37章
Kristineberg矿在充填开采过程的岩石支护
37.1背景
在瑞典的好几个充填矿山，即使是在很浅的地表，都面临着严峻的地表条件。在好几个开采中，开采深度都超过1000米。不同的岩石品质和高原位应力联合反应，引起了地表的控制问题，包括冒顶、壁片帮。Boliden公司的Kristineberg矿，在600米深处，回采条件就变得十分差以至于在20世纪80年代中期矿石年生产量由45万吨减至37万吨。
出于这种情况，做出了以下措施：（1）快速的补救措施恢复生产（2）在该种条件下，对深层的充填采矿的可行性做出评估。这些措施在瑞典G2000的一项五年研究和发展的工业计划中被提出。这个工程的启动伴随着以下目标：（1）考核关于深度充填开采的可行性基本问题（2）预测更深层次的开采条件（3）开发改进的深层次开采战略（4）评估这些新战略的花销与产量（5）评估最终提取率和识别底柱回收的方法
Boliden公司的Kristineberg矿被选为该工程的实验矿是因为该矿所处的地表条件和该矿的考察与监测数据可以获得。这篇文章的主题就是为工程从进行到结束关于采场支护演变的思考与实践提出假设。
37.2 克里斯蒂娜贝里矿
克里斯蒂娜贝里矿位于北瑞典，大约在谢莱夫特奥的西部130千米处。这个矿山为博利登公司所有和经营，1999年的年产量是55万吨。
37.2.1地质情况
该矿区是典型的静脉结构，东西走向，倾角从45度变化至80度。主体岩石是片状绢云母石英岩。与矿体值直接相邻的岩石大部分高度变异成了脆弱的塔尔西绢云母片岩，他们的厚度只有0至3米。在靠近矿体低帮严峻的地方，底帮由绿泥片岩组成，这种片岩的地理构造经常被严重扰乱。矿体与变化区域的联络通常是平坦的低摩擦涂层。在低帮的连接处通常有5cm厚的粘土填充物。顶壁的连接处通常由绿泥石夹和0.5米厚的黄铁矿组成。
矿体本身是由黄铁矿夹杂黄铜矿和方铅矿组成。围岩和矿石的岩石强度从顶壁至底帮逐渐降低，是因为褶皱与断裂带来了更大的地质扰乱。这种扰乱使得矿体内部由下降趋于平行产生了绿泥石片岩和糜棱岩的包裹体。
克里斯蒂娜贝里岩石的岩体等级划分是建立在给出的表格37.1的定量制度基础上。
37.2.2 开采方法
充填法是最主要的开采方法。矿体的发育是一系列的由下盘斜坡横切开的。采场是由5米高的采区组成，这些采区全面使用凿岩台车和装卸机。当一个采场被采完之后，采出的岩石在一定程度上是可以放在采场的，然后将剩余量和液压尾矿回填。当矿体超过8米宽时，将使用进路式采矿法。开采一般开始于地下900米至1150米。通常，多个采场将在不同的水平同时工作。采场不同水平（图37.1）的间隔在研究之初使用的数据是70到100米，之后减至50米。
37.2.3 地面控制问题
克里斯蒂娜贝里矿的一般的失效模式和地表的稳定问题都是与其几何和地质条件密切想关。回填采场构成有应力场的大倾角槽，其对水平压应力有支配作用。结果，采场顶部的矿石就会受到很大的水平应力。这种情况就会导致在工程初提出的模式（图37.2）完全失败，包括整个矿的顶板和侧壁。换句话说：（1）与上盘平行出现了高达0.5米厚的板；（2）强烈的应激切块将沿着顶板平行自由表面发育，加上上盘绿泥层的失效。有时形成了一个几乎垂直的或高角度顶盘；（3）下盘的连接处经常出现滑移。在由绿泥石组成的下盘中，深层次的剪切破坏和壁身解体是非常普遍的。这种由柱冲诱发
的下盘破坏，使得下盘附近的连接处剪切，矿石下滑。最后，由下盘拉扯引来的拖曳使得顶部沿着水平应力分裂，导致冒顶沿着连接处迅速移动。
下盘有断裂或者脆弱区出现的地方，就
会出现大量的冒顶，如图37.2。这些情况导致了过去的许多生产事故，直至1988年。
37.3 紧急补救措施
在过去，采场的加固是在顶部用常规的加固方法——注浆锚杆，但是墙的间隔就更大了。由于对地表控制问题关注的增长，该矿山开始了一项系统性锚杆支护的计划。该计划将在顶部和侧壁的1米中心处全面使用20毫米直径的注浆螺纹钢锚杆，在必要的地方还会加上5厘米的钢纤维喷射混凝土。术语“系统性”是指一个更加强力的锚杆系统，使得螺栓末端的距离和环间距能被控制。喷射混凝土主要用在石门回采的十字路口、特别脆弱的区域或者脱散的地表。同时，顶部的锚索支护引进了一个洞两个绳索（直径15毫米）。
具体的支护计划（）将会被介绍。这些计划是建立在之前片区的地质测绘、顶侧失效和支护安装的基础上的。利用这些措施，地表条件的控制得到了恢复。总的来说，采场能按照计划的界面进行开采。
37.4 支护的思考
37.4.1 技术问题
充填开采区的装载条件。充填开采区的应力场形成不仅取决于离地表的距离还取决于开采的条件。通常，充填开采会在矿区的几个水平同时进行。随着开采和回采的高度的增加，残留矿柱的压力会上升。当压力超过矿石强度时，失效就出现了，此时支护就应能保持其稳定性。随着持续开采，剩余矿量就会增加，就需要更进一步的支护措施了。当开采接近上部的回采区时，残留矿就会形成底柱。这种情况下，压力很大而且还在随着持续开采急剧增加。这通常导致矿柱失效或者矿柱穿孔至侧壁，甚至两者。
岩土工程问题。失效机理：采区804的区域调查在地表控制得到恢复以后就开展了，包括使用引伸计和摄影测量（表格1992）得到的岩石破坏映射和变形监测。由这些调查得出的失效机制如图37.3所示。高水平应力引起顶部向下盘穿孔，下盘脆弱的绿泥石区就会被挤下来，由粘土层构成的绿泥石接口处就会出现滑移。高侧向应力就会导致典型的应激性反平行裂缝形成。 由于矿体下盘的摩擦阻力，顶盘就会趋于分离平行顶盘的裂缝。反过来，这就导致上顷顶板冒落。绿泥石区对相邻的矿石有相似的影响。顶盘的失效会一直进行，绿泥石区被挤压，一直到新的平衡形成。上盘的材质总是下盘要更
强一点，而且总是趋于变形成弯曲模式，伴随主岩和片岩的分离距离扩张或是单独一片片岩本身的裂缝扩张。
支护的作用。该区域的调查显示采区被失效的岩石包围。矿石的失效一直延伸到顶盘上方的10米。底盘和上盘的交替区正在失效。这种情况下，要在失效区以外找到完整的岩石来锚杆使失效区得到支撑是不可能的。相反地，方法是靠岩石锚杆来加固分裂的地表，因而，在失效区自己创造出一个承重结构。这个结构将为它以外的失效岩石提高支护。
这种由分裂岩石组成的螺栓结构的承重能力被Lang（1961）证实。应用这种方法应对采矿问题，不同螺栓的承重能力被计算出来了以便于选择螺栓的长度和间距。
支护元素的选择。锚杆。螺栓和破裂岩石的承重能力取决与岩石材质的强度和不同岩块之间的摩擦力。因此，大的位移、剪切和开放的接口是绝对不允许的，这样才能平衡（包括粗暴的连锁反应）摩擦阻力。
完全灌浆、未张紧的钢筋螺栓是boliden矿的典型螺栓。他们很适用于连接破裂岩石由于他们的高刚度。螺栓只有0.2%（2米长的螺栓只有4毫米）的伸长量达到了全名义荷载，导致洞穴周围的裂隙岩体的围压快速发展。
钢纤维增强混泥土。混泥土在克里斯蒂娜贝里充填法采矿区的作用是防止锚杆之间的失效岩石滚动，以此来防止螺栓支护功能的损失。这个支护功能对于脆弱的将分散成许多小块的侧壁尤为重要。由于混泥土很明显对于侧壁的绿泥石和弱滑石没有粘附性，混凝土必须使用锚杆将其锚定在侧壁上。这已经成功了，只要将螺栓电镀在混凝土的外表层。在这种使用过程中，混凝土的作用就像是一种膜状物，这就需要有高抗拉强度的混凝土。混凝土还必须维持大量的变形，因此，钢纤维的添加是必要的。
锚索。充填采矿区长锚索的安装依然是个要讨论的问题。预装的支护系统是被设定为能够减少变形量，或者说在区域调查和建模过程中失效得不到证实。但是Renstorm矿的锚索影响评价显示大幅下降的洛石损坏采矿机器是有一定发生率的，尤其是对凿岩台车。修理的费用用来抵消锚索的价格有余。因此，得出结论，锚索的主要作用就是对爆破后的新顶层表面起到保护作用，但是得在主要的支护措施安装之前，这样才能比任何可能的方法有更长的周期。
起初，计划使用22米长的锚索。这就使得在顶部最后一个矿块被安装新的锚索之前其他的四个矿块都有6米长的锚索。但是，事实证明，平均起来，由于钻孔和安装的苦难，只能安装15米长的锚索。
锚索只能放在矿石上面。将锚索展开在侧壁的尝试失败了，由于安装前的钻孔失效了（即使能钻出洞）。
钢拱锚喷混凝土支护。钢拱锚喷混凝土的做法是增强钢纤维加强的喷射混凝土的厚度，沿采区一米长喷10厘米厚混凝土，如图37.4。这个拱形是被弓形的螺栓锚定的。这行螺栓组成的板块被放置在混凝土的表层。
钢拱锚喷混泥土的作用和钢拱是相似的。就是说，他们在截面提供额外的局部支持。通常，他们以不规律的间隔安排在需要的地方。哪里要超前支护，哪里就会使用钢拱喷射混凝土。
超前支护。如图37.5，超前支护被用作路径和采场连接处的额外支护，来保证采场服务年限内交叉处的稳定性。25毫米直径、满足所需长度（最多10米）的螺纹钢锚杆安装在钻孔内的所需间距大概是0.5米。该孔要从横切面钻至下一个采场的上盘。在横切面年内，超前支护是依靠钢拱喷射混凝土。不管在哪遇到了很差的岩石条件，超前支护都用得上。
37.4.2 经济条件的考虑
支护的目的是维持采区的稳定性（即避免那些阻碍生产的干扰）。因此，支护也有有益的一面，避免干扰带来的费用。原因是这样，
通过增加主要支护（安装在表面的支护）的费用，就能使稳定问题带来的干扰费用减少。从经济角度来看，能得到一个最适宜的数值，使得支护和干扰的总费用最低。它们之间的关系如图37.6的表格。
安装在表层的支护费用和操作干扰带来的费用两个都取决与矿山的支护总量、操作条件和经济条件。为了得到成本的现实图景，必须考虑整个矿山的成本（不仅仅是采区的）。这就包括搬迁、创建新工作台、生产损失这些项目的费用。
- 表面支护的费用包括定标、锚杆、喷射混凝土等等，再加上支护安装使采区不能生产带来的时间成本。
- 干扰带来的成本取决于干扰的类型和程度。干扰的范围从安全定标、螺栓互补、喷射混凝土到设备损失、大范围冒顶、采场损失、新采场的开发和生产损失。另外，未利用采场、设备、全体员工的费用都需要考虑。
取决于干扰的类型，成本的变化很大。图37.7展示了表层支护总成本和不
同干扰的成本的曲线示意图。如果干扰造成的费用很高，加强只要支护的强度就变得在经济上很合理。已经证实，最经济的支护不仅仅取决于技术条件，还和操作带来的经济风险有关。
这种考虑的一个例子就是采场入口的稳定性对于开采整个矿块很关键。经验告诉我们，在采场的服务年限内，用于维持稳定条件和第一轮回采的支护是相当少于维持采场入口安全的所需。这是因为随时间的变形是会持续进行的。在后续的平台安装的二次支护是没什么作用的，而且被证实会中断采场的生产。当入口被开采时，更有效的方
法是安装所有需要用来维持服务年限内的入口的支护。
37.5 支护设计
37.5.1 所需支护的预测
锚杆支护。几何学。锚杆的作用是在整个采场创造一个可以持续承载的结构。这需要上盘、顶部、底盘在锚杆之间达到所需的相互作用，包括这些结构的所有角落。锚杆的间距被要求测量锚杆的一半长，如图37.8。
锚杆长度和间距。之前应用的密度大概是1.5米到2米的间距，对应的岩石表层围压大概是4到7 吨每立方米。潜在的限制负荷靠1米1锚杆的模式大概是15吨每立方米，很大的改善。
锚杆支护结构的承载能力很大取决于锚杆之间的相互作用。选择锚杆的长度和间距的准则表明关系需要满足s＜l，s是间距，l是锚杆长度。Kristineberg的锚杆长度是2.7，好的关系是间距1米，不好的是1.5至2米。
37.5.2 支护建模
Kristineberg矿正在着手通过对地表支护作用的数字建模来理解这些支护的机制，并优化。两种数字建模被用于支护模型：（1）一个大尺度弹性模型，通过使用经验主义方法，来预测采场高度增加所需的支护、优化水平间距（2）一个详细的地质模型，来了解支护和采场失效岩石之间的作用机制。
大规模数据模型。大型矿山规模模型常用来验证随采场高度增加所需的支护和获得底柱条件。简单的弹性模型是用来验证随着开采上行的压力问题，创造底柱。这些计算出来的压力水平要通过开采经验中获得的失效强度考察和所需支护来校准。因此，关于应力水平、采场高度、失效和支护预测的一个很简单的经验原则就建立了。这个简单的方法被发现用来估算过去的地质条件十分有效。这个方法显示，对于连续变化的地质条件，通过对压力条件的校准对矿山规模的规划很可取。该项模拟被执行用于开采深度1200米以下。
开采条件和相应的支护需要被收集并分类成四个阶段，如表格37.2所示。在1000米以下深度，大部分开采出现在阶段1和2的情况，阶段0是不可用的。
水平高度的影响是通过部分给定的水平和他对应的压力条件来进行检查的，最后得出表格37.2不同阶段的地表支护。水平高度的优化是通过最小化一个水平和更高支护水平之间的占比（来最小化成本）。50、100、150米高度的审查是通过930到1200米高度之间的开采（图37.9）。
图37.9显示50米间距能有最好的开采条件和支护成本。阶段2的支护成本是阶段1的三倍。50米间距的开采成本被证明要比100米低5%。50米间距也给予了高许多的产量，由于工作平台的潜力增加。因此，这种建立简单的校准模型的方法被用作能够降低支护成本和提产量的降低水平间距的基础数据。在随后的讨论中，这些预言被随后水平间距改变的一年开采所证实。
具体模型。一个详细的建立在地质力学基础的地质模型是开发来模拟充填采场的支护和
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[140023]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
