巖體穩(wěn)定性評價研究

巖體穩(wěn)定性評價研究

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,部分進路規(guī)格選擇不合理,導致安全投入大、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)域為焦家礦區(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客觀上都需要對礦山巖石力學性質(zhì)進行全面的調(diào)查、分析、測定與研究,根據(jù)不同礦區(qū)或同一礦區(qū)不同礦段巖石的力學性質(zhì),有針對性地變革和采用大規(guī)模、高效率、低成本的采礦方法。因此,本項目對于焦家金礦實現(xiàn)持續(xù)快速發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。1地質(zhì)構(gòu)造特征工作區(qū)位于華北地臺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)地層簡單,斷裂發(fā)育,巖漿巖廣布。焦家金礦床Ⅰ號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°,局部傾角較陡(60~70°),沿走向及傾向均呈舒緩波狀展布,膨脹夾縮、分支復合特征極為明顯,中部的新城—大塚坡地段沿新太古代五臺—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)為標志,基本沿斷裂破碎帶中部展布,由里向外,上盤依次為黃鐵絹英巖化變輝長巖質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化變輝長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)造巖基本呈對稱分帶。依據(jù)斷裂與成礦的關系,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)造交會部位都是工業(yè)礦化有利地段。此外,伴生裂隙構(gòu)造對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)礦體的實際情況,確定調(diào)查地點(圖1)。本次巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查采用現(xiàn)場測線調(diào)查法,測線布置如圖2所示,將測線上下0.5m的范圍作為測帶,調(diào)查工作在測帶以內(nèi)進行。為了工作方便,沿巷道壁面距底板1m處安置測尺作為測線。測尺水平拉緊,基點設在開始調(diào)查點,從基點開始沿測線方向?qū)Ω鳂?gòu)造因素進行測定和統(tǒng)計。通過對焦家金礦工程地質(zhì)進行調(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,由于風化作用,巖石破碎強烈,裂隙發(fā)育,松軟。3試件抗壓強度、強度和強度在礦山開采過程中,由于受進路充填采礦方法的影響,根據(jù)工程巖體試驗分別采用單軸抗壓強度試驗,抗拉強度試驗,單軸壓縮變形試驗對巖體進行力學測試。單軸抗壓強度試驗,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。從曲線圖上可以直接讀出試件破壞時的最大荷載,并按式R=P/A,(式中:R為巖石單軸抗壓強度(MPa),計算值取3位有效數(shù)字;P為試件破壞荷載(N);A為試件截面積(mm2))計算出巖石的最大抗壓強度。在焦家礦區(qū),單軸抗壓強度值基本沒有超過100MPa,雖然不同巖性巖石的抗壓強度變化較大,但都不是很高,說明礦區(qū)巖石的質(zhì)量較差。抗拉強度試驗,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為巖石抗拉強度(MPa),計算值取3位有效數(shù)字;P為試件破壞荷載(N);D為試件直徑(mm))計算出巖石的最大抗拉強度。單軸壓縮變形試驗,由試件壓縮應力—應變曲線圖(圖5和圖6)可以看出,試件在受均勻單向荷載作用下,應力—應變曲線圖均表現(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到中間的某一段時間,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。個別試件在施加的荷載達到一定值時,表現(xiàn)出近于屈服的特征,在很短時間內(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力段內(nèi)的應變差和應力差,按下式即可計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為應力與縱向應變關系曲線上直線段始點的應力(MPa);δ2為應力與縱向應變關系曲線上直線段終點的應力(MPa);ε1、ε2、εa和εb分別是應力為δ1、δ2、δa和δb時的縱向應變值;εc和εd分別是應力為δc和δd時的橫向應變值。圖7和圖8是試件壓縮橫向應變、縱向應變與時間的曲線圖(橫坐標軸為記錄時間點,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,泊松比的計算與應力實際值無關,而是在某一曲線上表現(xiàn)為直線的應力段,即時間段內(nèi)橫向應變與縱向應變之比,根據(jù)此曲線圖按公式可得出巖石泊松比值。4焦家金礦進路及支護力分析坑道開挖后,圍巖內(nèi)發(fā)生應力重分布,周邊附近是應力集中帶。假定圍巖呈彈塑性變形,可用莫爾—庫侖強度理論建立其屈服條件:式中:δθ,δr分別為圍巖發(fā)生屈服破壞時的徑向和切向應力;Cm,φm分別為巖體的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。當圍巖應力滿足這個屈服條件時,將在坑道邊附近形成一個塑性區(qū)。塑性區(qū)巖體向坑道內(nèi)變形移動,如果沒有支護,最終將發(fā)生離層松脫冒落,接著會產(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)切向應力等于原巖應力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)半徑作為噴錨支護設計的依據(jù),將錨桿的錨固定端設計在松弛區(qū)以外的穩(wěn)定巖體之中。焦家金礦進路斷面為3m×3m。由于方形和矩形硐室的力學分析非常復雜,目前還沒有確定的分析方法,而實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,在自重應力場中,矩形坑道頂板巖體中存在一個拉應力區(qū),其形狀為中間高、兩邊低。普氏認為,當拉應力超過巖體抗拉強度時,巖體將發(fā)生破壞,破壞的范圍將達到拉應力低于巖體抗拉強度處,最終形成一個暫時穩(wěn)定的拱形。但在繼續(xù)開挖后,頂板的應力場又將進一步重新分布,因此,為了能夠較好地分析焦家金礦在開挖后回采進路頂板的穩(wěn)定性,需要做如下假設: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行任何支護的最危險時段。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)計算出松弛區(qū)半徑R,通過松弛區(qū)半徑與進路半徑a的大小對比來判斷巖體的穩(wěn)定性。由于沒有進行任何支護措施,故支護力Pi=0,原巖應力P0為某一開采深度時的自重應力,按P0=r·g·h計算,粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角為前面巖體工程力學參數(shù)折算出的數(shù)據(jù)參數(shù),進路半徑為a=1.5m,可以計算表1所示的相關參數(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)半徑很接近原進路半徑,處于臨界狀態(tài),因此,也需要重視,隨著時間因素的影響,在一段時間后半徑很有可能擴大,并超過原進路半徑,形成松弛區(qū),從而使不穩(wěn)定性增加。5上盤回采進路方式焦家金礦工程地質(zhì)條件復雜,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)礦體厚度和采場實際情況,回采進路分為沿礦體走向和垂直礦體走向2種布置方式。采場沿礦體走向布置,采場寬度即為礦體水平厚度,采場長度30~90m不等,中段高度為40m,分段高度9~12m(服務3~4分層),采場分層高度3m。為了減小礦體上盤主斷層暴露面積,維護礦巖穩(wěn)定,宜優(yōu)先采用垂直礦體走向布置進路方式。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)拉沿脈平巷至采場邊界后再布置回采進路。進路規(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)巖石力學測試結(jié)果表明:焦家礦區(qū)巖石的抗壓強度和抗拉強度均較低,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巖質(zhì)碎裂巖,其抗壓強度和抗拉強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)定性分級方法,即Q系統(tǒng)、RMR分類和國標BQ分級法對巖體穩(wěn)定性進行分級,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,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,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,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巖質(zhì)碎裂巖回采進路設計所計算