黄金洞金矿断层破碎带内矿体开采岩层控制技术应用研究

李伟明，王阡，王翔，宋阳，胡军伟，刘钊君

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.临沂会宝岭铁矿有限公司， 山东 临沂市 277712)

黄金洞金矿位于平浏大断裂东侧，复向斜北翼的东西向与北北东向构造交汇部位。主要构造形迹为北西西向倒转复式背向斜构造，并形成一系列大致平行其轴向的断层挤压破碎带，这些挤压破碎带呈东西向或呈北西西至南东东向展布，成群成组控制金矿产出。区域变质主要有蚀变类型和裂隙式热液蚀变类型两种。区内皱褶断裂构造发育，断层破碎带主要为蚀变破碎板岩及石英脉。断层破碎带顶、底板节理发育，断层破碎带宽 0.2～21 m，断层两盘均为冷家溪群板岩。

1 矿体开采技术条件

黄金洞金矿有两种不同开采技术条件类型的矿体。

（1）金塘坑口的 1号脉。该中段内矿体属于缓倾斜的薄矿体，矿体平均厚度为2 m左右，倾角为10°～30°，下部偏缓只有10°左右，上部偏陡达到约30°。矿体和围岩界限明显，矿体金品位为1～2 g/t。

（2）华家湾坑口的 3号脉。该处矿体为倾斜矿体，为一典型石英脉型含矿类型，围岩为板岩类型，矿体厚度为2～3 m，局部少量达到4 m，矿体倾角为40°～50°，金矿品位为3.5～5 g/t，上盘破碎带品位为1.5 g/t。

该矿板岩为良好隔水层，地表水体、第四系孔隙水对矿床充水有间接影响，确定该矿床水文地质属简单类型。

通过对该矿岩体的工程地质调查和岩石力学参数测试，最终确定矿区各岩体工程地质条件类型见表1。

表1 矿区岩体分级汇总

2 推荐的采矿方法及采场结构参数

通过对比分析，推荐金塘坑口的1号脉采用倾斜分条全面采矿法；推荐华家湾坑口的3号脉采用上向水平分层充填采矿法。

根据前述矿体和围岩的基本稳定性条件，并结合现场的实际情况，矿体呈脉状产出，厚度不大且较破碎，矿体的围岩均为板岩。一般来说，无支护地下工程的稳定性取决于极限暴露面积；采用Mathews图解法[1-3]，针对不同岩性进行容许极限跨度计算，上盘极限情况下水力半径[4-6]的计算结果见表2。

表2 基于稳定区的各岩性采场上盘水力半径

3 采场内岩层控制技术研究

3.1 长锚索支护参数计算

普氏松散体理论[7]认为在采场顶部（或巷道顶部）会形成自然平衡拱（即冒落拱，如图1所示），在这个拱内矿岩的重力即为作用在设计的长锚索上的力。采用普氏公式分别计算华家湾坑口3号脉，金塘坑口1号脉的平均单位面积的压力、悬吊锚索的根数、单锚索可控制面积，以此最终确定各锚索支护参数。

图1 采场顶部的自然平衡拱

（1）长锚索长度[1-3]。在考虑穿孔设备、送绳方式及注浆方式等条件下，最终按组合悬吊作用和等强度原则，选取长锚索长度为5～8 m。

（2）锚索直径。锚索直径一般为15～25 mm，破断力在120～350 kN之间。

（3）砂浆配比。砂浆采用水泥为42.5 普通硅酸盐水泥，砂子为中砂和细砂，参照传统经验确定水灰比为0.4，灰砂比为1:2。

3.2 锚杆支护参数计算

综合分析国内外关于锚杆参数的经验数据和规定，按加固拱原理确定锚杆参数，对于跨度小于10 m的巷道、硐室，可按经验公式确定锚杆参数。

（1）锚杆长度L可依据工程经验采用公式（1）进行计算：

式中，W为巷道或硐室跨度，m；N为围岩稳定量影响系数。其中，Ⅱ类（稳定性较好）围岩，N=0.9；III类（中等稳定）围岩，N=1.0；Ⅳ类（稳定性较差）围岩，N=1.1；IⅤ类（不稳定）围岩，N=1.2。代入式（1），可得，华家湾上盘板岩锚杆长度为1.9 m；华家湾下盘板岩锚杆长度为1.7 m；金塘上盘板岩锚杆长度为1.7 m。

（2）锚杆间（排）距D：

则，华家湾上盘板岩锚杆间（排）距不大于0.95 m；华家湾下盘板岩锚杆间（排）距不大于0.85 m；金塘上盘板岩锚杆间（排）距不大于0.85 m。

（3）锚杆直径d：

则，华家湾上盘板岩锚杆直径为 0.017 m；华家湾下盘板岩锚杆直径为 0.015 m；金塘上盘板岩锚杆直径为0.015 m。

综合得出矿体顶板的支护参数为：锚杆长度应大于1.9 m，锚杆间距为0.95 m以内，锚杆直径应大于17 mm。

4 采场支护后跨度模拟

基于上述计算的岩层控制支护参数，对岩体最大可暴露的跨度进行研究，以确定[7-8]采场结构参数。

采用FLAC3D软件对巷道在无支护条件下和不同支护形式下的应力、变形、位移分布等情况分别进行模拟和对比分析。部分模拟结果见图2至图7。

图7 金塘上盘板岩锚索支护下跨度9.00 m时的应力、位移云图

4.1 华家湾上盘板岩

4.1.1 华家湾上盘板岩锚杆支护

华家湾上盘板岩在锚杆支护与无支护条件下的应力分布规律表明，跨度为2.59 m、无支护时，最大主应力分布在采场的四角，最大主应力为25.20 MPa，最小主应力为9.50 MPa；跨度为2.59 m、锚杆支护时最大主应力为37.50 MPa，最小主应力为13.00 MPa；跨度为3.00 m、锚杆支护时，最大主应力为57.50 MPa，最小主应力为12.35 MPa，见图2（a）、图2（b）；跨度为3.50 m、锚杆支护时，最大主应力为36.00 MPa，最小主应力为10.50 MPa。采场周边应力分布呈现出不同现象，采场四角为应力集中区域，而采场侧帮和顶底板中央为应力释放区。

图2 华家湾上盘板岩锚杆支护下跨度3.00 m时的应力、位移云图

竖向位移分布规律表明，跨度为2.59 m、无支护时，顶板最大位移为1.70 cm；跨度为2.59 m、锚杆支护时，顶板最大位移为1.20 cm；跨度为3.00 m、锚杆支护时，顶板最大位移为2.25 cm，见图2（d）；跨度为3.50 m、锚杆支护时，顶板最大位移为 3.00 cm。岩体开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在开挖面顶板位置，侧帮位移量较小。

从数值分析的结果来看，锚杆支护后比无支护下竖向位移降低，随着跨度增大，在支护条件下[6-7]顶板位移增大，符合实际情况，因此在锚杆支护下推荐华家湾上盘板岩跨度为3.00 m。

4.1.2 华家湾上盘板岩锚索支护

华家湾上盘板岩锚索支护下的应力分布规律表明，跨度为3.00 m、锚索支护时，最大主应力为57.50 MPa，最小主应力为12.35 MPa；跨度为3.50 m、锚索支护时，最大主应力为36.00 MPa，最小主应力为 10.50 MPa，见图3（a）、3（b）；跨度为 4.00 m、锚索支护时，最大主应力为28.00 MPa，最小主应力为10.50 MPa。采场周边应力分布呈现出不同现象，采场四角为应力集中区域，而采场侧帮和顶底板中央为应力释放区[8]。

图3 华家湾上盘板岩锚索支护下跨度3.50 m时的应力、位移云图

竖向位移分布规律表明，跨度为3.00 m、锚索支护时，顶板最大位移为2.25 cm；跨度为3.50 m、锚索支护时，顶板最大位移为2.55 cm，见图3（d）；跨度为4.00 m、锚索支护时，顶板最大位移为2.85 cm。岩体开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在开挖面顶板位置，侧帮位移量较小。

从数值分析的结果来看，锚索支护后，随着跨度增大，顶板位移增大，与理论符合，因此在锚索支护下，推荐华家湾上盘板岩跨度为3.50 m。

4.2 华家湾下盘板岩

4.2.1 华家湾下盘板岩锚杆支护

华家湾下盘板岩锚杆支护和无支护条件下的应力分布规律表明，跨度为8.17 m、无支护时，最大主应力分布在采场的侧帮以及四角，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为11.60 MPa；跨度为8.17 m、锚杆支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为11.40 MPa；跨度为8.50 m、锚杆支护时，最大主应力为26.00 MPa，最小主应力为10.00 MPa，见图4（a）、4（b）；跨度为9.00 m、锚杆支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为10.45 MPa。采场周边应力分布呈现出不同现象，采场四角为应力集中区域，而采场侧帮和顶底板中央为应力释放区。

图4 华家湾下盘板岩锚杆支护下跨度8.50 m时的应力、位移云图

竖向位移分布规律表明，跨度为8.17 m、无支护时，顶板最大位移为3.20 cm；跨度为8.17 m、锚杆支护时，顶板最大位移为3.00 cm；跨度为8.50m、锚杆支护时，顶板最大位移为3.20 cm，见图4（d）；跨度为9.00 m、锚杆支护时，顶板最大位移为 3.45 cm。岩体开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在开挖面顶板中央位置，侧帮位移量较小[4]。

从数值分析的结果来看，锚杆支护后竖向位移比无支护时降低，随着跨度增大，在支护条件下，顶板位移增大，符合实际情况，因此在锚杆支护下推荐华家湾下盘板岩跨度为8.5 m。

4.2.2 华家湾下盘板岩锚索支护

华家湾下盘板岩锚索支护下的应力分布规律表明，跨度为8.50 m、锚索支护时，最大主应力为25.00 MPa，最小主应力为10.00 MPa；跨度为9.00 m、锚索支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为10.45 MPa，见图5（a）、图5（b）；跨度为9.50 m、锚索支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为11.45 MPa。采场周边应力分布呈现出不同现象，采场四角为应力集中区域，而采场侧帮和顶底板中央为应力释放区。

图5 华家湾下盘板岩锚索支护下跨度9.00 m时的应力、位移云图

竖向位移分布规律表明，跨度为8.50 m、锚索支护时，顶板最大位移为3.20 cm；跨度为9.00 m、锚索支护时，顶板最大位移为3.40 cm，见图5（d）；跨度为9.50 m、锚索支护时，顶板最大位移为3.40 cm，但最大位移区域增大。岩体开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在开挖面顶板位置，侧帮位移量较小[8]。

从数值分析的结果来看，锚索支护后随着跨度增大，顶板位移增大，与理论符合，因此在锚索支护下，推荐华家湾下盘板岩跨度为9.00 m。

4.3 金塘上盘板岩

4.3.1 金塘上盘板岩锚杆支护

金塘上盘板岩在锚杆支护和无支护条件下的应力分布规律表明，跨度为8.19 m、无支护时，最大主应力分布在采场的侧帮以及四个角，最大为34.50 MPa，最小主应力为10.50 MPa；跨度为8.19 m、锚杆支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为9.50 MPa；跨度为8.50 m、锚杆支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为9.50 MPa，见图6（a）、图6（b）；跨度为9.00 m、锚杆支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为10.50 MPa。采场周边应力分布呈现出不同现象，采场四角为应力集中区域，而采场侧帮和顶底板中央为应力释放区。

图6 金塘上盘板岩锚杆支护下跨度8.50 m时的应力、位移云图

竖向位移分布规律表明，跨度为8.19 m、无支护时，顶板最大位移为2.10 cm；跨度为8.19 m、锚杆支护时，顶板最大位移为1.95 cm；跨度为8.50 m、锚杆支护时，顶板最大位移为2.10 cm，图6（d）；跨度为9.00 m、锚杆支护时，顶板最大位移为2.10 cm。岩体开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在开挖面顶板中央位置，侧帮位移量较小。

从数值分析的结果来看，锚杆支护后比无支护时，竖向位移降低，随着跨度增大，在支护条件下，锚杆数量增多，因此在锚杆支护下推荐金塘上盘板岩跨度为8.5 m。

4.3.2 金塘上盘板岩锚索支护

金塘上盘板岩锚索支护下的应力分布规律表明，跨度为8.50 m、锚索支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为9.50 MPa；跨度为9.00 m、锚索支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为10.50 MPa，见图7（a）、图7（b）；跨度为9.50 m、锚索支护时，最大主应力为34.50 MPa，最小主应力为10.45 MPa。采场周边应力分布呈现出不同现象，采场四角为应力集中区域，而采场顶底板中央为应力释放区。

竖向位移分布规律表明，跨度为8.50 m、锚索支护时，顶板最大位移为2.10 cm；跨度为9.00 m、锚索支护时，顶板最大位移为2.25 cm，见图7（d）；跨度为9.50 m、锚索支护时，顶板最大位移为2.25 cm，但最大位移区域增大。岩体开挖后，巷道周边位移量较小，最大位移发生在开挖面顶板位置，侧帮位移量较小。

从数值分析的结果来看，锚索支护后随着跨度增大，顶板位移增大，与理论符合，因此在锚索支护下推荐金塘上盘板岩跨度为9.00 m。

5 结论

（1）通过多类型岩体分级法得出，华家湾下盘板岩和金塘上盘板岩为II级岩体。

（2）利用Mathews稳定性图解法对矿岩体的容许安全跨度进行了计算，得出华家湾上盘板岩安全跨度为2.59 m；华家湾下盘板岩安全跨度为8.17 m；金塘上盘板岩安全跨度为8.19 m；华家湾矿体安全跨度为1.37 m；金塘矿体安全跨度为8.19 m。锚索直径为15 mm，锚索长度为5 m，网度为4.33；锚杆直径为17 mm，锚杆长度不小于1.9 m，间距为0.95 m。锚索加固配合锚杆使用。

（3）根据FLAC3D数值模拟结果，并综合考虑位移、安全性与支护成本的相互制约关系，推荐支护条件下：华家湾上盘板岩锚杆支护下跨度为3 m，锚索支护下跨度为 3.5 m；华家湾下盘板岩锚杆支护下跨度为8.5 m，锚索支护下跨度为9 m；金塘上盘板岩锚杆支护下跨度为8.5 m，锚索支护下跨度为9 m。