基于块体理论的深部巷道围岩稳定性分析.pdf

T f fl a l l 4 8 N0 ． 6 2 0l 7 铜拳二并 暑 PPER ENGI NEERI NG 总第 l 4 8期 2 0 1 7年第 6期 基予块体理论 岭瀑部 巷遘曛岩稳 窟性分析 吴清明，曹敏 中国黄金集团 夹皮沟矿业有限公司，吉林 桦甸 1 3 2 4 1 1 摘要 块体理论说明，对丁计下巷道同 存在节理裂隙的情况，巷道的稳定性取决于岩体结构面与临空 所构成的块体的稳定性。【太 1 _此，对巷道 岩稳定性分析可以归结为块体稳定性分析。由于关键块体是地下一 r 歼挖 片先火稳的块体，I 此被引起高度重视 L I N WE D G E软件是分析块体稳定性的有效T具．通过分析可 以得t l { 关键块体及其安伞系数针‘ 对夹皮沟金矿二道沟矿深部开采复杂地压和岩体节理裂隙情况，运厢块体理 论及 U N WE D G E软件对巷道同 所做的分析基本符合现场实际．可为合理确定深部巷道支护方案提供指导 关键词 深部开采 ； 巷道 ； 块体理论 ； U N WE D G E软件 ； 关键块体 中图分类号 T I 4 5 7 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 9 3 8 4 2 2 0 1 70 6 0 0 2 8 0 3 St a b i l i t y An a l y s i s o f De e p Ro a d wa y Su r r o un di n g Ro c k Ba s e d o n Bl o c k Th e o r y WU Q i n g mi n g ， C A O Mi n J i a p i g o u Mi n i n g C o ． ． L i d o f Ch i n a N a t i o n a l Go h t GI‘ o u p C o r p o r a t i o n ． ． Hu a d i a n 1 3 2 41 1 ． J i l i n ． Ch i n a Ab s t r a c t T h e b l o c k[ h e o r y S H O WS t h a i t h e s t a b i l i t y o f l b e r o a d w a y w i t h j o i n t fi s s l i r e s i n t h e S LI F 1 ’mind i n g r t ”k d e p e n d s o n t h e s t a b i l i t r o f t h e b l o c k 16 1 ’ i／ l e d b y t h e s l l ‘u ‘ t u r a l p l a n e a n d t h e l e mp o r a r y s i l t f a c e o f t h e r o e k ma s s ． Th e r e f o r e ． t h e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f r o a d wa y s l l r r o n n 1 i n g r o c k c a n b e a i t r i b u l e d“ b l o mi n i n g ； l ‘o a d w a y ； b l o c k t h e o r y ； UNW ED GE S o f l W；3 1 ’ ； k e y I l o c k s 1 引言 随着浅部矿产资源开采的逐渐减少，采矿向深 部发展是必然的趋势 ㈠。 。与浅部采矿相 比，深部开 采所处的地』 环境更为复杂。深部采矿巷道要经受巨 大的采动影响，巷道同岩压力数倍 、甚至近十倍于原 岩应力，浅井开采时原岩多处于弹性应力状态 ，而开 采进入深部后嗣岩则可能转变为塑I生 状态，即存在各 向不等压的应力造成的压 、剪应力超过岩石的强度， 导致 同岩的破坏 ，尤其是围岩裂隙较发育的情况， 巷道的破坏会更为容易。因此 ．研究深部裂隙岩体 的破坏特点是深井开采地压研究的重要方面。 夹皮沟金矿的二道沟矿开采深度已超过 l 5 0 0 m。 初步调研表明，最深部几个中段如 一 1 3 6 5 m中段 、一 1 4 1 0 l n中段的巷道 ，节理裂隙增多，岩石具有明显 受挤压的性状 ，采场 内的巷道 出现 片帮甚至冒落 ， 已严重制 约着矿山的正常生产 以及深部 资源的开 采。为了设计可靠有效地巷道支护方案 ，开展该矿 深部裂隙岩体破坏特征研究是十分必要 的。 2 块体理论概述 块体理论认为 ， 由于岩体 中天然存在节理裂隙 、 断层软弱夹层等结构面 ，这些结构 面将岩体切割成 收 稿 日期 2 0 1 7 - 0 9 3 0 作者简介 清明 1 9 8 6 一 ．男．工程师．占林长春人，从事采矿及其管理 I 作E m a i l l 3 5 9 6 2 9 0 0 7 6 I 3 9 n m 2 8 吴清明 ，曹敏 基于块体理沦的深部巷道 同岩稳定性分析 2 0 1 7年第 6期 块体 ，把岩体看作是刚性块体所构成的结构体 ，因 此岩体实际上是由许多岩块组成的非均质非连续结 构体。当巷道开挖过程 中及成巷后 即 司 岩巾形成 了临空面 ，临空面与相邻节理裂隙切割而成的众多 块体巾 ，当在各种 力的作』 l} 】 下 ，其安伞系数小于某 个值时就会发生沿软弱结构面的滑移。『 夫 】 失去平衡 其它块体随之 现滑移 ，最终导致巷道 同岩失稳 。 运用块体理论对巷道罔岩进行稳定分析时 ，破坏机 理为刚性块体沿节理裂隙面滑移 ，力学模型为刚体 平移。最先滑移的块体称为父键块体 ， 其是否稳定 ， 直接关 系到同岩的稳定性 、关键块体即作为块体理 论的主要分析对象 ，只有 关键块体保持稳定 ，巷 道同岩才能处于稳定。 块体理 沦是解决非 连续 块状 体岩 石工程的 重要方 法之一 ，它是一种结构 分析方法 ，是借助 于拓扑学 ，集合论 ，几何学和矢量代数学建立 的， 其基本假 定为 ① 结构而 为平 旺 【 『 ； ② 不考 虑岩石 块体本 身的强度破坏 ； ③结构体 为川体 ； ④ 在各 种荷载作用下 沿结 构 面产生剪 切滑 移是岩体失 稳 的根本原【 大 l 。 3 二道沟矿工程地质 二道沟矿 是夹皮沟金 矿的主 分矿，采用 明 肓 竖井联合开拓 ，现 已开拓 3 2个I t I 一 - I L ，中段高 度 4 0 ～ 4 5 m，目前开拓最深 邮巾段为 一 1 4 1 0 m中段 ， 卜 在进行探矿 T程 ，尚未到达预测矿体位置。采矿 方法为削壁充填法 3 ． 1 地质 概 况 矿体位于哑铃状钾质仡岗岩上盘接触带，呈 N w 向分布。深部矿体呈脉状和似板状产⋯，以石英脉 为主，矿体走 向 3 5 0 3 6 0 。 ，倾向为 N E 8 0 9 0 。 ，倾角 7 0 - 8 0 。 ，平均厚度 0 ．5 3 m，为急倾斜极薄矿体。控制 的T业矿体总延长 6 7 5 m ， 中单矿体最大延长5 5 0 m 。 矿体总延深 1 2 1 h n ，其中单矿体最大延深 8 7 h n 。上 盘同岩为各种片麻岩， 包括混合片麻岩 、 沣人片麻岩 、 细粒斜长片麻岩 、斜 长片麻岩以及碎裂崭等 ，下盘 岩以斜长角闪岩为主 ； 矿体形态较为规则。 表 1 1 3 6 5 m中段 主要 理裂隙测 表 3 ． 2 工程地质 矿体主要受断裂构造控制 ，呈脉状产 出，倾角 8 5 ～ 9 0 。 。厚度变化不大 ； 矿 界线清晰 ，矿脉与围 岩呈构造接触 ，稳 同性好 ； 成矿后仪有个别构造发 育 ，但对矿体 的连续性基本尤破坏 ，对开采没有影 响。矿体为含金石英脉 ，矿石坚 同性大 ，嗣岩稳定 性好。近矿同岩主要为片麻岩和角闪岩，穿凿性能 较好，爆破后块度适当。矿体下盘l韦 1 岩角闪岩容重 2 7 ． 0 4 k N ／ m ， 抗 强度 8 7 ． 1 6 MP a ， 抗托强度 8 ． 7 5 MP a 总之矿体与闱岩均属坚硬 一檄坚硬柑石 ，构造条件 简单 ， 地地震 动峰值加速度 』 『 0 ． 0 5 g；目前暂未 出现冲击地 趋向，} 兑明地应力不 菩，因此_T程 地质条件属简单等类型。 矿区风化带裂隙水含水层处于疏 F 状态，仪 雨季含水。J x L 化带以下完整 石为隔水层 ． 矿1 J 1 水 文地质条件属简单类 、 3 ． 3 节理裂隙 自然界巾的 体是在建造过程。 髟 成的，在建 造过程 t 经受过变形 、逍受过破坏的地质体 。这种 地质体具有独特的结构 一割裂结构 ，赋存于一定的 地质环境 中，深部 闹岩稳定性分析的任务就是探索 经过变形 、遭受过破坏的地质体冉变形和冉破坏的 规律 。为此 ，必须 从建造 的全部过程来掌握岩 体的特征，并从建造过程巾总结 f { J 规律米进一步预 测岩体力学行 为的未来变化 。 对于坚硬岩石 ，南于强度高 、有较强的抗变形 能力 ．在荷载作 用下巷道 4‘ t J 保持较好 的稳定 性 ，闪而如断层 而、层理面 、节理 、裂隙等这样 的 结构而将成为影响岩体力学性能的父键因素，因此 必 须 重视埘结构 的研 究 。J } 下采掘工程 的稳 定状态取决于 l节 1 岩 【 f J 结构而的分佰规律 、空间彤态 及其力学性质 。 岩体结构控制论将包括节理裂隙 、 断层面 、劈理 、软弱层等各种结构面巾对岩体稳定 性起控制作用的结构 称为优势结构面 。 为此 ，我们开展了井下 体节理裂隙调查。测 点布置在各典型中段平巷 内，每个测点调查规模为 9 m 左右 ． ．为了分析深部 岩的稳定性 ，下面仪列 出最深部开采的 一 l 3 6 5 m巾段 l l 6穿脉调查所得主 要 3组节理裂隙产状及有关参数，见表 1 。 2 9 T o ta l l 4 8 铜拳二矛 暑 总第 1 4 8 期 4 深部巷道 围岩稳定 性分析 4 ． 1 分 析 方法 往 r 1 然状 态下 ，同岩 中 南节理 、裂隙 、层理 及断层 等结构 面切 割而成的块体处 于受 力平 衡状 态 ，但 在巷道开挖过 程 中，由于临空面 的形 成破 坏 _ lr这 一平 衡状 态 ，即造 成某些 块体 失去 平衡 ， 继 而沿着结构 面冒落或滑动 ，其 结果就导致巷道 的失稳 ，块 体 的不稳定是巷道 同岩失稳 的 最 主要肜式 。 此 ，巷道 H 爿 岩 的稳定性可 以通过 块体分忻来说明 前 ，S h i H等提 f f { 的块体理论在地 下 f 程 块体稳定性分析中得到了』 一 泛的应用。加拿大多伦 多大学 E ． H o e k等依据石根华块体理论开发研制f 块 休稳 定分析程序 U N WE D G E ，程 序适 合_丁任 硬岩体【 1 ， 开挖H ,t n ,j 块体稳定性分析 L J N WE D G E算 法 的基 本假定 ① m 3组 结构 【 f l 『 币 l l 歼挖临空面相切形成块体 ，即块体为四 体 ； ② 只 号虑块体重 力及节理裂隙面 的力学性 质 ，不 号虑地应 力作 J【 千 J ； ③ 假定节 理裂隙 面为平 ，块 体 为刚体 ； ④ 结构 面 贯穿分析 域 ，产状保持 不 变但 r 叮以任意移 动 ； ⑤ 巷道 断面在轴线方 向保持 恒定 变 ； ⑥每次参 与组合的节理裂隙面最多为 3组 I 】 NWE DG E会 自动生 成关 键块 体 ， r 算 f f 1 每 一 个父 键块 体 安 全系数 F． S． T h e f a c l t r o f s a f e t y ，安全 系数 大 于 2的块 体认 为是 稳 定 的 块 体有 3种 破坏方式 ，即直接垮 落 ，沿单 面滑动 及滑 双 师滑 动。在不 考虑 地震 和地下 水作 j } j 时 ， 滑动 力即为块体 的重 力 ； 在滑动破坏 时 ，滑 动 力 为重力沿 滑动 面的切 向分 力 ；直接垮 落破 坏时 ， 滑动 力为块体 的重力 ；当重 力矢量超 块 体的基 底时 ，块体将 发生转动破坏 。 4 ． 2 关键块体识别 一 l 3 6 5 m中段 1 l 6穿脉邻近采场 ，受采动影响 较大，埘其进行稳定性分析 ，继而用以指导穿脉的 合理 支护 ，刈。 于维护采场安全生产是十分必 要的。 I I 6穿脉为近似 j心拱裸巷 ，走 向 1 0 7 。 ，高 2 ． 6 m 、 宽 2 ． 4 12 1 ，阳 为角闪岩。 将巷道断面及表 1 中的有关参数导人 U N WE I G E 软什，得到主夏结构面的办甲极射投影网见罔 l 3 【 1 W 图 l 结十 句 咖 平假射投 影 U N WE D G E软件采用赤平撇射投影法对块体进 行分析。经搜索分析得 3个关键块体 ，即 3 、4 、 5号块体 见 2 、3 、4 ，关键块体 足在各种 力 的作用下，南于滑动面』 - 的抗剪强度不足以抵御抖 { 动力 ，有 口 『 能失稳的块体 图2 3 块I S, j r 也 图3 4 块体， J 盥罔 下转 第 5 5页 闵昌松 降低阳极炉硫酸钡单耗的生产实践 2 0 1 7年第 6期 加成分 、配 比以及喷涂装置的改造等试验与实践 ， 使硫酸钡 的单耗从 3 ． 1 k 。 C u降低到 1 ． 9 5 k g ／ t C u ， 为阳极炉 圆盘浇铸系统的高效运行打下 了良好的基 础 ，同时发掘了自身的潜能 ，创造了很好的经济效 益 ，并在 同类生产企业中具有一定的推广价值 。 参考文献 [ 1 ]马涛 ， 陈雯 ， 沈强华 ． 等铜模浇铸阳极铜脱模剂的应用 I J ] ． 价值T 上接 第 3 O页 图4 5 号块体示意罔 4 ． 3 块体稳定性分析 1 由图 2得知 ，3号块体位 于巷道 的一帮 ， 其体积非常小，几乎可以忽略不计，对巷道稳定性 不造成影响。 2从图 3可见，4号块体位于巷道顶部 ，重 量 7 1 ． 6 k N，安全系数 0 ． 7 8 ，是不稳定的危险块体 ， 极易造成巷道顶板冒落。另一方面，4 号块体偏向 巷道侧帮 ，易导致片帮 。因此 ，在巷道掘进中及成 巷后必须加强拱顶的支护。 3图 4说明 ， 5号块体位于巷道底板围岩中 ， 对巷道的稳定性不构成威胁。 5 结论 1 块体理论 自出现后 ，在地下工程稳定性分 析中得到了广泛的应用 ，它能合理说明节理裂隙岩 程 ． 2 0 1 5 7 2 8 6 2 8 8 ． [ 2 ]黄奇志 ． 提高圆盘浇铸机阳极铜板质量的探讨 【 J 1 ． 有色冶炼 ， 2 0 0 2 4 4 2 - 4 4 [ 3 ]蒋晓敏 ． 夏柳飞 ． 双 蕴浇铸机喷涂系统改进 【J 】 ． 铜业一 r 程 ． 2 0 0 9 3 4l - 4 3 ． [ 4]李洪臻 ． 提高阳极板质量的生产实践 【 J I山两冶金 ， 2 0 1 3 6 5 6 5 7 ． [ 5] ， 建新 ． 贵冶新 3 0万吨阳极炉还原力‘ 式改进 『 J 1 ． 铜业 I 程 ， 2 0 1 3 5 1 3 2 - 3 3 [ 6]黄太祥 减少铜阳极板中气孔的探讨 lJ j ． 中国有色冶金 ， 2 0 0 7 5 2 9 3 2 ． 体 的不连续性质，其特点是将岩体视为F } 1 一系列节 理切割而成 的块体的集合体 ，从考虑岩体节理裂隙 出发 ，找出在_T程作用力和 自重作用下的所有可能 失稳的块体 ，为岩体稳定性控制提供实际指导。 2U N WE D G E软件尽管是建立在一定的假设 条件下，在实际应用中存在一定的局限性，但它仍 然是 目前节理裂隙岩体中识别块体及判断其稳定程 度的最直接有效的_T具。 3本文针对夹皮沟金矿二道沟矿深部巷道稳 定性所做的分析基本符合现场实际 ，可以作为制定 巷道支护方案的依据。利用块体理论进行巷道围岩 稳定性分析和预测对于深部巷道复杂地压条件下岩 体控制是十分必要 的。 参考文献 [ 1 ]r 德 生 ．周 科 平 ．现 代 金 属矿 业 的 发 展 主题 『 J 1 ．金属 矿 山 ， 2 01 2 7 1 1 - 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