently inclined ore body condition［J］.Nonferrous Mines，1994(2):6-9.

［3］ 蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京:科学出版社，2002.

Cai Meifeng.Rock Mechanics and Engineering［M］.Beijing:Science Press，2002.

［4］ 江兴元，史俊伟，张兴国，等.尾砂充填连续开采采场顶板稳定性数值分析［J］.金属矿山，2011(11):37-40.

Jiang Xingyuan，Shi Junwei，Zhang Xinguo，et al.Numerical analysis on roof stability in continuous mill tailings filling stope［J］.Metal Mine，2011(11):37-40.

［5］ 王国富，张超凡，张法全，等.分段采矿法采场稳定性分析［J］.金属矿山，2011(9):65-67.

Wang Guofu，Zhang Chaofan，Zhang Faquan，et al.Stope stability analysis for the sublevelminingmethod［J］.Metal Mine，2011(9): 65-67.