多層緩傾斜礦床回采沿脈巷道應(yīng)力分布特征及其卸壓方法

施耀斌，葉義成，王其虎，姚 囝

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

多層緩傾斜礦床是采礦界公認(rèn)的難采礦體，至今存在大量有待解決的理論和技術(shù)難題[1]，這類礦床開采的階段巷道一般采用沿脈布置，受地層層位和巖性的影響，巷道穩(wěn)定性及其控壓能力較差。提高多層緩傾斜礦床沿脈巷道的控壓能力及其穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)礦山有效安全開采的關(guān)鍵之一。目前，主要采用二次支護(hù)、錨桿支護(hù)、卸壓開采等解決巷道地壓?jiǎn)栴}[2-3]。其中，卸壓開采廣泛應(yīng)用于地下礦山開采中，實(shí)現(xiàn)圍巖應(yīng)力卸載和應(yīng)力轉(zhuǎn)移，是緩解地壓?jiǎn)栴}的有效手段。國內(nèi)外學(xué)者和采礦工作者作了大量的研究，總結(jié)出了許多卸壓的方法[4-7]，在實(shí)踐中形成了以厚-特厚的傾斜或急傾斜礦床為主要研究對(duì)象，結(jié)合采礦方法和頂板控制管理的卸壓方法及應(yīng)用，較系統(tǒng)的研究解決相應(yīng)問題，獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

但由于多層緩傾斜礦床礦巖間距和巖性差異性大、采礦引起巖層間相互擾動(dòng)等特征，適用于這類礦床特性的卸壓技術(shù)研究和工程應(yīng)用較少，存在卸壓工程布置連續(xù)性差、掘進(jìn)量大、采礦成本較高等不足。本文以上橫山多層含釩頁巖礦床為研究對(duì)象，利用Phase2軟件，模擬分析隨中段分層回采進(jìn)行，沿脈巷道應(yīng)力分布特征，探討緩傾斜多層礦床回采沿脈巷道應(yīng)力分布規(guī)律、穩(wěn)定性及其應(yīng)力卸載技術(shù)。

1 地質(zhì)模型

1.1 工程概述

上橫山含釩頁巖礦床賦礦標(biāo)高+92～+245m，礦體多呈層狀、似層狀平行產(chǎn)出。礦體傾角5～25°；主礦體長(zhǎng)615～952m，傾向延深103～223m，厚0.75～7.27m。礦體圍巖和夾石主要為炭質(zhì)頁巖、頁巖和硅質(zhì)頁巖，薄層狀層理及頁理極發(fā)育，巖石易沿層理剝離，軟化系數(shù)小于0.75，巖體完整性較差。礦床以巖溶裂隙水為主，礦區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。受地質(zhì)條件和開采技術(shù)的限制，沿脈布置的主要巷道的穩(wěn)定性及其控壓能力，對(duì)巷道的有效性和回采時(shí)巷道的連續(xù)安全使用有極大的影響。

1.2 強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則

基于上橫山礦床礦體呈多層排列，礦、巖巖性差異性較大，Phase2地質(zhì)建模采用廣義霍克-布朗強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則[8]定義模型材料。這是因?yàn)槟?庫侖強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則只能給出巖土類材料相對(duì)準(zhǔn)確的破壞強(qiáng)度預(yù)測(cè)，未考慮中間主應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響，相對(duì)而言是一個(gè)保守準(zhǔn)則；而霍克-布朗準(zhǔn)則在復(fù)雜的圍壓情況下，具有更好的優(yōu)勢(shì)性[9-10]。其基本方程式如下所示。

其中

式中，σ1為巖體破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；σ3為巖體破壞時(shí)的最小主應(yīng)力；σci為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度；s、a為巖石材料參數(shù)的無量量綱；D為應(yīng)力釋放對(duì)巖體擾動(dòng)程度系數(shù)；GSI為地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)[11]；SR為巖石結(jié)構(gòu)等級(jí)；SCR為結(jié)構(gòu)面表面特征等級(jí)。

水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力之比隨深度變化取值范圍[12]。

式中，συ為垂直應(yīng)力；σh，av為水平應(yīng)力。

1.3 模型材料參數(shù)

基于霍克-布朗強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，采用3節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，選用上橫山含釩頁巖礦床典型的4#勘探線建立Phase2地質(zhì)模型。模型長(zhǎng)×高為190m×100m，模型材料參數(shù)如表1所示。

表1 上橫山礦礦、巖層巖石力學(xué)參數(shù)

2 礦床回采沿脈巷道應(yīng)力分布特征

2.1 回采方案

參照文獻(xiàn)[13-14]，采用層間交替嗣后充填采礦法模擬回采。首采中段為+155m水平，中段高度30m。在開采范圍內(nèi)總體采用從上向下的回采順序，中段采用自下向上后退式回采；設(shè)計(jì)膠結(jié)充填體密度1890kg/m3、彈性模量625Mpa，以滿足強(qiáng)度2～4MPa的安全要求。

研究+155m中段回采結(jié)束，開采+125m中段V3、V4、V5礦體(從下向上排列)回采沿脈巷道應(yīng)力分布特征?？紤]礦、巖厚度和回采條件，設(shè)計(jì)將V3和V4、V5礦體分別劃分兩個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)長(zhǎng)為礦體沿走向長(zhǎng)度，寬為礦體沿傾向長(zhǎng)度，回采采場(chǎng)布置見圖1。

(a) 垂直4#勘探線剖面礦房布置 (b)4#勘探線礦房布置—硅質(zhì)-炭質(zhì)頁巖互層；—硅質(zhì)頁巖；—炭質(zhì)頁巖；—礦體；—充填體

采場(chǎng)沿礦體走向布置，當(dāng)?shù)V體垂直厚度大于3.5m，采場(chǎng)高度為礦體高度；當(dāng)?shù)V體垂直厚度小于3.5m，且相鄰圍巖厚度較大，則采出全部礦體的同時(shí)，掘進(jìn)一部分圍巖，使采場(chǎng)高度為3.5～4m；當(dāng)?shù)V體垂直厚度小于3.5m，且上層圍巖厚度較小(總體厚度小于8～10m)，采場(chǎng)高度為兩個(gè)礦體和之間夾層垂直厚度之和。礦房沿走向長(zhǎng)度50～60m，采用“隔一采一” 后退連續(xù)回采礦房，如圖1(a)，即先采礦房A和礦房C，再回采礦房B和礦房D，當(dāng)這一盤區(qū)回采結(jié)束，再進(jìn)行下一盤區(qū)回采；沿傾向長(zhǎng)度15～25m，如圖1(b)，在4#勘探線上中段采場(chǎng)總數(shù)12個(gè)，編號(hào)1～12，采用先回采采場(chǎng)1和采場(chǎng)4(第一時(shí)步)，再回采采場(chǎng)2和5(第二時(shí)步)，接著依次回采3(第三時(shí)步)、6(第四時(shí)步)、7(第五時(shí)步)、…、12(第十時(shí)步)的回采時(shí)步，共10個(gè)時(shí)步。

2.2 中段回采對(duì)沿脈巷道的影響

設(shè)計(jì)三心拱巷道寬×高為4000mm×3200mm，巷道開挖后，采用噴錨支護(hù)，錨桿長(zhǎng)2m，直徑40mm(彈性模量20×104MPa)，支護(hù)厚度30cm。以圖1所示沿脈巷道遠(yuǎn)礦體側(cè)側(cè)幫底端作為計(jì)算起點(diǎn)，各時(shí)步沿脈巷道的應(yīng)力和偏移量見圖2。

(a)應(yīng)力 (b)偏移量

由中段回采沿脈巷道應(yīng)力分布和偏移變化可以看出(圖2)，隨著巷道開挖和分盤區(qū)回采進(jìn)行，沿脈巷道應(yīng)力集中區(qū)域集中在頂板和底板兩端；頂板應(yīng)力分布呈“先增后減”的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在頂板近礦體側(cè)，且應(yīng)力較上一回采時(shí)步呈增幅0.34%～9.20%的增長(zhǎng)趨勢(shì)；回采造成沿脈巷道向巷道空區(qū)內(nèi)收斂變形現(xiàn)象明顯(圖2(b))，偏移量宏觀上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增幅1.52%～119.87%；在第二、八、九、十回采時(shí)步呈小幅度降低趨勢(shì)(圖3(b))，平均降幅4.04%，中段回采結(jié)束總偏移量達(dá)48.35～87.61 mm。但在回采巷道正上方7、8、9采場(chǎng)中(第五、六、七回采時(shí)步)，頂板出現(xiàn)卸壓效果，降幅7.75%～12.27%(圖3(a))。

(a)應(yīng)力變化 (b)偏移變化

同時(shí)，沿走向方向沿脈巷道圍巖應(yīng)力隨回采進(jìn)行(圖4)，巷道圍巖應(yīng)力較上一步驟變化，具有隨礦房長(zhǎng)度的周期性和交替的波動(dòng)性。在同一盤區(qū)回采，其下方沿脈巷道圍巖應(yīng)力較其他區(qū)域高0.21%～7.98%(平均3.19%)，沿脈巷道應(yīng)力增高區(qū)域出現(xiàn)在回采礦房下方，應(yīng)力減少區(qū)域出現(xiàn)在其相鄰礦房下方。

◆—第五時(shí)步回采礦房A和C；■—第五時(shí)步回采礦房B和D;▲—第七時(shí)步回采礦房E和G；●—第七時(shí)步回采礦房F和H

2.3 沿脈巷道應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94))附錄B中采用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比(Rc/σmax)，確定應(yīng)力情況：Rc/σmax=4～7為高應(yīng)力，Rc/σmax<4為極高應(yīng)力。礦床回采形成的沿脈巷道應(yīng)力分布狀態(tài)見圖5。

在不同回采時(shí)步，巷道應(yīng)力分布狀態(tài)集中表現(xiàn)在頂板和底板高應(yīng)力影響范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)。在中段回采中，頂板高應(yīng)力區(qū)達(dá)51.61%～58.14%(平均54.65%)，底板高應(yīng)力區(qū)達(dá)26.19%～54.54%(平均36.32%)。沿脈巷道這一應(yīng)力分布狀態(tài)，勢(shì)必影響巷道穩(wěn)定性、有效性和開采的安全高效進(jìn)行。因此，為保障布置在軟化巖石中的沿脈巷道穩(wěn)定性和提高巷道控壓能力，需加強(qiáng)支護(hù)的同時(shí)，有必要采用一定的工程技術(shù)措施卸載圍巖的壓力。

■—正常應(yīng)力；□—高應(yīng)力

3 沿脈巷道卸壓方式

沿脈巷道卸壓方式離不開礦床回采方式、回采工藝和巷道應(yīng)力分布狀態(tài)，很大程度上取決于礦床的卸壓開采技術(shù)。因此，考慮礦床特性、開采特征和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，選擇具有掘進(jìn)量低、采礦成本小等優(yōu)點(diǎn)的鉆孔卸壓和卸壓短巷卸壓。通過模擬分析卸壓工程布置對(duì)礦床回采沿脈巷道應(yīng)力和收斂變形的影響，探討巷道圍巖高應(yīng)力卸載狀況，解決應(yīng)力集中等問題。

3.1 鉆孔卸壓

由于+125m分段上覆巖層層間距較小，炭質(zhì)頁巖穩(wěn)定性較差，兼顧上分段采場(chǎng)充填體穩(wěn)定性和空區(qū)等因素，選用中深孔鉆孔卸壓。設(shè)計(jì)鉆孔直徑60mm，長(zhǎng)9.0m，與水平夾角70°。

如圖6所示，通過鉆孔卸壓，整個(gè)回采過程中沿脈巷道高應(yīng)力狀態(tài)較未卸壓時(shí)有明顯的減少。從圖6(a)、(b)可知，沿脈巷道在不同回采時(shí)步正常應(yīng)力區(qū)域范圍為77.05%～80.33%，高應(yīng)力范圍降至13.11%～21.31%；巷道頂板高應(yīng)力狀態(tài)基本解決，而出現(xiàn)的高應(yīng)力和極高應(yīng)力部位均在底板。由圖6(c)、(d)，較未卸壓的同一回采時(shí)步，鉆孔卸壓使得巷道正常應(yīng)力范圍增幅為38.86%～72.33%(平均達(dá)54.94%)，高應(yīng)力范圍降幅達(dá)50.82%～63.11%(平均達(dá)56.86%)。這是由于形成的卸壓孔，使巷道圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向應(yīng)力集中區(qū)范圍以外的鉆孔端部巖體深部轉(zhuǎn)移，卸載了沿脈巷道頂板高壓應(yīng)力。同時(shí)，沿礦體傾向較垂直礦體傾向布置卸壓鉆孔對(duì)緩解沿脈巷道高應(yīng)力情況具有較好的效果，其巷道高應(yīng)力范圍差距達(dá)1.21%～7.61%(平均6.22%)。

圖6 不同回采時(shí)步沿脈巷道布置鉆孔卸壓的應(yīng)力特征

3.2 卸壓短巷卸壓

鉆孔卸壓雖能較好的解決巷道頂板高應(yīng)力狀態(tài)，但由于形成的新的工程造成底板極高應(yīng)力區(qū)域增多，且當(dāng)鉆鑿較多的鉆孔，難以維護(hù)巷道的完整性和穩(wěn)定性，在應(yīng)力集中明顯的局部區(qū)域或回采擾動(dòng)影響大時(shí)步可采用此類卸壓方法控制沿脈巷道的穩(wěn)定性。同時(shí)考慮區(qū)域卸壓效用，設(shè)計(jì)卸壓短巷弱化采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力，減少巷道的擾動(dòng)影響和提高區(qū)域工程的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)卸壓短巷深4m，寬5m，與巷道拱頂齊高。圖7為在不同回采時(shí)步卸壓短巷布置對(duì)沿脈巷道應(yīng)力影響。

近礦體側(cè)幫布置卸壓短巷，巷道正常應(yīng)力在不同回采時(shí)步范圍達(dá)55.56%～86.11%，較遠(yuǎn)礦體側(cè)幫卸壓巷布置巷道高應(yīng)力范圍量低13.01%～77.90%(平均52.75%)(圖7(a)、(b))。從圖7(c)、(d)可知，卸壓短巷布置，較同一時(shí)步未卸壓時(shí)巷道應(yīng)力狀態(tài)，巷道高應(yīng)力影響區(qū)域分別減少14.14%～71.26%(圖7(c))和4.76%～13.63%(圖7(b))。但遠(yuǎn)礦體側(cè)幫卸壓短巷布置在第四回采時(shí)步，造成高應(yīng)力范圍較同一時(shí)步未卸壓時(shí)增加了15.79%，正常應(yīng)力區(qū)域范圍降低了18.75%，造成這一現(xiàn)象主要原因，是開采引起的應(yīng)力集中區(qū)位于巷道圍巖應(yīng)力波浪起伏的最大值點(diǎn)，造成底板應(yīng)力激增，使得巷道整體應(yīng)力情況出現(xiàn)異常。

3.3 沿脈巷道圍巖高應(yīng)力卸壓方式分析

沿脈巷道應(yīng)力情況很大程度上取決于礦、巖層特性差異和礦房回采擾動(dòng)狀況；而為了確保巷道在回采過程中的有效、連續(xù)使用，卸壓方式選擇和實(shí)施是關(guān)鍵。從設(shè)計(jì)的鉆孔卸壓和卸壓短巷卸壓分析計(jì)算，沿礦體傾向布置卸壓鉆孔和近礦體側(cè)幫布置卸壓短巷，對(duì)緩解沿脈巷道高應(yīng)力情況較相對(duì)應(yīng)的卸壓方案具有較好效果。

同時(shí)，考慮在中段分層盤區(qū)連續(xù)回采，卸壓工程布置對(duì)沿脈巷道偏移量影響，在第四回采時(shí)步后采用沿礦體傾向布置卸壓孔，能夠較好的實(shí)現(xiàn)巷道圍巖卸壓，尤其對(duì)頂板偏移控制有較大的作用，較同一時(shí)步未卸壓狀態(tài)其偏移量減少均量為4.76mm(圖8(a))；采用卸壓短巷卸壓時(shí)，由于隨回采時(shí)步進(jìn)行，頂板偏移持續(xù)增加(較同一時(shí)步未卸壓狀態(tài)偏移量增加均量為0.46mm)(圖8(b))，考慮新工程開挖擾動(dòng)影響，建議在巷道開挖初始就進(jìn)行卸壓短巷工程布置。形成典型回采時(shí)步的卸壓方案沿脈巷道應(yīng)力分布云圖如圖8(c)、(d)。

圖7 卸壓短巷卸壓沿脈巷道在不同回采時(shí)步的應(yīng)力

■—底板；◆—頂板；□側(cè)幫

由于模擬數(shù)值計(jì)算是將礦床地質(zhì)條件和回采工藝簡(jiǎn)化的模擬結(jié)果，揭示的是隨不同回采時(shí)步分層回采礦體沿脈巷道應(yīng)力及巷道收斂變形情況的一般規(guī)律。在實(shí)踐中，還應(yīng)加強(qiáng)地壓控制管理、工程方案布置優(yōu)化、回采—卸壓管理和調(diào)整卸壓工程布置的同時(shí)，根據(jù)回采步驟和巷道應(yīng)力情況，結(jié)合巷道破壞和變形現(xiàn)狀，通過U型鋼架、金屬網(wǎng)等組合體支護(hù)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)鉆孔和巷道開口處等應(yīng)力集中明顯的區(qū)域進(jìn)行加固和維護(hù)工程，確保有效、安全、效益的開發(fā)利用。

4 結(jié)論

1) 隨中段分層盤區(qū)回采進(jìn)行，沿脈巷道應(yīng)力呈0.34%～9.20%幅達(dá)增加趨勢(shì)(較上一回采時(shí)步)，高應(yīng)力集中在頂板、底板兩端，高應(yīng)力區(qū)域范圍分別為54.65%和36.32%；沿脈巷道出現(xiàn)明顯的向巷道空區(qū)內(nèi)收斂變形，偏移量增幅為1.52%～119.87%(較上一回采時(shí)步)；沿礦體走向上，沿脈巷道應(yīng)力變化具有隨礦房長(zhǎng)度的周期性和交替的波動(dòng)性，在同一盤區(qū)回采，其下方沿脈巷道圍巖應(yīng)力較其他區(qū)域高0.21%～7.98%。

2) 采用鉆孔卸壓和卸壓短巷卸壓方法能緩解沿脈巷道高應(yīng)力情況。比較未采用卸壓技術(shù)的同一回采時(shí)步，鉆孔卸壓使巷道正常應(yīng)力范圍增加，增幅均值為54.94%，且高應(yīng)力區(qū)域平均降低56.86%；沿礦體傾向比垂直礦體傾向布置卸壓孔，使巷道高應(yīng)力區(qū)域范圍少1.21%～7.61%；采用卸壓短巷卸壓，近礦體側(cè)幫布置卸壓短巷獲得較好的卸壓效果，沿脈巷道在不同回采時(shí)步的正常應(yīng)力范圍達(dá)55.56%～86.11%，較另一卸壓方案減少高應(yīng)力范圍量13.01%～77.90%。

3) 在第四回采步驟后(第7采場(chǎng))實(shí)行鉆孔卸壓和在巷道開挖初始即形成卸壓短巷，保證了較同一回采時(shí)步未卸壓狀態(tài)巷道應(yīng)力和偏移量小的技術(shù)要求。

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