有色礦山的若干巖石力學問題探索范文

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摘要:巖石力學是礦山安全、經濟地實施開挖(采)的理論根據。調查、研究中發現陜西有色礦山有邊坡穩定性及最終邊坡角確定、采空區處理、巖爆控制、巷道支護、地下礦山采場結構參數確定等巖石力學問題。本文闡述了上述各類問題的確切概念及治理方法，提出了安全高效生產的有關方法與建議。

關鍵詞:最終邊坡角;采空區;巖爆;采場地壓;巷道地壓;支護

0引言

陜西有色金屬控股集團公司的礦山遍布渭南、商洛、漢中、寶雞等多個地市，主要分布在華州區、山陽縣、鳳縣、商南縣、洋縣、略陽縣、勉縣等縣市。調查發現各露天和地下礦山巖體的普氏系數一般介于4～8，屬于中等及其以下穩固性的巖體類型，按國家巖體分級標準基本屬于Ⅲ～Ⅴ類巖體［1］。這類巖體的特點是，長期穩定性強度低，埋深超過700m時容易發生“剝洋蔥皮”似的脫落或開裂、變形，鉆孔中易掉塊，有的還軟化性極強，甚至遇水膨脹且膨脹力較大。如果不搞清這類巖體的地壓分布規律，盲目地實施采礦開挖、開采，往往會導致邊坡嚴重開裂或垮塌，巷道塌方冒頂，采空區垮塌，地下開采的采場發生冒頂或頂柱及間柱垮塌，巷道開裂、變形，或發生剝落、飛石等巖爆現象，嚴重影響安全生產。為了確保安全生產，促進礦山安全生產形勢的根本好轉，有必要深刻認識邊坡穩定性及最終邊坡角、采空區及巷道地壓、巖爆發生條件等巖石力學問題，以便在巖石力學原理及地壓分布規律的指導下合理布置巷道及采場、正確實施開采與開挖。本文將結合陜西有色金屬控股集團公司的實踐，逐一剖析邊坡穩定性及最終邊坡角確定、采空區處理、巖爆治理、巷道支護、采場結構參數確定等巖石力學問題的概念及治理方法，以便為安全高效生產提供設計和施工依據。

1邊坡穩定性及最終邊坡角確定

最終邊坡角有兩種定義方式。一種是露天采礦方法的定義，按經濟合理剝采比來確定最終邊坡角;另一種是礦山巖石力學的定義，按增陡1°時臺階坡面上所產生的受拉區的加固費用與減緩1°所增加的剝離費用的比較來確定經濟合理的最終邊坡角［1－2］。現場生產管理實踐中，一些生產技術管理人員往往混淆上述概念來管理露天邊坡，導致所留置的最終邊坡角大于礦山巖石力學所確定的最終邊坡角，因而常常誘發邊坡滑坡;或者所留置的最終邊坡角遠小于礦山巖石力學所確定的最終邊坡角，因而嚴重增加了剝離費用。上述兩類錯誤，在金堆城露天鉬礦仍時有發生。設計露天邊坡，正確的方法應該是根據產量確定臺階高度，再依據安全平臺寬度的有關設計規則和在臺階坡面角的合理取值范圍內選取的臺階坡面角，結合露天坑開采深度和底寬構建一系列最終邊坡角逐度增大的模型，逐一分析各模型的邊坡穩定性，并依據上述礦山巖石力學的定義確定最終邊坡角［2－3］。一般施工設計的最終邊坡角，在確保預裂爆破成坡并嚴格控制爆破震動影響的條件下，略小于前述計算確定的最終邊坡角0.5°～1°，否則，可以減小2°～3°［3］。按露天開采概念確定的經濟合理的最終邊坡角，應該略小于按礦山巖石力學所確定的最終邊坡角。洋縣釩鈦磁鐵礦按此原則設計露天坑各部位的最終邊坡角，不僅確保了邊坡穩定，而且在軟化性較大的巖體條件下各部位的最終邊坡角都不小于44°37'［2］。邊坡穩定性分析，過去習慣性采納極限平衡法。

由于極限平衡法來源于土質邊坡的分析，必須事先假定其內存在一個連續的整體滑動面;而露天邊坡往往是巖質邊坡，由爆破開挖而形成，其內一般不存在連續的整體滑動面，因此，中國恩菲工程技術有限公司采用極限平衡法分析金堆城露天邊坡的東幫及北幫，得到介于3～15之間的邊坡穩定性系數是毫無工程實際意義的［1］。邊坡穩定性分析，目前一般應用FLAC－3D或能計算安全系數的有限元法ABAQUS，結合坡面拉應力區分布，考慮加固與剝離費用，確定經濟合理的最終邊坡角，再依據邊坡類型所許可的安全系數來折減內聚力、內摩擦角，從而計算核準安全系數［1］。露天邊坡的開挖爆破方式，對邊坡穩定性維護極為重要。露天礦山形成最終邊坡時，通常采用預裂爆破成坡，杜絕應用硐室爆破成坡而嚴重損壞最終邊坡。如果露天穿爆的同段藥量超過0.5t，通常在預裂爆破面與穿孔爆破作業面之間還實施開溝爆破，確保穿孔爆破的爆破震動對最終邊坡的影響最小［1，3］。為了預防爆破震動對最終邊坡的破壞，一般露天礦山在穿孔爆破過程中還會不定期開展爆破震動測試［1，3］。金堆城露天礦的實際表明，硐室爆破成坡，將在邊坡臺階上形成平行臺階坡面的環向拉裂縫，該環向拉裂縫深入到臺階坡肩以內20多米處，嚴重破壞了邊坡的穩定性。為了確保施工簡便及預裂爆破效果最佳，可以間隔2m布置直徑約100mm裝藥孔，并在2孔中間用牙輪鉆或大直徑潛孔鉆布置不裝藥的空心孔作為爆破裂紋擴展的自由面;對于易軟化或普氏系數介于4左右的洋縣釩鈦磁鐵礦、金堆城露天局部邊坡，還可以在裝藥孔中全長套用有切縫的鋼管或工程塑料管，通過該切縫嚴格控制預裂方向。

2采空區處理

目前陜西有色金屬控股集團公司除個別礦山淺部還有資源外，一般礦體埋深都超過了300m。對于埋深如此深的礦井，根據礦體傾角、厚度及是否要求深部卸壓，可以經濟有效地應用切槽放頂法、V型切槽上盤閉合法、硐室與深孔爆破法［4］或急傾斜礦體開采的采空區處理與卸壓開采方法［5］，人為地及時控制采空區的垮塌，并充分回收地下資源、降低深部開采地壓;待采空區垮塌基本穩定后，一次性修復地表局部因塌陷而破壞的生態環境。采空區長期存在于地下，不可能不塌陷，針對不同采空區形態應用上述處理新方法，能及時、可控地釋放開采地壓，處理幾十萬甚至上百萬立方米的采空區一般施工費用不超過500萬元，在施工完畢后半年內地表塌陷能穩定，還可將采礦廢石及地面選礦尾砂就地排入已經處理過的采空區。切槽放頂法適合處理緩傾斜至水平的采空區，V型切槽上盤閉合法適合處理急傾斜薄脈采空區，硐室與深孔爆破法適合處理急傾斜厚大采空區，急傾斜礦體開采的采空區處理與卸壓開采方法適合上部有急傾斜采空區需要處理且深部需要實施卸壓開采的礦山［4－6］。對于埋深比較小且地表不準許塌陷的采空區，應該應用充填法及時處理采空區。對于汝陽等露天臺階下的采空區，應測量覆巖厚度。當覆巖厚度大于露天穿爆的安全厚度時，可以在采礦過程中應用高臺階爆破，一次性處理采空區;當覆巖厚度小于露天穿爆的安全厚度時，應廢石或沙子充填采空區，以防穿爆設備及車輛掉入臺階下部的采空區而造成事故;如果采空區處在露天最終邊坡的正下方，應該膠結充填采空區，以便確保最終邊坡的穩定。

3巖爆控制

巖爆傾向性及過高的支承壓力，是巖爆發生的充分必要條件。秦嶺地區一般垂直地壓超過巖體單軸抗壓強度的40%時，巖爆傾向性巖石會發生“剝洋蔥皮”似的剝落，無巖爆傾向性巖石會發生開裂或大變形［1，6］。陜西有色金屬控股集團公司的各地下礦，當礦體埋深超過700m時，在灰巖、大理巖、片麻巖、花崗巖等巖爆傾向性巖體中掘進、采礦時，都會發生剝落或飛石等巖爆現象。為了控制巖爆傷人，可以應用急傾斜礦體開采的采空區處理與卸壓開采方法既處理上部采空區并回收殘礦，又實施深部采場的卸壓開采，從而消除巖爆發生的應力條件［5，7］。對于緩傾斜至水平的埋深較大的礦體開采，可以先在礦體走向的兩端根據計算的壓力拱的寬度布置巷道似采場，分別將這兩個巷道似采場的巖爆控制問題變成巷道的巖爆控制問題，等這兩個巷道似采場開采完畢并形成了壓力拱后，再回采其之間的壓力拱下的其它采場，因而實現了其卸壓開采［1，6］。

巷道巖爆控制，往往在掘進斷面的輔助眼中，沿正中心及兩側接近拱腰部位呈三角形地各選取眼間距不超過2m的1個輔助眼，實施掘進進尺2倍的超深鑿巖，并裝滿藥與輔助眼一同爆破［8］;而且在巷道拱腰部位的兩幫，每個掘進進尺各鑿一個深約2～2.5m的震動爆破孔，僅孔底裝藥1/3卷(約40～50g)并緊密堵塞20cm長的黃泥，實施震動爆破［9］。一般巷道幫墻震動爆破的孔深為巷道寬度的70%～80%，巷道寬度較大時震動孔深度取下線，否則取上線;為了避免爆破震動損壞巷道壁面，一般震動孔深度不小于2m［9］。按照上述工藝，二里河鉛鋅礦、東塘子鉛鋅礦成功控制了巷道及采場巖爆，文峪金礦、陳耳金礦各成功掘進了一條埋深超過1500m的盲豎井，并安全實施了深部巷道掘進。對于煌斑巖、斑巖、頁巖、碳質板巖、千枚巖等無巖爆傾向的巖體，埋深超過一定深度后，不會發生剝落或飛石等巖爆現象，但會發生巷道、頂板開裂及變形，這是一個巷道、頂板的支護問題。

4巷道支護

滑鎂巖、嚴重風化的斑巖等片理化、粉化的巖石或過斷層等破碎帶，巷道邊掘進邊垮塌，一般無法應用錨網支護，這時可以應用長9m、直徑2.5～3.5寸的無縫鋼管或注漿后的上述無縫鋼管或22～25mm直徑的螺紋鋼，實施超前管棚支護，然后邊掘進邊噴射3～5cm厚的混凝土封閉。徐家溝銅礦的研究表明:對于滑鎂巖等遇水膨脹性較大的巖石，根據巖體厚度或松動圈深度應用超過其厚度的長錨索，一般間隔3m布置一排長約10～15m的長錨索，每排安裝5～7根上述長錨索及條形網鎖緊巷道斷面及方網，在錨索中間用排距、間距約1m，長約3m的錨桿固定方網而替代鋼拱架，這樣錨噴網支護效果更好;對于膨脹力較小的細碧巖巷道，如果不二次采動影響，直接類似上述預應力錨桿、方網噴漿支護即可，如果二次采動還必須在采動前類似上述預應力錨索補強［10］。為了控制巷道的膨脹變形，錨桿、錨索在頂、底腳處往往呈45°角安裝，錨桿、錨索都應施加預應力，預應力分別為3t、20t，且在底板中部配合開切深約700mm、寬約800mm的槽卸壓并填筑碎石［10］。對無膨脹變形的破碎、松散巖體，類似上述管棚支護并噴混封閉，或澆灌鋼筋混凝土支護，可以成功控制巷道地壓［11］。除了滑鎂巖、斑巖等片理化、粉化的巖石及斷層等破碎帶外，一般開裂、變形的巷道應該采納錨噴網支護;因采動影響而受拉的巷道，應該應用預應力約3t的錨桿。鉛硐山、二里河的實踐表明，本中段留礦法、階段礦房法采場采準、切割前，應預應力錨噴網支護脈外巷道，脈外巷道離采場下盤的水平距離不應小于12m，否則，采場采礦后普通錨噴網支護的巷道也會發生大面積垮塌［12］。

為了經濟有效地確保巷道穩定，建議各礦根據自己的巖體條件及地壓，對巷道穩定性實施分類。各礦山的Ⅲ～Ⅴ類巖體，可以參照如下描述分4類，即:巖性較好、地壓不大的巷道不支護;巖性稍差或可能因開采而出現微弱拉應力區，但最大拉應力不會超過巖體單軸抗拉強度的20%，且基本不太產生開裂的巷道，素噴5～8cm混凝土支護;巖性較差或因開采地壓而只出現分布不密集裂紋的巷道，錨桿條網噴漿支護;會普遍產生較大的受拉區，且最大拉應力超過巖體單軸抗拉強度的20%，或密集分布的裂紋將巖體切割成小塊的巷道，應錨桿方網噴漿支護。管縫錨桿的安裝原理要求錨桿直徑大于鉆孔直徑1～2mm。在陜西有色金屬控股集團公司各礦山的Ⅲ～Ⅴ類巖體中應用管縫錨桿，常常因鉆孔內掉塊而錨桿尾部不能安裝到緊貼巖面而失效，因此工人往往讓鉆孔直徑大于錨桿外徑2～3mm，導致錨桿錨固力過低或失效，常發生多根錨桿連同巖體一起垮塌。為了杜絕上述事件的發生，建議永久支護采納直徑20～25mm的螺紋鋼樹脂錨桿全面取代管縫錨桿。一般大斷面巷道或硐室支護用直徑22～25mm、長3m的螺紋鋼錨桿，小斷面巷道用直徑18～22mm、長2.25～2.5m的螺紋鋼錨桿，前者采納2卷直徑20～28mm、長600mm的樹脂卷，后者采納1卷前述的樹脂卷。錨桿安裝的鉆孔，一般采納直徑28～30mm的鉆頭鑿巖。

5地下開采的采場結構參數確定及頂板維護

在緩傾斜至水平的房柱法、全面法生產采場，應該應用李俊平提出的梁跨度設計公式及點柱承載公式合理設計礦柱間距、點柱尺寸，確保頂板不垮塌，禁止全面法不規則、過大間距地布置點柱［1，4］。對點柱之間的頂板局部裂縫，可以采用錨桿、條網或方網補強支護;在Ⅲ～Ⅴ類圍巖下為了確保生產過程中頂板不發生局部冒落，尤其礦體埋深較大且采場頂板懸空跨度超過3m時，應在采場中間間隔2～3m應用鋼支架或20～40t支撐力的單體液壓支柱支撐頂板。立柱支撐頂板而減跨時，若頂、底板巖石軟弱，可以給立柱“穿鞋”、“帶帽”。

留礦法、階段礦房法等空場法采場，設計過程中定性確定頂柱、間柱尺寸及采場長度，往往是引起礦柱大量損失或者地壓過大而導致采場在開采過程中發生頂柱、間柱垮塌的主要原因。二里河鉛鋅礦的實踐表明，無論深部、還是淺部采場，應用正交數值模擬研究采場地壓，據此確定上述頂柱、間柱尺寸及采場長度，可以經濟、高效地管理采場地壓，實現采場安全開采;反之，定性地或一成不變地按照淺部采場的結構尺寸設計深部采場，往往會導致深部采場邊采邊垮塌而無法安全開采［13］。在開采過程中，為了避免冒落事故，在傾斜及急傾斜的留礦法生產采場，應盡量在聯絡道內應用水平深孔或中深孔落礦;人員不得已而必須在懸空頂板下作業時，應該類似上述房柱法、全面法在采場中間間隔2～3m布置一排鋼支架或20～40t支撐力的單體液壓支柱支撐頂板。為了防止支柱下陷或漏頂，可以給支柱用長約3m的30號槽鋼“穿鞋”或用長約1.5～2m的槽鋼“帶帽”。厚大礦體開采的階段礦房法、崩落法采場，可以在鑿巖巷道內上向扇形中深孔或深孔落礦，從而避免人員在懸空頂板下作業。四方金礦、千家坪釩礦的實踐表明，崩落法采礦的分層高度、進路間距是一對緊密聯系的參數，它們決定了放礦橢球體的形態，直接影響著放礦效果。千家坪釩礦應用50m中段高度及8m進路間距時礦體放出率不超過25%，將中段高度改為25m后礦體放出率仍不超過46%，建議開展分層高度12.5m及進路間距8m的現場放礦試驗，力爭大幅度提高礦體放出率。

6結論

礦山巖石力學原理是采礦方法設計及安全施工的科學根據，正確認識采礦方法及其相關的礦山巖石力學原理及概念是確保合理確定采礦方法、結構參數及安全施工工藝的前提條件，正確認識地壓分布規律是合理地壓管理及安全施工的主要依據。

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作者:李俊平 單位:西安建筑科技大學資源工程學院