基于岩体质量和稳定性分析的采场跨度优化

薛田喜，李守奎，李 军

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿； 2.北京科技大学土木与资源工程学院)

引 言

地下工程未开挖前，原岩应力处于自然平衡状态。开挖后，所形成的采空区破坏了原岩的自然平衡状态，导致岩体应力重新分布。随着开采的推进，采场每回采一个分层都会使原岩应力改变其原有的分布状态而产生新的应力场。矿体的开采扰动引起采场应力重新分布而出现局部应力集中，顶板沉降和两帮变形会引起局部区域塑性破坏，对采场安全性影响极大，而不同的采场跨度对于围岩位移与应力变化规律有不同程度的影响，合理的采场结构参数是提高生产效率，确保矿山安全的重要前提[1-2]。对于采场结构参数优化的研究，李江等[3]对大尹格庄金矿8204采场岩体质量进行评价，应用图表法和数值模拟对采场尺寸和最大跨度进行优化。王金波等[4-6]根据矿山岩体质量指标，利用Mathews稳定图法对试验采场跨度进行稳定性分析，对采场的参数进行优化。李楠[7]利用试验测定的散体流动参数和“三分段回采”原则，分析计算小汪沟铁矿无底柱分段崩落采矿法采场结构参数的合理值；借助图形分析法确定崩矿步距与下盘岩石开掘高度的初始值。刘洋树等[8]采用室内相似模型试验研究了采用不同结构参数的VCR采矿法采场的稳定性。郭亮等[9]针对采场稳定性问题，采用数值模拟的手段对采场结构参数进行优化，从开采过程中矿岩的位移、应力和塑性区等方面进行了详细分析。梁胜增等[10]采用Flac3D数值模拟软件,建立了三维数值计算模型,根据岩石力学试验结果和现场地应力实测资料施加合理的初始条件,对矿体的回采顺序进行模拟研究。由此可见，研究不同采场跨度对采场应力、位移的影响，总结开采过程中整个采场应力和位移的变化规律对实现安全开采和有针对性的采场支护具有指导意义。

1 工程背景

某矿区主要构造为上盘的主断裂，矿体赋存于主断裂下盘蚀变带内。矿体整体走向NE54°，倾向NW，倾角27°左右。矿体水平厚度2～70 m，104勘探线附近最厚,为70 m，两翼逐渐变薄至10 m以下。矿体类型属于含金黄铁矿化、黄铁绢英岩化破碎蚀变岩型，矿体上盘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，无明显界线。矿体上盘围岩为斜长角闪岩，稳固性差，暴露面积较大或滞留时间较长、易发生塌落。矿体下盘为绢英岩化、硅化和钾化花岗岩，其内也发育有相互交错的节理裂隙。

该矿山主要的采矿方法为上向进路式胶结充填采矿法。采矿方法是矿山开采的核心内容，采场跨度是采矿方法研究的重点，合适的采场跨度能够使矿山实现低成本、高效益、可持续的发展。该矿山多年来采场跨度一直保持在3.5 m×3.5 m，随着生产任务的逐年上调，开采深度逐渐加深，进行采场跨度的优化调整势在必行。

2 围岩结构面调查

采用人工测量和SIROVISION三维岩体不接触测量技术，对深度为1 000 m左右的矿体及上、下盘围岩典型区域进行节理裂隙扫描测量，统计节理裂隙分布规律并进行优势节理划分，结果见图1～3。

图1 矿体三维结构模型与优势节理划分

图2 矿体上盘围岩三维结构模型与优势节理划分

图3 矿体下盘围岩三维结构模型与优势节理划分

从扫描结果及优势节理划分来看，矿体及上、下盘围岩节理均较发育，岩体完整性较差。

3 岩体质量GSI分级

在评价岩体的地质强度指标GSI时，通过“岩体结构级度(SR)”和“岩体表面条件等级(SCR)”来描述岩体的非连续性和岩体结构的表面条件，实现节理化岩体结构的定量化描述，从而获取精确的GSI值。

岩体表面条件等级(SCR)是由粗糙度级别(Rc)、风化程度级别(Rw)和充填胶结程度级别(Rf)通过下式计算得到的：

SCR=Rc+Rw+Rf

(1)

半对数图表(见图4)可以估计出岩体体积节理数(Jv)所对应的岩体结构级度(SR)值。

图4 半对数图表

通过对照分析可以得出,矿体与上、下盘围岩的GSI分级结果，见表1。

表1 矿体与上、下盘围岩的GSI分级结果

4 基于GSI指标的Hoek-Brown经验强度折减

Hoek-Brown准则在岩体力学参数的折减研究中最为著名，被广泛应用于边坡工程、隧道硐室及水利水电工程中，将岩体的地质环境(岩体结构特性、表面粗糙度等)包含在原有的理论中，即GSI，得出了岩块和岩体破坏时主应力之间的关系为：

(2)

式中：σ1为破坏时的最大主应力(MPa)；σ3为作用在岩石试样上的最小主应力(MPa)；σc为完整岩块的单轴抗压强度(MPa)；m，s分别为与岩性及结构面情况有关的经验参数。

(3)

(4)

式中：mi为岩体完整性系数，可以查表获得。

令σ3=0，可得岩体的单轴抗压强度(σmc)为：

(5)

岩体的单轴抗拉强度(σmτ)为：

(6)

岩体弹性模量(Em)可用下式进行估算：

(7)

岩体的内聚力(Cm)和内摩擦角(φm)计算公式为：

Cm=Aσc(-T)B

(8)

(9)

式中：A、B、T均为经验常数,具体取值可参考文献[11]。

泊松比(μm)计算公式为：

μm=0.25(1+e-0.25σmc)

(10)

经计算，矿体与上、下盘围岩的岩体力学参数见表2。

表2 矿体与上、下盘围岩的岩体力学参数

5 不同跨度采场稳定性模拟分析

5.1 数值模型

运用Flac3D数值模拟软件建立数值计算模型，模型坐标系以矿体走向为y轴，矿体厚度方向为x轴，铅垂方向为z轴。计算模型在x方向上的长度为50 m，y方向上的长度为50 m，z方向上的高度为50 m，共划分108 329个单元，20 256个节点。根据现场工程地质及水文条件，模型共分为3个大组，分别为上盘岩体组、下盘岩体组及矿体组，计算模型见图5。

图5 计算模型

5.2 边界条件

岩体力学参数依据参数折减得到的数据，在模型上边界施加垂直载荷约为28.64 MPa，最大水平主应力为35.63 MPa(y轴方向)，最小水平主应力为17.25 MPa(x轴方向)。

5.3 不同采场跨度时围岩位移变化规律

分别模拟3 m、4 m、5 m、6 m共4种采场跨度，各采场围岩的竖向位移云图见图6。对比不同采场跨度的岩体总体位移可以看出，各采场跨度的顶板下移量分别为17.8 mm、28.3 mm、30.5 mm、40.0 mm，底板上移量分别为10.1 mm、13.5 mm、16.9 mm、23.5 mm。

图6 不同采场跨度时围岩竖向位移云图

从图6可以看出：采场跨度在4 m以内时，随采场跨度的增加，顶板位移和底鼓变化量较小；当采场跨度大于4 m时，位移变化量增大；采场跨度为4 m时，两帮位移变化量在开挖过程中出现一定的波动，最大波动范围在3.5 mm左右；随着采场跨度逐渐增大到6 m时，这种波动越来越显著，最大波动超过了6.0 mm，由此导致采场两帮围岩出现片帮和剥落现象。

5.4 不同采场跨度时围岩应力变化规律

采场开挖引起应力扰动，不同采场跨度时，采场应力集中、最大主应力、剪应力等引起的潜在破坏区域和破坏程度各不相同。不同采场跨度时采场开挖完成后的最大主应力分布云图见图7。

图7 不同采场跨度时最大主应力分布云图

从图7可以看出：开采引起采场最大主应力的释放。采场中最大主应力值随采场跨度的增大而增加，最大主应力值分别为49.4 MPa、54.7 MPa、56.6 MPa、62.2 MPa，采场围岩应力集中随采场跨度增大而愈发明显，但进路周边围岩的应力值却呈现降低的趋势，导致矿区围岩的应力差值逐渐增大，采场围岩破坏程度增大。

5.5 不同采场跨度时围岩塑性区变化规律

不同采场跨度下的岩体塑性区发展情况见图8。当采场跨度为3 m时，第一步开采的塑性区扩展深度约为2.0 m，两进路塑性区并未完全贯通；当采场跨度为4 m时，塑性区扩展深度约为2.5 m；当采场跨度为5 m时，塑性区扩展深度约为3.5 m，此时两进路塑性区已经完全贯通；当采场跨度为6 m时，塑性区扩展深度约为5.0 m。综合上述分析，可以看出采场跨度超过5 m后，塑性区扩展范围明显增大。

图8 不同采场跨度时的岩体塑性区发展情况

上述结果表明:当采场跨度大于5 m时，采场围岩开始表现不稳定状态，采场两帮围岩呈现剥落状态，进路之间塑性区开始贯通，建议采场跨度控制在5 m左右，采场顶板与两帮围岩在短时间内较为稳定，未出现大面积的破坏与失稳，可以满足充填采矿工艺的要求。

6 结 论

1)针对深部采场巷道开展结构面调查与岩体质量GSI分级，结果表明，矿体及上、下盘围岩节理构造均较发育，岩体完整性较差。

2)依据GSI分级结果分别对矿体及上、下盘围岩进行岩体参数折减，得到的岩体力学参数与完整岩体相比损失较大。

3)采场跨度为4 m以内时，随采场跨度的增加，顶板位移和底鼓变化稳定；当采场跨度大于4 m时，位移变化量增大。

4)采场围岩应力集中随采场跨度增大而明显，采场围岩破坏程度增大，且采场跨度超过5 m后，塑性区扩展范围明显增大。

5)综合考虑矿山生产要求与现场施工技术，建议采场跨度保持在3～4 m。