巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

隨著礦業(yè)工程的深度和廣度的開發(fā)，地下巖體工程的穩(wěn)定問題已成為一個(gè)必須解決的問題。目前,焦家金礦區(qū)巖體穩(wěn)定性分類比較單一,部分進(jìn)路規(guī)格選擇不合理,導(dǎo)致安全投入大、回采成本高和采礦效率低,出現(xiàn)探、采失衡的情況。本次研究區(qū)域?yàn)榻辜业V區(qū)主采中段回采區(qū)段和開拓區(qū)段,現(xiàn)有采礦方法的優(yōu)化和新型采礦方法的引進(jìn)客觀上都需要對(duì)礦山巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面的調(diào)查、分析、測(cè)定與研究,根據(jù)不同礦區(qū)或同一礦區(qū)不同礦段巖石的力學(xué)性質(zhì),有針對(duì)性地變革和采用大規(guī)模、高效率、低成本的采礦方法。因此,本項(xiàng)目對(duì)于焦家金礦實(shí)現(xiàn)持續(xù)快速發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。1地質(zhì)構(gòu)造特征工作區(qū)位于華北地臺(tái)魯東地盾之膠北隆起西北部,著名的沂沭斷裂帶東側(cè)。區(qū)內(nèi)地層簡(jiǎn)單,斷裂發(fā)育,巖漿巖廣布。焦家金礦床Ⅰ號(hào)礦體主要展布在縱貫全區(qū)的焦家主斷裂帶上,區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)20km,寬100~500m,工程控制最大斜深1780m,總體走向30°,傾向NW,傾角25~40°,局部?jī)A角較陡(60~70°),沿走向及傾向均呈舒緩波狀展布,膨脹夾縮、分支復(fù)合特征極為明顯,中部的新城—大塚坡地段沿新太古代五臺(tái)—阜平期馬連莊超單元與新元古代震旦期玲瓏超單元接觸帶展布;新城以北及大塚坡以南地段主要展布于玲瓏超單元內(nèi)。主裂面以灰黑色斷層泥(厚2~40cm)為標(biāo)志,基本沿?cái)嗔哑扑閹е胁空共?由里向外,上盤依次為黃鐵絹英巖化變輝長(zhǎng)巖質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化變輝長(zhǎng)巖和黃鐵絹英巖化花崗巖,下盤依次為黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖和碎裂狀花崗巖,以主裂面為界,構(gòu)造巖基本呈對(duì)稱分帶。依據(jù)斷裂與成礦的關(guān)系,可分為早期控礦斷裂、中期成礦斷裂和后期控礦斷裂。成礦前控礦斷裂為左行壓扭性質(zhì);中期成礦斷裂為右行張扭性質(zhì);成礦后斷裂活動(dòng)為壓扭性質(zhì)。成礦前后該斷裂經(jīng)歷了擠壓—引張—擠壓的過程。斷裂在主裂面附近,下盤以及沿走向、傾向轉(zhuǎn)彎部位或“入”字型構(gòu)造交會(huì)部位都是工業(yè)礦化有利地段。此外,伴生裂隙構(gòu)造對(duì)金的富集也起著重要作用。該斷裂控制著焦家、新城、東季、馬塘和寺莊等大中型金礦床。2利用調(diào)查焦家礦床成巖改造依據(jù)礦體的實(shí)際情況,確定調(diào)查地點(diǎn)(圖1)。本次巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線調(diào)查法,測(cè)線布置如圖2所示,將測(cè)線上下0.5m的范圍作為測(cè)帶,調(diào)查工作在測(cè)帶以內(nèi)進(jìn)行。為了工作方便,沿巷道壁面距底板1m處安置測(cè)尺作為測(cè)線。測(cè)尺水平拉緊,基點(diǎn)設(shè)在開始調(diào)查點(diǎn),從基點(diǎn)開始沿測(cè)線方向?qū)Ω鳂?gòu)造因素進(jìn)行測(cè)定和統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)焦家金礦工程地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查分析,可以得出如下結(jié)論:(1)焦家礦區(qū)以黃鐵絹英巖及黃鐵絹英巖化花崗巖為主。(2)現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果表明,焦家礦區(qū)調(diào)查區(qū)域內(nèi)斷層泥及其以上5~10m范圍內(nèi)的黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖以及76線以北地段,由于風(fēng)化作用,巖石破碎強(qiáng)烈,裂隙發(fā)育,松軟。3試件抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)度和強(qiáng)度在礦山開采過程中,由于受進(jìn)路充填采礦方法的影響,根據(jù)工程巖體試驗(yàn)分別采用單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),單軸壓縮變形試驗(yàn)對(duì)巖體進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),由試件在受均勻單向荷載作用下的力—位移曲線圖(圖3)可以看出,在均勻荷載作用下所有試件均表現(xiàn)出塑—彈性變形特征。在荷載剛剛垂直施加在圓柱形試件上表面到中間的某一段時(shí)間,試件表現(xiàn)為塑性變形,曲線開始上凹,而后變成直線,表現(xiàn)為彈性變形,最后試件破壞,突然失去荷載,曲線呈直線下降趨勢(shì)。從曲線圖上可以直接讀出試件破壞時(shí)的最大荷載,并按式R=P/A,(式中:R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa),計(jì)算值取3位有效數(shù)字;P為試件破壞荷載(N);A為試件截面積(mm2))計(jì)算出巖石的最大抗壓強(qiáng)度。在焦家礦區(qū),單軸抗壓強(qiáng)度值基本沒有超過100MPa,雖然不同巖性巖石的抗壓強(qiáng)度變化較大,但都不是很高,說明礦區(qū)巖石的質(zhì)量較差。抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),由試件在受均勻單向荷載作用下的力—位移曲線圖(圖4)可以看出,大部分曲線開始上凹而后變成直線,直至破壞,表現(xiàn)為塑—彈性變形的特征。與單軸抗壓強(qiáng)度一樣,可以從曲線上直接讀取巖石的最大破壞荷載,并根據(jù)式δt=2P/πDh(式中:δt為巖石抗拉強(qiáng)度(MPa),計(jì)算值取3位有效數(shù)字;P為試件破壞荷載(N);D為試件直徑(mm))計(jì)算出巖石的最大抗拉強(qiáng)度。單軸壓縮變形試驗(yàn),由試件壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖(圖5和圖6)可以看出,試件在受均勻單向荷載作用下,應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖均表現(xiàn)出塑—彈性變形特征。在荷載剛剛垂直施加在圓柱形試件上表面時(shí)到中間的某一段時(shí)間,試件表現(xiàn)為塑性變形,曲線開始上凹,而后變成直線,表現(xiàn)為彈性變形,最后試件破壞,突然失去荷載,曲線呈直線下降趨勢(shì)。個(gè)別試件在施加的荷載達(dá)到一定值時(shí),表現(xiàn)出近于屈服的特征,在很短時(shí)間內(nèi)突然破壞,曲線直線下降。根據(jù)曲線圖上某一近于直線的應(yīng)力段內(nèi)的應(yīng)變差和應(yīng)力差,按下式即可計(jì)算出巖石的彈性模量值:式中:E為巖石彈性模量(MPa);μ為巖石泊松比;δ1為應(yīng)力與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線上直線段始點(diǎn)的應(yīng)力(MPa);δ2為應(yīng)力與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線上直線段終點(diǎn)的應(yīng)力(MPa);ε1、ε2、εa和εb分別是應(yīng)力為δ1、δ2、δa和δb時(shí)的縱向應(yīng)變值;εc和εd分別是應(yīng)力為δc和δd時(shí)的橫向應(yīng)變值。圖7和圖8是試件壓縮橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)變與時(shí)間的曲線圖(橫坐標(biāo)軸為記錄時(shí)間點(diǎn),位于橫軸上面的縱軸是巖石的橫向變形量,位于橫軸下面的縱軸是巖石的縱向變形量),由式(1)和式(2)可知,泊松比的計(jì)算與應(yīng)力實(shí)際值無(wú)關(guān),而是在某一曲線上表現(xiàn)為直線的應(yīng)力段,即時(shí)間段內(nèi)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比,根據(jù)此曲線圖按公式可得出巖石泊松比值。4焦家金礦進(jìn)路及支護(hù)力分析坑道開挖后,圍巖內(nèi)發(fā)生應(yīng)力重分布,周邊附近是應(yīng)力集中帶。假定圍巖呈彈塑性變形,可用莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論建立其屈服條件:式中:δθ,δr分別為圍巖發(fā)生屈服破壞時(shí)的徑向和切向應(yīng)力;Cm,φm分別為巖體的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)圍巖應(yīng)力滿足這個(gè)屈服條件時(shí),將在坑道邊附近形成一個(gè)塑性區(qū)。塑性區(qū)巖體向坑道內(nèi)變形移動(dòng),如果沒有支護(hù),最終將發(fā)生離層松脫冒落,接著會(huì)產(chǎn)生新的塑性區(qū),發(fā)生新的冒落,這就是碎裂巖體在坑道圍巖破壞中的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。塑性區(qū)切向應(yīng)力在坑道周邊附近半徑為R的范圍內(nèi),δθ<P0(圖9),表明這部分圍巖中應(yīng)力已經(jīng)發(fā)生了松弛,故稱為松弛區(qū)。利用塑性區(qū)內(nèi)切向應(yīng)力等于原巖應(yīng)力P0的條件,可求得松弛區(qū)半徑為:松弛區(qū)內(nèi)圍巖很不穩(wěn)定,因此,可以根據(jù)松弛區(qū)半徑作為判定圍巖是否穩(wěn)定的條件,也可以根據(jù)松弛區(qū)半徑作為噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù),將錨桿的錨固定端設(shè)計(jì)在松弛區(qū)以外的穩(wěn)定巖體之中。焦家金礦進(jìn)路斷面為3m×3m。由于方形和矩形硐室的力學(xué)分析非常復(fù)雜,目前還沒有確定的分析方法,而實(shí)際中也很難開挖出完全的方形或矩形硐室,大多是類似于圓帽形的硐室。另外,根據(jù)普氏平衡拱理論,在自重應(yīng)力場(chǎng)中,矩形坑道頂板巖體中存在一個(gè)拉應(yīng)力區(qū),其形狀為中間高、兩邊低。普氏認(rèn)為,當(dāng)拉應(yīng)力超過巖體抗拉強(qiáng)度時(shí),巖體將發(fā)生破壞,破壞的范圍將達(dá)到拉應(yīng)力低于巖體抗拉強(qiáng)度處,最終形成一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定的拱形。但在繼續(xù)開挖后,頂板的應(yīng)力場(chǎng)又將進(jìn)一步重新分布,因此,為了能夠較好地分析焦家金礦在開挖后回采進(jìn)路頂板的穩(wěn)定性,需要做如下假設(shè):研究區(qū)的礦巖體為局部均質(zhì)、各向同性的材料;焦家金礦的進(jìn)路斷面是圓帽狀即頂板與兩側(cè)相鄰礦柱為圓形;研究區(qū)為已全部回采完畢且沒有進(jìn)行任何支護(hù)的最危險(xiǎn)時(shí)段。根據(jù)前節(jié)坑道巖體穩(wěn)定性分析所提供的判斷巖體穩(wěn)定性的方法,用式(3)計(jì)算出松弛區(qū)半徑R,通過松弛區(qū)半徑與進(jìn)路半徑a的大小對(duì)比來判斷巖體的穩(wěn)定性。由于沒有進(jìn)行任何支護(hù)措施,故支護(hù)力Pi=0,原巖應(yīng)力P0為某一開采深度時(shí)的自重應(yīng)力,按P0=r·g·h計(jì)算,粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角為前面巖體工程力學(xué)參數(shù)折算出的數(shù)據(jù)參數(shù),進(jìn)路半徑為a=1.5m,可以計(jì)算表1所示的相關(guān)參數(shù)。(1)焦家金礦松弛半徑R值表明,焦家礦區(qū)-270中段的黃鐵絹英巖化變輝長(zhǎng)巖質(zhì)碎裂巖松弛半徑R值最大(2.14)。這種巖體頂板的松弛區(qū)半徑已經(jīng)超過了原進(jìn)路半徑的1.5倍,故該巖性的頂板穩(wěn)定性很差,很容易引起松弛區(qū)的巖體冒落,繼而擴(kuò)大塑性區(qū)半徑,產(chǎn)生大面積塌方。(2)其余巖性的頂板松弛區(qū)半徑均沒有超過原進(jìn)路半徑,穩(wěn)定性較好。但焦家礦區(qū)-330中段的鉀化、硅化花崗巖和黃鐵絹英巖化花崗巖巖體頂板松弛區(qū)半徑很接近原進(jìn)路半徑,處于臨界狀態(tài),因此,也需要重視,隨著時(shí)間因素的影響,在一段時(shí)間后半徑很有可能擴(kuò)大,并超過原進(jìn)路半徑,形成松弛區(qū),從而使不穩(wěn)定性增加。5上盤回采進(jìn)路方式焦家金礦工程地質(zhì)條件復(fù)雜,在礦區(qū)沿走向范圍內(nèi)可以分為多種巖體結(jié)構(gòu)類型,焦家礦區(qū)調(diào)查區(qū)域中,75~82#和116~118#勘探線之間,巖體穩(wěn)定性情況一般;124#線靠近上盤斷層附近,穩(wěn)定性最差;其余勘探線區(qū)段巖體較破碎,穩(wěn)定性較差。焦家金礦礦體分布主要受斷裂蝕變帶控制,礦體主要產(chǎn)于主斷層下盤約50m(水平距離)內(nèi)的碎裂巖和絹英巖帶內(nèi),礦體走向NE10~50°,傾向NW,傾角25~45°,礦體厚度0.5~30m不等,平均厚16.43m。根據(jù)礦體厚度和采場(chǎng)實(shí)際情況,回采進(jìn)路分為沿礦體走向和垂直礦體走向2種布置方式。采場(chǎng)沿礦體走向布置,采場(chǎng)寬度即為礦體水平厚度,采場(chǎng)長(zhǎng)度30~90m不等,中段高度為40m,分段高度9~12m(服務(wù)3~4分層),采場(chǎng)分層高度3m。為了減小礦體上盤主斷層暴露面積,維護(hù)礦巖穩(wěn)定,宜優(yōu)先采用垂直礦體走向布置進(jìn)路方式。一般先在脈內(nèi)沿礦體下盤自分層聯(lián)巷分別向南北兩側(cè)拉沿脈平巷至采場(chǎng)邊界后再布置回采進(jìn)路。進(jìn)路規(guī)格可根據(jù)礦巖穩(wěn)固情況選定,一般為寬(2.5~3.5m)×高(2.5~3.0m)。6巖體穩(wěn)定性分析(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明,焦家金礦區(qū)礦石多以黃鐵絹英巖及黃鐵絹英巖化花崗巖為主,區(qū)域內(nèi)斷層泥及其以上5~10m范圍內(nèi)的黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖以及76線以北地段,由于風(fēng)化作用,巖石較破碎,裂隙發(fā)育,松軟,局部裂隙較發(fā)育。(2)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明:焦家礦區(qū)巖石的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較低,巖石質(zhì)量較差,特別是離主斷層較近的黃鐵絹英巖和黃鐵絹英巖化變輝長(zhǎng)巖質(zhì)碎裂巖,其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都明顯低于其他巖石,質(zhì)量很差。(3)采用目前常用的三大類巖體穩(wěn)定性分級(jí)方法,即Q系統(tǒng)、RMR分類和國(guó)標(biāo)BQ分級(jí)法對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí),結(jié)果表明,焦家礦區(qū)巖體穩(wěn)定性均屬于一般至較差。具體而言,焦家礦區(qū)北段巖體穩(wěn)定性多歸為IV級(jí),巖體較破碎,穩(wěn)定性差;中部103~129勘探線之間巖體基本為Ⅲ級(jí),巖體穩(wěn)定性情況較差;南翼絹英巖及下盤鉀化或硅化花崗巖巖體,歸為II~III級(jí),巖體穩(wěn)定性一般。(4)不同巖性頂板穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果顯示:焦家礦區(qū)黃鐵絹英巖化變輝長(zhǎng)巖質(zhì)碎裂巖回采進(jìn)路設(shè)計(jì)所計(jì)算