郭東東

（中國黃金集團(tuán)陜西太白黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721067）

隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)數(shù)量的提升，淺埋礦產(chǎn)開發(fā)量已經(jīng)接近頂峰，想要滿足資源的需求，一定要開發(fā)更深層礦產(chǎn)資源，為此礦產(chǎn)資源開發(fā)難度就會(huì)大大增加。地下的深埋礦產(chǎn)資源開發(fā)的過程中，圍巖穩(wěn)定性的控制非常重要，尤其是最近幾年，我國礦產(chǎn)開發(fā)過程中事故的頻發(fā)，急需找出更加合適的礦產(chǎn)開發(fā)填充采礦方法，為此必須研究不同圍巖條件之下充填采礦方法。

1 圍巖壓力計(jì)算

1.1 洞室圍巖的壓力理論值計(jì)算

在普氏理論中，開始挖掘的時(shí)候，頂部的巖體將會(huì)不在穩(wěn)定，可能出現(xiàn)坍塌，構(gòu)成自然拱，巖石自重的破壞，也就形成了隧洞支護(hù)圍巖壓力。

以普氏理論為基礎(chǔ)，拱假定壓力的拱形可看成二次拋物線，拱的高度是h1，可用該計(jì)算公式確定出壓力拱高h(yuǎn)1：

根據(jù)此理論，研究人員建立了1064個(gè)隧道樣品的塌方數(shù)據(jù)庫，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行計(jì)算他，統(tǒng)計(jì)出塌方高度概率的參數(shù)，并使用K-S的檢驗(yàn)方法就分布概型的優(yōu)度進(jìn)行了擬合的檢驗(yàn)，最終得到深埋隧道圍巖壓力的計(jì)算公式：

q=γh；

h=0.45×2s-1ω ；

公式中q是垂直均分布?jí)毫?，單位是kN/m2；γ是圍巖的重度，單位是kN/m3；S是圍巖級(jí)別；是寬度影響系數(shù)，ω=1+i（B-5），其中i是B每增減1m的時(shí)候，圍巖壓力增減率，將B=5m時(shí)圍巖垂直壓力為準(zhǔn)，如果B＜5m的時(shí)候，i可為0.2；如果B＞5m的時(shí)候，i可為0.1；水平均分壓力可依照表1進(jìn)行計(jì)算。

表1 圍巖水平的均布?jí)毫?/p>

1.2 模擬驗(yàn)證洞室圍巖壓力的數(shù)值

設(shè)定填充體的抗壓強(qiáng)度時(shí)4.0Mpa、3.5Mpa、3.0Mpa，以此三種方案下圍巖洞室壓力做比較分析。以平面應(yīng)變模型，其四周的邊界會(huì)超出開采區(qū)域的5倍，把上部的埋深折算成荷載并施加，并在頂部以1.16Mpa的荷載，而在底部進(jìn)行固定。得出模擬結(jié)果的比較數(shù)據(jù)，見表2。

表2 圍巖應(yīng)力的解析解同模擬結(jié)果的比較

從表中可以得，模擬的結(jié)果同解析解得圍巖應(yīng)力的差值并不是很大，模擬垂直應(yīng)力的結(jié)果同理論計(jì)算值差值分別為4.14%、6.06%、4.53%，同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值差異分別是3.94%、6.11%、2.21%。還有就是水平應(yīng)力的模擬結(jié)果，其理論公式計(jì)算的差異分別是5.59%、6.47%、1.02%，同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值差異分別是2.81%、6.11%、2.21%。每一個(gè)差值都不是很大，可見模擬結(jié)果具有一定準(zhǔn)確性，為此可以繼續(xù)采用這種模擬的方式。

1.3 模擬驗(yàn)證六邊形洞室壓力數(shù)值

為對(duì)數(shù)值模擬是否準(zhǔn)確進(jìn)行驗(yàn)證，以有限元分析軟件模擬出圍巖洞室應(yīng)力值，填充體的抗壓強(qiáng)度分別是2.0Mpa、1.5Mpa、1.0Mpa的三種方案。以平面應(yīng)變模型開始，四周的邊界超出開采區(qū)的5倍。邊界的條件：頂部施加0.71Mpa荷載、上部的深埋折算成荷載施加，兩邊根據(jù)側(cè)壓力的系數(shù)去設(shè)置邊界條件，并進(jìn)行底端的固定。這種模擬能夠反應(yīng)出六邊形的巷道的周圍應(yīng)力分布情況，而出現(xiàn)誤差的影響因素，可能是在模擬過程中運(yùn)用了平面應(yīng)變假設(shè)。

2 構(gòu)建模型并優(yōu)化填充方案

2.1 設(shè)計(jì)初始的模型

設(shè)計(jì)出六邊形的礦房的鐵礦初始模型，因?yàn)槟Ｐ偷某叽绮皇呛苄?，需要將其中局部開采物進(jìn)行放大，以實(shí)際工程中開采尺寸為基礎(chǔ)，設(shè)定模型的X向是380m，而Y向需要取單位的長度，Z則是300m，礦房的尺寸中腰寬是6m，底邊寬是3m，高度是5.2m。確定出模型邊界的條件：針對(duì)其兩側(cè)X方向進(jìn)行約束，閱讀底端的固定，模型的頂部以上部的巖體自身重量等，加上0.7Mpa的荷載，采用填充方法的抗壓強(qiáng)度是2.0Mpa的材料，挖掘的順序?yàn)楦粢徊梢?，自上而下?/p>

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)多因素的采礦方案

以初始模型為基礎(chǔ)，對(duì)其不斷進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)鐵礦圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行多角度的探究，設(shè)定出影響因素包括二次填充體的強(qiáng)度、充填體強(qiáng)度、一次充填的高度，然后研究這些因素對(duì)于圍巖穩(wěn)定程度的影響，詳細(xì)方案如圖1。

圖1 模擬方案的設(shè)計(jì)

2.3 圍巖應(yīng)力的監(jiān)測

為更好地探究出圍巖應(yīng)力與開采進(jìn)度之間的規(guī)律，需要設(shè)定不同的位置的應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，在圍巖的頂板位置，設(shè)置了五個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，而其上部的監(jiān)測點(diǎn)在圍巖的頂板部分，均勻地分布，并在圍巖的兩側(cè)設(shè)三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，這樣就能監(jiān)測出，開采深度的增加與圍巖兩側(cè)的應(yīng)力變化的趨勢。

3 研究六邊形采礦方法開采體況的圍巖穩(wěn)定性

3.1 充填高度產(chǎn)生的影響

因?yàn)樵诘谝徊降臅r(shí)候，并沒有進(jìn)行充填，充填高度的三種方案中，圍巖塑性區(qū)域面積是一致的，但是開采逐漸深入，塑性面積也就出現(xiàn)了差異，單純看塑性區(qū)域面積及其占比去看，三個(gè)方案的填充高度，都能確保圍巖的穩(wěn)定性，但是經(jīng)過對(duì)比可知，當(dāng)一次填充高度是2.6m的時(shí)候，影響到圍巖塑性區(qū)面積最為小，也就能維護(hù)圍巖塑性區(qū)域，減少其面積生成。

分析三種方案的安全系數(shù)，三種方案下，第一步的圍巖安全系數(shù)都是2.51，在開采之前的3步驟，因?yàn)樵紟r層可用填充體進(jìn)行取代，這時(shí)初始層搭配填充體材料進(jìn)行過渡的階段，進(jìn)而圍巖的沉降會(huì)突然增加，這時(shí)安全系數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；之后開采區(qū)域的上部全都是填充材料，因此安全系數(shù)則不沒有突然的變化。并且隨著開采的深度增加，安全系數(shù)逐漸變得緩和，也有降低的趨勢。三種方案的安全系數(shù)分別是1.39和1.55以及1.46，這都可以確保圍巖的穩(wěn)定性，但是一次填充的高度是2.6m的時(shí)候，圍巖穩(wěn)定性最好。

3.2 充填體強(qiáng)度產(chǎn)生的影響

針對(duì)填充體的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)出三種不同強(qiáng)度的填充方案，這三個(gè)方案的圍巖安全系數(shù)有著相似的變化規(guī)律，均是開采前的5步時(shí)安全系數(shù)的降低比較明顯，之后著慢慢地變緩。當(dāng)?shù)谝徊介_采完成時(shí)，礦房并沒有填充，所以第一步的安全系數(shù)都是2.51，之后步驟則在圍巖上部的充填體逐漸增多，這時(shí)填充體的強(qiáng)度則會(huì)對(duì)于圍巖安全性產(chǎn)生的影響更大，也就出現(xiàn)了差異，最終安全系數(shù)分別是1.32和1.55以及1.68，也就能看出，充填體的強(qiáng)度越來對(duì)于高，圍巖的安全系數(shù)也會(huì)跟著增加。

3.3 二次充填體強(qiáng)度產(chǎn)生的影響

二次填充體的強(qiáng)度不同，設(shè)計(jì)出三種不同填充方案，此三種方案的安全系數(shù)的規(guī)律表現(xiàn)為，開采之前的五步呈現(xiàn)降低明顯的趨勢，開采深入，逐漸變緩，深度逐漸提升，安全系數(shù)也有下降的變化。開采第一步的三種方案安全系數(shù)都是2.51，在圍巖開采結(jié)束之后，安全系數(shù)則是0.84和1.18以及1.32，而當(dāng)二次填充體的強(qiáng)度時(shí)0.5MPa的時(shí)候，其安全系數(shù)沒有超過1，這時(shí)不能很好的確保圍巖施工過程中的穩(wěn)定狀態(tài)。為此，分析圍巖穩(wěn)定性受到二次填充體的強(qiáng)度進(jìn)行分析，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)則是安全系數(shù)，當(dāng)二次填充體的強(qiáng)度時(shí)1.0MPa、0.7MPa的時(shí)候，可以滿足施工的標(biāo)準(zhǔn)，如果強(qiáng)度時(shí)0.5MPa的時(shí)候，其安全系數(shù)沒有超過1，穩(wěn)定性就不能保證。

3.4 確定最合適的開采方案

經(jīng)過對(duì)各種影響因素對(duì)于安全系數(shù)的影響，為某個(gè)鐵礦的開采工作確定出最佳開采方案，2.6m的一次充填高度；填充材料的強(qiáng)度是1.0MPa，作為一次填充體的材料，填充材料的強(qiáng)度是0.7MPa，作為二次填充體的材料，開采順序則是隔一采一的方式，這就能更好地保證鐵礦的開采過程中圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

綜上所述，在礦產(chǎn)資源的開采中，針對(duì)不同圍巖，需要采用不同填充開采方案，從充填高度、充填體強(qiáng)度、二次充填體強(qiáng)度、開采順序，進(jìn)而找出最佳的開采方案，這對(duì)于未來礦產(chǎn)資源的開發(fā)有著積極的作用。