某矿区工程稳定性分级方法及其在巷道支护中的应用

2013-08-25许梦国王明旭甘仕伟陈顺满

金属矿山 2013年4期

许梦国王明旭王平，2 甘仕伟陈顺满雒凯

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.华中科技大学土木工程与力学学院)

地压问题一直是影响地下开采安全的主要因素之一。在地下开采过程中，原岩平衡状态遭到破坏，导致矿岩体应力场重新分布。在不同的地质环境下会产生不同的地压显现影响，特别是处于较差地质环境中的巷道易变形，甚至被围岩挤压破坏，严重影响井下安全。本研究深入某矿山井下进行地质调研，结合矿山地质资料，依据岩体分级方法对所研究区域进行岩体分级。同时利用数值模拟方法建立采区的数值模型，得出了所研究水平的安全系数分布情况，也得到了所研究水平的安全系数分级区域图。将这2种分级区域图叠加，得出了一种新的工程稳定性分级方法，指导矿山井下的巷道支护工作。这样一种方法弥补了岩体分级方法和数值模拟得出的安全系数分级方法两者各自存在的不足，大大提高了井下巷道支护的准确性。

1 岩体分级

某矿位于长江中下游铁铜成矿带西端，属于接触交代矽卡岩型矿床。矿体上盘主要为闪长岩、大理岩和矽卡岩，下盘主要为斑状花岗岩和矽卡岩，上下盘之间夹有变质岩体，矿体平均厚度53 m，平均倾角46°。矿体以15号勘探线为界分为东区和西区2个矿区。目前该矿采用无底柱分段崩落法，－430 m以上的3个水平正在进行回采作业，－430 m水平已开拓完毕，正在进行采准巷道的掘进。通过矿山提供的E0至E11和W0至W49勘探线的地质剖面图作出了－430 m水平的岩体分布区域图，见图1。

对该铁矿主要存在的5种岩体进行了RMR分级和Q分级。将2种分级方法结合得出了综合的岩体分级结果，见表1。在2种岩体分级结果的比较中，RMR分级和Q分级虽然是2种不同的岩体分级方法，在对岩体对象进行分级时所考虑的因素存在一些差异，但它们之间也存在量值关系。1976年，Bieniawski［1］在大量实测统计的基础上，发现了RMR值和Q值之间的关系，即RMR=9lg Q+44。1993年，Barton［2］提出了修正后的RMR值与Q值的关系，即RMR=15lg Q+50。

表1 综合岩体分级结果

利用前述所得的5种岩体综合分级结果在－430 m水平的应用，画出了－430 m水平的岩体分级区域图，如图2。Ⅱ级岩体分布主要在－430 m水平的矿体西区，大致从26#进路到52#进路区域。Ⅲ级岩体主要分布在大理岩的区域、东西区结合带到西区26#进路之间的区域和矿体上下盘围岩区域以及矿体东区1#进路到19#进路的区域。Ⅳ级岩体分布主要在东西结合带至东区19#进路的区域、矽卡岩存在的区域以及东区端部围岩存在很多断层和四种岩体相互接触的地带。通过岩体分级区域图的显示，可以清晰知道－430 m水平各个区域的岩体状况和适合采用的支护方法，为巷道的稳定和－430 m水平采准巷道作业的完成提供保证。

2 数值模拟

为了进一步明确研究区域的岩体分布情况，除了结合矿山提供的有关地质资料外，还对所研究区域进行了相应的地质调查，并取样进行了相应的岩石物理力学性质实验。为模拟的方便，对实验结果进行了适当处理，确定了研究区域的岩石模拟涉及的物理力学参数，见表2。

通过相应的地质资料，画出了各水平的矿体分布区域图，从AutoCAD导出矿体分布边界的ACIS文件，再用Import将其导入Workbench中，通过construction point进行图形描摹，再用曲线连接并拟合，从而得出了数值模拟软件中的各个水平的矿体分布图。该铁矿矿体走向长1 840 m，宽度50～414 m，为了更好符合圣维南原理的要求，将数值模型尺寸定为8 000 m×8 000 m×3 000 m。在 ANSYS软件Workbench界面中建立了不同矿岩体，进行了相应的材料物理力学参数的赋值。该模型上边界为自由边界，下边界取全约束位移边界条件，模型前后边界采用Y方向约束，左右边界采用X方向约束。

表2 典型矿岩物理力学参数

划分网格时，大模型的网格尺寸为300 m，矿体的尺寸为30 m，塌陷体、断层和开挖体的尺寸都为50 m，研究区域的网格划分较密，其他部位稀疏。网格划分完毕共有464 150个单元，655 996个节点，见图3。为了确保网格划分的质量，选用了偏度skewness监视，mesh metric平均为0.291，质量处于较好的区间，网格质量与数量分配如图4所示。

图3 ANSYS网格模型

图4 网格质量与数量分配

根据矿山开采技术的进步，结合矿山截止品位的变化，将矿体边界线进行了一定程度的扩展。塌陷体一直延伸到－360 m水平，－375 m水平和－395 m水平基本已经回采完毕，正在进行－410 m水平的回采工作和－430 m水平的采准工作。

安全率是指由Mohr－Coulomb强度准则所决定的极限应力状态与实际应力状态的比值［3］。将安全系数按取值范围分为5个级别，见表3。在安全系数级别Ⅳ中，由于巷道稳定较差，顶板冒顶现象时有发生，有的冒顶现象还比较严重，给井下安全生产带来了不利影响。对于这样的区域，使用喷锚网支护，支护成本高，耗时长，如果使用锚杆联系链［4］，支护方便，成本较低，联系链与喷层共同作用对顶板和侧帮起到了很好支护作用，大大减少了顶板冒落和片帮的发生。

图5是通过数值模拟建立的－430 m水平的安全系数分布区域图。从该图可以看出－430 m水平的安全系数较小的地方主要分布在矿体东西区结合带、东西区与上下盘的结合带以及东区靠近东西区结合带的区域。其中东区靠近东西结合带的区域也是矿山现场界定的高应力区。图6是对应于布置有－430 m水平采准巷道的安全系数分级区域图。

表3 岩体分级与巷道支护方式的对应

图5 －430 m水平的安全系数分级区域图

图6 对应巷道布置的安全系数分级区域图

3 工程稳定性分级方法及其应用

工程稳定性分级方法就是将岩体分级与数值模拟得出的安全系数分级综合考虑形成的一种新的分级，以此分级指导井下巷道支护，维护巷道稳定性。具体是指将某水平的岩体分级区域图与安全系数分级区域图叠加形成的一种新的工程稳定性分级，依据新的工程稳定性分级制定不同工程稳定性分级下的巷道支护方法。表6是2种分级方法叠加所对应的工程稳定性分级以及相应的支护方法。图7是某矿区－430 m水平岩体分级区域图与安全系数分级区域图的叠加图。叠加的不同类型与表4对照，从而确定了某处所需的巷道支护方法。