陜西徐家溝銅礦破碎礦體出礦巷道間距研究

郭進(jìn)平 李 明 王小林，2(.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安 70055；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 龍巖 364200)

巷道開(kāi)挖后周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)應(yīng)力將重新分布，若2相鄰的平行巷道間距過(guò)小，巷道會(huì)處于彼此的應(yīng)力升高區(qū)，導(dǎo)致巷道的穩(wěn)定性變差[1]。對(duì)于一般的平行巷道間距問(wèn)題，目前主要考慮相鄰巷道的穩(wěn)定，通過(guò)分析相鄰巷道間擾動(dòng)效應(yīng)來(lái)進(jìn)行研究[1-3]。出礦巷道屬于平行巷道的一種，但又不同于一般的平行巷道，是采場(chǎng)礦石放出的咽喉通道，間距過(guò)大時(shí)相互之間應(yīng)力疊加降低，巷道穩(wěn)定性提高，但巷道之間的脊部殘留和下盤(pán)殘留礦量增加，礦石回收率無(wú)法保證[4]。因此，出礦巷道間距問(wèn)題既涉及礦石回收率又涉及巷道穩(wěn)定性，其實(shí)質(zhì)是在礦石回收率和出礦巷道穩(wěn)定性間取得平衡。

1 礦山概述

陜西省徐家溝銅礦礦體和圍巖均十分破碎，巖體強(qiáng)度低，圍巖表現(xiàn)出大變形的特點(diǎn)。根據(jù)礦體特征和礦巖性質(zhì)，礦山采用階段留礦崩落法[5]回采，如圖1,中段高50 m，礦塊長(zhǎng)50 m，一側(cè)向另一側(cè)連續(xù)回采，每次落礦只出一部分，利用采場(chǎng)留礦支撐頂板，底部結(jié)構(gòu)為平底塹溝形式，礦體厚度超過(guò)15 m時(shí)采用雙塹溝。

圖1 階段留礦崩落法Fig.1 Stage shrinkage caving method1—中段脈外下盤(pán)運(yùn)輸平巷；2—行人通風(fēng)天井；3—塹溝平巷；4—切割平巷；5—切割天井；6—精礦進(jìn)路；7—鑿巖硐室；9—脈內(nèi)運(yùn)輸巷道

階段留礦崩落法無(wú)法像無(wú)底柱分段崩落法那樣“轉(zhuǎn)段回收”[6]，一是因?yàn)樯舷轮卸蔚某龅V巷道很難形成交錯(cuò)布置，脊部殘留難以回收；二是因?yàn)椴蓤?chǎng)頂板主要靠采場(chǎng)留礦來(lái)支撐，隨著采場(chǎng)礦石的大規(guī)模放出，頂板失穩(wěn)下落，而礦體平均傾角只有60°，下盤(pán)礦石流動(dòng)性較差，很容易因上盤(pán)圍巖的混入而被截?cái)?，形成永久損失。因此，本中段的礦石要盡可能在本中段進(jìn)行回收。

先根據(jù)橢球體放礦理論進(jìn)行放礦實(shí)驗(yàn)，得到徐家溝銅礦礦石放出體的偏心率方程，獲得特定放出高度下礦石放出體的短軸參數(shù)，然后按照放出體空間相切排列求得理論上的出礦巷道間距，最后通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)出礦巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 礦石流動(dòng)規(guī)律研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料制備與裝填

按照相似實(shí)驗(yàn)幾何相似、物理相似和物料級(jí)配相似的要求，實(shí)驗(yàn)所用的散體顆粒由現(xiàn)場(chǎng)礦石按照1∶50的相似比例破碎而成，粒徑級(jí)配與現(xiàn)場(chǎng)一致，如表1。

表1 礦石粒度及配比Table 1 Ore grain size and mixing ratio

按照橢球體放礦理論，放出體是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的橢球體，因此放礦口布置在模型下盤(pán)邊界以減少模型尺寸。實(shí)驗(yàn)假定采場(chǎng)上盤(pán)能夠在礦石放出過(guò)程中保持穩(wěn)定，為避免模型邊界影響礦石放出體的發(fā)育，模型厚50 cm，寬50 cm，高1.2 m。放礦口尺寸為4.4 cm×4.8 cm，模擬現(xiàn)場(chǎng)2.2 m×2.4 m的進(jìn)路。為模擬采場(chǎng)放礦條件下的橢球體形態(tài)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢A斜布置，頂?shù)装迮c水平面夾角為60°(礦體平均傾角)。礦石裝填高度1 m，垂直間隔5 cm布置1層直徑5 mm的黃色標(biāo)記顆粒，標(biāo)記顆粒間距為2.5 cm。標(biāo)記顆粒擺放和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model

2.2 放出體參數(shù)測(cè)定

根據(jù)放出的標(biāo)記顆粒圏繪出放出體輪廓，沿進(jìn)路方向和垂直進(jìn)路方向這2個(gè)典型的放出體剖面如圖3，其中垂直進(jìn)路方向放出體剖面的右半部分由左半部分對(duì)稱而得。

圖3 典型剖面放出體曲線Fig.3 Typical profile of ore-drawing body

量取放出體的參數(shù)，按照1∶50的相似比折算成放出體實(shí)際尺寸，如表2，表中a為放出體長(zhǎng)半軸，b為垂直出礦巷道方向的半軸，沿出礦巷道方向的半軸因與本研究無(wú)關(guān)而未作統(tǒng)計(jì)。

表2 礦石放出體實(shí)際參數(shù)Table 2 Actual parameters of ore-drawing body

表2中放出體的偏心率計(jì)算方法如下：

(1)

研究表明，放出體的高度H與偏心率存在以下關(guān)系[7]：

1-ε2=KH-n,

(2)

式中,K稱移動(dòng)邊界系數(shù)，n稱移動(dòng)跡線指數(shù)，兩者都是與礦巖性質(zhì)和放礦條件有關(guān)的待求常數(shù)。對(duì)表2中的偏心率進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸，得到短半軸b的偏心率方程。

(3)

由式(3)可求得任意放礦高度對(duì)應(yīng)的放出體偏心率，進(jìn)而求得放出體短軸參數(shù)。

3 出礦巷道間距理論計(jì)算

一般認(rèn)為，空間上每個(gè)純礦石放出體相切時(shí)礦石的損失貧化率最小，即采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)。按照這一原理，放出體有大間距和高分段2種排列方式[8]。

按照放出體大間距排列方式，分段高度h和進(jìn)路間距B有如下關(guān)系[8]：

(4)

按照放出體高分段排列方式，分段高度h和進(jìn)路間距B有如下關(guān)系[8]：

(5)

采場(chǎng)高度達(dá)到50 m，采用高分段理論較為合適。放出高度近似取H=50 m，a=25 m，代入式(3)和式(1)，求得b=6.53 m，代入式(5)，求得進(jìn)路間距B=15.1 m。

4 FLAC3D數(shù)值模擬

4.1 方案設(shè)計(jì)及數(shù)值建模

按照“本中段礦石盡量在本中段回收”的原則，實(shí)際的出礦巷道間距應(yīng)小于理論計(jì)算的15.1 m。礦塊長(zhǎng)50 m，為使各出礦巷道負(fù)擔(dān)的出礦面積大體一致，取進(jìn)路間距B=10 m(方案Ⅰ)和B=12.5 m(方案Ⅱ)2種方案進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬。模型長(zhǎng)40 m，寬25 m，高25 m，共72 080個(gè)單元，去除部分圍巖后如圖4。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model

4.2 材料參數(shù)及應(yīng)力場(chǎng)

數(shù)值計(jì)算采用Mohr-Coulomb模型，巖體參數(shù)如表3。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)Table 3 Rock mechanics parameters

礦山垂直應(yīng)力6.87 MPa，水平最大應(yīng)力10.74 MPa，與礦體走向垂直，水平最小應(yīng)力7.29 MPa，與礦體走向平行[9]。模型四周和底面采用位移約束，模型頂面施加上覆巖體產(chǎn)生的垂直均布荷載，模型四周施加在垂直方向上線性增加的水平荷載。

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圍巖位移是巷道各種力學(xué)狀態(tài)的綜合反映[10]，垂直應(yīng)力可反映相鄰巷道應(yīng)力的疊加情況，塑性區(qū)體積則反映了巖體的破壞程度[11]，因此選取位移、垂直應(yīng)力和塑性區(qū)體積等指標(biāo)對(duì)2種方案的巷道穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.3.1 計(jì)算結(jié)果

2種比較方案的位移、垂直應(yīng)力如圖5～圖7。

圖5 垂直位移Fig.5 Vertical displacement

圖6 水平位移Fig.6 Horizontal displacement

圖7 垂直應(yīng)力Fig.7 Vertical stress

由圖5～圖7可知，方案Ⅰ的頂板位移為4.37 cm，底板位移為4.52 cm，側(cè)幫位移為4.01 cm，垂直應(yīng)力為10.80 MPa；方案Ⅱ的頂板位移為3.83 cm，底板位移為4.18 cm，側(cè)幫位移為3.65 cm，垂直應(yīng)力為9.98 MPa，分別比方案Ⅰ小12.4%，7.5%，9.0%和7.6%。計(jì)算表明，方案Ⅱ的塑性區(qū)體積為210.5 m3，比方案Ⅰ的267.8 m3小21.4%?？梢?jiàn)，方案Ⅱ的巷道穩(wěn)定性要明顯好于方案Ⅰ。

4.3.2 結(jié)果分析

從礦石回收率上看，方案Ⅰ要優(yōu)于方案Ⅱ，但方案Ⅰ的巷道穩(wěn)定性要明顯低于方案Ⅱ。鑒于方案Ⅱ的進(jìn)路間距為12.5 m，已經(jīng)小于橢球體放礦理論計(jì)算的理論值15.1 m，礦石回收率能夠得到保證，巷道穩(wěn)定性也明顯優(yōu)于方案Ⅰ。因此綜合考慮認(rèn)為徐家溝銅礦出礦巷道間距取12.5 m較為合適。但也應(yīng)看到，由于巖體破碎、強(qiáng)度低，徐家溝銅礦出礦巷道變形較大，必須選取適合圍巖大變形的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。

5 結(jié) 論

(1)出礦巷道不同于一般的平行巷道，確定間距時(shí)不能只考慮巷道穩(wěn)定性或者礦石回收率，而要盡量在巷道穩(wěn)定性和礦石回收率間取得平衡。

(2)徐家溝銅礦礦體破碎，采場(chǎng)頂板不穩(wěn)，脊部殘留和下盤(pán)殘留礦石難以做到轉(zhuǎn)段回收，為減少采場(chǎng)礦石損失，本中段礦石應(yīng)盡量在本中段回收。

(3)根據(jù)橢球體放礦理論開(kāi)展放礦實(shí)驗(yàn)獲得徐家溝銅礦礦石放出體的偏心率方程，放礦高度為50 m時(shí)放出體b軸長(zhǎng)6.53 m，按照放出體高分段排列確定出礦巷道的理論間距為15.1 m。實(shí)際采用12.5 m的間距時(shí)，既能最大限度保證出礦巷道的穩(wěn)定，又能提高礦石的回收率。

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