朱 明,王亞軍

(1.蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司; 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司)

引 言

某礦山開采方式為地下開采,原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30 kt/a。2018年12月完成了60 kt/a的改擴(kuò)建工程(一采區(qū)或西采區(qū)),改擴(kuò)建工程采用平硐+盲斜井開拓,淺孔留礦采礦法采礦,電機(jī)車運(yùn)輸,最終產(chǎn)品為礦石精粉。

為了更好地整合礦區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源,提高礦山生產(chǎn)能力及經(jīng)濟(jì)效益,礦山擬在井下一期工程(一采區(qū)或西采區(qū))礦產(chǎn)資源接近開采完畢的情況下,實(shí)施二期工程建設(shè)(二采區(qū)或東采區(qū))。開展礦山改擴(kuò)建工程安全設(shè)施設(shè)計(jì)變更中最為關(guān)鍵的是一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道工程(新掘繞道)的施工及其穩(wěn)定性分析。因此,亟須開展新掘繞道安全技術(shù)論證分析,論證新掘繞道的施工對地表村莊壓覆巖層的影響情況[1-4],為實(shí)現(xiàn)礦山持續(xù)安全穩(wěn)定發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐和保障。

為確保礦山新掘繞道的施工對地表村莊壓覆巖層影響情況的分析結(jié)果真實(shí)可靠,首先對研究范圍內(nèi)典型礦巖開展工程地質(zhì)調(diào)查,選取典型巖樣進(jìn)行加工并開展室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn);根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,對巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量綜合評價(jià)和分級,為新掘繞道掘進(jìn)的數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析提供可靠的參數(shù)依據(jù)[5-8];結(jié)合礦山已有地質(zhì)資料、工程地質(zhì)調(diào)查及巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果,論證新掘繞道的施工對地表村莊壓覆巖層的影響情況[9]。

1 工程地質(zhì)調(diào)查與巖石力學(xué)參數(shù)測試

1.1 工程地質(zhì)調(diào)查

采用詳細(xì)線觀測法對研究范圍內(nèi)的主要巖體類別進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查,并對調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出各類型巖體中的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及其特性,為礦巖質(zhì)量分級和穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

本次工程地質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容為該礦山新掘繞道內(nèi)發(fā)育的巖組,調(diào)查的巖組為花崗巖。本次調(diào)查測繪選擇在花崗巖發(fā)育的代表性區(qū)域進(jìn)行,調(diào)查的花崗巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀有121條,數(shù)據(jù)較為詳實(shí)。

1.1.1 結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征

花崗巖:淺灰色—灰色,致密堅(jiān)硬,塊狀構(gòu)造,屬于連結(jié)堅(jiān)固密實(shí)不可壓縮的剛性巖石,裂隙不發(fā)育或偶見裂隙,巖體完整性好。節(jié)理、裂隙一般為壓性,極少量為壓扭性,閉合,寬度一般<1 mm,膠結(jié)較好,大部分區(qū)域潮濕,局部有滴水。結(jié)構(gòu)面以平直粗糙為主。調(diào)查區(qū)域結(jié)構(gòu)面均發(fā)育為V級結(jié)構(gòu)面,未見IV級及以上結(jié)構(gòu)面。

1.1.2 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析

礦山花崗巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖1所示,優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀有3組:第一組,172°∠54°;第二組,325°∠84°;第三組,48°∠81°。

圖1 礦山花崗巖結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

1.1.3 結(jié)構(gòu)面間距統(tǒng)計(jì)分析

節(jié)理間距和密度是表示巖體中節(jié)理發(fā)育密集程度的指標(biāo),它決定了工程巖體的完整性。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的調(diào)查統(tǒng)計(jì),礦山花崗巖結(jié)構(gòu)面平均間距如表1所示。

表1 礦山花崗巖結(jié)構(gòu)面平均間距

按照ISRM節(jié)理間距的分類方法,礦山花崗巖節(jié)理的平均間距在20～60 cm,其發(fā)育的密集程度歸納為中等間距。

1.2 巖石力學(xué)參數(shù)測試

本次巖石力學(xué)參數(shù)測試對象為花崗巖,取樣位置為礦山新掘繞道附近區(qū)域。測試項(xiàng)目包括巖石塊體密度試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、單軸壓縮變形試驗(yàn)、劈裂拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)。通過試驗(yàn)獲得的參數(shù)包括巖石塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

本次試驗(yàn)共使用加工試件21個(gè)。其中,用于單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和單軸壓縮變形試驗(yàn)的長巖芯樣7個(gè)(2種含水狀態(tài));用于劈裂拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的短巖芯樣4個(gè)(1種含水狀態(tài));用于三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的長巖芯樣10個(gè)(1種含水狀態(tài))。根據(jù)GB/T 50266—2013 《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求,同一含水狀態(tài)下單項(xiàng)測試的試件數(shù)一般不少于3個(gè)。本次試驗(yàn)中每一種巖石單項(xiàng)測試的試件數(shù)均在3個(gè)以上,滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

各種類型試件的數(shù)量和編號如表2所示,加工試件照片如圖2所示,加工試件試驗(yàn)前后照片如圖3所示。

表2 各種類型試件的數(shù)量和編號

圖2 礦山花崗巖加工試件

通過試驗(yàn),獲得了礦山花崗巖的塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù),結(jié)果如表3所示,表中數(shù)值為測試結(jié)果的平均值。

圖3 加工試件試驗(yàn)前后照片

表3 礦山花崗巖巖石物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

2 巖體質(zhì)量評價(jià)

以現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果為基礎(chǔ),采用巖土規(guī)范法、節(jié)理巖體的CSIR分級法(RMR分級法)、Q系統(tǒng)分級法等多種巖體分級方法,對巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量綜合評價(jià)和分級,修正巖體的物理力學(xué)參數(shù),為新掘繞道掘進(jìn)的數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析提供可靠的依據(jù)。

2.1 巖土規(guī)范法

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第五版),按照巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度,確定巖體基本質(zhì)量等級分類。按巖土規(guī)范法劃分標(biāo)準(zhǔn),礦山花崗巖的基本質(zhì)量等級劃分如表4所示。

表4 礦山花崗巖的基本質(zhì)量等級劃分

2.2 RMR分級法

根據(jù)礦山花崗巖巖體中巖石強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)、地下水情況等各項(xiàng)指標(biāo)情況,參照RMR分級法中各項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)得分,得到的RMR分級結(jié)果如表5所示。

表5 礦山花崗巖的RMR分級結(jié)果

2.3 Q系統(tǒng)分級法

Q系統(tǒng)分級法是由RQD值、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度Jr、節(jié)理面蝕變程度Ja、裂隙水影響因素Jw及地應(yīng)力影響因素SRF等6項(xiàng)指標(biāo)組成[10]。根據(jù)礦山相關(guān)資料分析情況,選擇相適應(yīng)的參數(shù)代入公式計(jì)算出Q值,礦山花崗巖的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出的Q值及巖體質(zhì)量分級如表6所示。

表6 礦山花崗巖的Q值及巖體質(zhì)量分級結(jié)果

2.4 巖體綜合分級狀況

通過對上述分級方法進(jìn)行匯總分析,最終確定礦山花崗巖綜合分級狀況,結(jié)果如表7所示。

表7 礦山花崗巖綜合分級狀況

3 新掘繞道對地表變形影響數(shù)值模擬分析

結(jié)合礦山已有地質(zhì)資料、工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,使用Madis GTS NX軟件建立幾何模型與網(wǎng)格劃分,隨后利用轉(zhuǎn)換接口程序“Midas GTS NX To FLAC3D 5.0_64bit”進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,最后將轉(zhuǎn)換的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Flac3D軟件中進(jìn)行計(jì)算分析,論證新掘繞道對潘村壓覆區(qū)地表構(gòu)筑物的影響。

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

3.1.1 基本假設(shè)

由于釆場圍巖穩(wěn)定性受到巖石力學(xué)參數(shù)、地下水、巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、采場的結(jié)構(gòu)尺寸、支護(hù)方式及施工方式等地質(zhì)環(huán)境和人為工程活動的影響,很難建立一個(gè)普遍適用的數(shù)學(xué)模型來定量判斷巖體的穩(wěn)定性。因此,應(yīng)通過實(shí)際觀測情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)及力學(xué)計(jì)算結(jié)果做出綜合的判斷。對于具體地質(zhì)條件下的采場開挖,可以通過建立數(shù)值模型來計(jì)算釆場開挖及支護(hù)后周邊圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的分布,然后綜合分析分布情況來判斷巖體的穩(wěn)定性。具體可釆取以下判別關(guān)系:

1)當(dāng)圍巖所受應(yīng)力狀況超過極限強(qiáng)度、周邊圍巖中的塑性區(qū)相互貫通連接成片時(shí),判定巖體工程結(jié)構(gòu)破壞。

2)頂板下沉量或底板底鼓量超過20 mm時(shí),判定巖體工程結(jié)構(gòu)破壞。

3)本次模擬存在地表建筑物,根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[11-15],在當(dāng)前條件下,本次數(shù)值模擬計(jì)算得出的地表位移量不大于10 mm時(shí),位移屬于安全范圍,地表建筑物不會受到破壞。

3.1.2 模型構(gòu)建

為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,根據(jù)礦山村莊覆蓋礦段礦體的賦存條件和圣維南原理,可得數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為長×寬×高=4 283 m×3 899 m×1 473 m,同時(shí)為了有效施加邊界條件,整體網(wǎng)格模型標(biāo)高需與礦體賦存標(biāo)高一致,根據(jù)整體網(wǎng)格模型標(biāo)高和礦體賦存標(biāo)高可推算出模型頂部標(biāo)高473 m,與礦山實(shí)際地表標(biāo)高460 m水平相等?；贛adis GTS NX構(gòu)建的數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 基于Madis GTS NX構(gòu)建的數(shù)值模型

3.1.3 材料參數(shù)

為了準(zhǔn)確獲取數(shù)值計(jì)算所需的參數(shù),結(jié)合該礦山花崗巖室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,利用DBJ 50—043—2005 《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減,得到了數(shù)值模擬所需的礦巖物理力學(xué)參數(shù)[16-19],結(jié)果如表8所示。

表8 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

3.1.4 邊界條件

礦山一、二采區(qū)礦體最上部距地表60 m,初始應(yīng)力場以自重應(yīng)力場為主導(dǎo)。因此,在數(shù)值模擬過程中,采用位移邊界條件進(jìn)行初始應(yīng)力場反演,即在數(shù)值模型底部邊界采用固定支撐(限制x、y和z3個(gè)方向位移)[20-21],模型兩側(cè)外邊界采用滾動支撐(僅限制x或y方向位移),如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型位移邊界示意圖

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 開采順序

根據(jù)歷史開采過程和設(shè)計(jì)開采順序規(guī)劃情況,本次數(shù)值模擬計(jì)算采場的開挖順序(如圖6所示)如下:①開挖東西兩側(cè)礦體第1分段;②開挖東西兩側(cè)第2分段;③開挖西側(cè)第3分段(開挖歷史分段);④開挖一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道;⑤開挖東側(cè)第3分段、西側(cè)第4分段;⑥開挖東側(cè)第4分段、西側(cè)第5分段;⑦開挖東側(cè)第5分段、西側(cè)第6分段;⑧開挖東側(cè)第6分段、西側(cè)第7分段;⑨開挖東側(cè)第7分段(全部開挖)。

數(shù)值計(jì)算過程中,根據(jù)地表地形圖中村莊壓覆區(qū)地表建筑物位置分布情況,此次模型構(gòu)建中共設(shè)46個(gè)監(jiān)測點(diǎn),對每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的x位移、y位移、z位移及總位移分別進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)位置如圖7所示。同時(shí),保存開挖的結(jié)果文件,獲取對應(yīng)開挖步的應(yīng)力云圖、位移云圖及塑性區(qū)云圖[22-25]。

3.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于各步開挖后所得的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)及云圖數(shù)量較多,本次僅展示開挖一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道及全部開挖后的監(jiān)測點(diǎn)散點(diǎn)圖和相關(guān)云圖。

圖6 數(shù)值模擬開挖順序示意圖

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

3.2.2.1 開挖一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道

1)地表分析。開挖一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道后監(jiān)測點(diǎn)的地表位移云圖如圖8所示。

圖8 地表位移云圖

由圖8可知:巷道開挖后,一、二采區(qū)兩側(cè)采空區(qū)上部地表出現(xiàn)下沉,最大下沉位移為0.602 mm;同時(shí)會對中間的村莊壓覆區(qū)進(jìn)行擠壓。因此,壓覆區(qū)淺層地表并未產(chǎn)生下沉位移,反而受兩側(cè)下沉地表擠壓呈現(xiàn)上升現(xiàn)象,最大上升位移為1.31 mm,最大總位移為1.32 mm。

各地表監(jiān)測點(diǎn)的位移如圖9所示。由圖9可知:巷道開挖后,各監(jiān)測點(diǎn)的最大x位移絕對值為0.34 mm;最大y位移絕對值為0.28 mm;最大z位移絕對值為1.21 mm;最大總位移為1.23 mm。綜上,地表位移均小于10 mm,地表建筑物所受開挖影響較小。

2)采場分析。開挖一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道后采場應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布云圖如圖10所示。

圖10 一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道開挖后采場應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布云圖

由圖10可知:巷道開挖后,位移主要產(chǎn)生于第1分段頂板,最大下沉位移為2.16 mm,對采場影響較小;塑性區(qū)數(shù)量少,且較為零散,未發(fā)生大面積貫通,對采場影響較小;壓應(yīng)力主要作用于最下層分段底板,對采場影響較小;各分段頂板主要受拉應(yīng)力影響,且拉應(yīng)力由上至下逐漸減小,最大拉應(yīng)力值為2.136 MPa,產(chǎn)生于第1分段頂板,接近巖體抗拉強(qiáng)度(2.204 MPa),可能會發(fā)生局部垮落,為避免第1分段頂板垮落對下部礦體的安全開采造成影響,建議盡快對采空區(qū)進(jìn)行充填。

3)巷道分析。開挖一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道后巷道應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布云圖如圖11所示。

圖11 一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道開挖后巷道位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分布云圖

由圖11可知:巷道開挖后,最大下沉位移為2.16 mm,對巷道影響較小;塑性區(qū)數(shù)量少,且較為零散,未發(fā)生大面積貫通,對巷道影響較小;巷道頂部及兩幫壓應(yīng)力為2.5～12.5 MPa,小于巖體抗壓強(qiáng)度(37.07 MPa),對巷道影響較小;巷道所受拉應(yīng)力較小,對巷道影響較小?？紤]到巷道工作年限較長,建議對巷道進(jìn)行監(jiān)測,避免巖體蠕變導(dǎo)致巷道變形。

3.2.2.2 開挖東側(cè)第7分段(全部開挖)

1)地表分析。全部開挖后地表位移云圖如圖12所示。

圖12 全部開挖后地表位移分布云圖

由圖12可知:東側(cè)第7分段開挖后,一、二采區(qū)兩側(cè)采空區(qū)上部地表出現(xiàn)下沉,最大下沉位移為2.70 mm;同時(shí)會對中間的村莊壓覆區(qū)進(jìn)行擠壓。因此,壓覆區(qū)淺層地表并未產(chǎn)生下沉位移,反而受兩側(cè)下沉地表擠壓呈現(xiàn)上升現(xiàn)象,最大上升位移為4.54 mm,最大總位移為4.57 mm。

各地表監(jiān)測點(diǎn)的位移如圖13所示。由圖13可知:東側(cè)第7分段開挖后,各監(jiān)測點(diǎn)的最大x位移絕對值為0.93 mm;最大y位移絕對值為1.15 mm;最大z位移絕對值為4.45 mm;最大總位移為4.50 mm。綜上,地表位移均小于10 mm,地表建筑物所受開挖影響較小。

圖13 東側(cè)第7分段開挖后各監(jiān)測點(diǎn)位移

2)采場分析。全部開挖后采場應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布云圖如圖14所示。

圖14 東側(cè)第7分段全部開挖后采場應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布云圖

由圖14可知:東側(cè)第7分段開挖后,位移主要產(chǎn)生于第1分段頂板,最大下沉位移為5.46 mm,對采場影響較小;塑性區(qū)數(shù)量少,且較為零散,未發(fā)生大面積貫通,對采場影響較小;隨著不斷向下開挖,采空區(qū)上部巖體應(yīng)力逐漸釋放分散,第1分段、第2分段采空區(qū)頂板所受拉應(yīng)力逐漸變小,遠(yuǎn)小于巖體抗拉強(qiáng)度;其余分段采場頂板受重力影響,產(chǎn)生壓應(yīng)力,但壓應(yīng)力值均小于巖體抗壓強(qiáng)度;由于采空區(qū)下部還存在著待采礦體,為避免采空區(qū)頂板發(fā)生蠕變,出現(xiàn)坍塌,對下部礦體的安全開采造成影響,建議盡快對采空區(qū)進(jìn)行充填。

綜上,在礦山歷史開采過程中和后續(xù)聯(lián)絡(luò)巷道施工及規(guī)劃采場生產(chǎn)作業(yè)時(shí),村莊壓覆區(qū)地表位移均小于10 mm,地表建筑物所受開挖影響較小。因此,一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道(新掘繞道)的開挖不會對地表村莊壓覆巖層產(chǎn)生破壞。

4 結(jié) 論

1)采用巖土規(guī)范法、節(jié)理巖體的CSIR分級法(RMR分級法)、Q系統(tǒng)分級法等多種巖體分級方法對該礦山花崗巖的質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià),確定了花崗巖的綜合分級類別為Ⅱ級巖體。

2)對礦山一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道的開挖過程構(gòu)建模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:村莊壓覆區(qū)地表建筑物在整個(gè)采場及巷道開挖過程中,一、二采區(qū)采場的開挖對村莊壓覆區(qū)產(chǎn)生了擠壓作用,從而導(dǎo)致村莊壓覆區(qū)產(chǎn)生了上升位移,且隨著開挖深度的增加,上升位移逐漸增大,最大上升位移為4.5 mm。根據(jù)數(shù)值模型構(gòu)建基本假設(shè),在當(dāng)前條件下,本次數(shù)值模擬計(jì)算得出的地表位移量不大于10 mm時(shí),位移屬于安全范圍,地表建筑物不會受到破壞。即證明,一采區(qū)至二采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷道(新掘繞道)的開挖不會對地表村莊壓覆巖層產(chǎn)生破壞。