錫林浩特螢石礦副井保安礦柱穩(wěn)固技術(shù)研究

張東杰 任鳳玉 曹建立 劉 鵬

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

錫林浩特螢石礦為中低溫?zé)嵋盒偷V床，礦體傾角為80～90°，厚度為2.5～6 m，礦體沿走向長約450 m，屬于典型的急傾斜薄到中厚礦體，礦山采用兩翼豎井開拓，留礦法采礦［1］，中段高度40 m，中段間留有10 m厚頂柱，隨著空區(qū)暴露時(shí)間的增長，部分頂柱已經(jīng)塌落，通過四中段的穿脈巷可以觀察到五中段頂柱塌落后貫通的采空區(qū)，見圖1。

目前，礦山采用優(yōu)化后的保安礦柱［2］來圈定副井受保護(hù)范圍，開采中發(fā)現(xiàn)圈定范圍內(nèi)的部分保安礦柱已經(jīng)遭受采動(dòng)破壞，隨著開采的延深，副井位于采動(dòng)巖移范圍內(nèi)，并且開采形成的部分采空區(qū)已經(jīng)冒透地表，引起的巖移向副井方向發(fā)展。為了確保副井免受采動(dòng)巖移危害，亟需采取保護(hù)措施。

1 保安礦柱受采動(dòng)破壞范圍

以副井為中心，按照優(yōu)化后的保安礦柱對五中段礦體進(jìn)行圈定，發(fā)現(xiàn)有長約67 m的礦體進(jìn)入保安礦柱界限內(nèi)（圖2），而該部分礦體在井筒保護(hù)期內(nèi)不能開采。

此外，在圖2中通過D線作剖面圖，得出2#副井、礦體及保安礦柱三者的剖面位置關(guān)系見圖3。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測得出采空區(qū)與保安礦柱的關(guān)系見圖4。

針對目前的開采現(xiàn)狀，通過現(xiàn)場調(diào)研測量得出三、四、五中段的保安礦柱內(nèi)開采破壞角分別為17°、15°與17°，位于3個(gè)中段范圍內(nèi)的保安礦柱均遭受了不同程度的采動(dòng)破壞，降低了保安礦柱的穩(wěn)定性［3］，可能對豎井安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。各中段保安礦柱采動(dòng)破壞范圍見圖5。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

錫林浩特螢石礦二采區(qū)副井的圍巖主要為礫巖和角礫巖，較為穩(wěn)固。根據(jù)礦山副井附近的實(shí)際地質(zhì)條件建立FLAC 3D模型［4-6］，對副井周圍巖體的應(yīng)力與位移進(jìn)行分析，以此來評估副井受采動(dòng)影響的破壞風(fēng)險(xiǎn)。

考慮模型的邊界效應(yīng)，在模擬過程中根據(jù)圣維南原理，巖體的開挖只在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生明顯影響，在距離采空區(qū)較遠(yuǎn)的地方，其影響可以忽略不計(jì)。模型具有足夠大的尺寸，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，整體模型長×寬×高尺寸為360 m×120 m×553 m；礦體整體尺寸為90 m×4 m×120 m（每個(gè)中段40 m）；平均厚度4 m；副井直徑4 m；副井與礦體最短距離為27 m。模型中垂直方向的應(yīng)力基本上等于覆蓋巖層自重，隨著深度的增加而逐漸增大，其增大率與各分層巖體重度成正比。模型左側(cè)和右側(cè)邊界約束水平方向的位移；前、后兩邊界約束Z方向的位移；底部約束垂直、水平以及Z3個(gè)方向的位移。

數(shù)值模型如圖6所示，模型共479 187個(gè)塊，55 584個(gè)節(jié)點(diǎn)。所建模型的空區(qū)所對應(yīng)的地表標(biāo)高為1 060 m。此模型建立主要根據(jù)巷道當(dāng)前的實(shí)際情況，并針對三、四、五中段的不同情況進(jìn)行建模與開挖。其中三中段回采結(jié)束時(shí)間較長，內(nèi)部具體情況無法詳細(xì)探明，故作為空區(qū)考慮，開挖主要針對四、五中段進(jìn)行模擬?？紤]最短距離效應(yīng)，建立開挖部分選用距離2#副井最近處截取模塊進(jìn)行分析。圍巖和礦體的力學(xué)參數(shù)由巖石力學(xué)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)折減獲得［7-8］，見表1。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

通過對四、五中段保安礦柱建模數(shù)值分析，得到四、五中段開挖后與充填后圍巖最大主應(yīng)力云圖與最小主應(yīng)力云圖以及四、五中段開挖與充填后位移云圖見圖7和圖8。

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從圖7看出，四、五中段礦體開挖后，使得空區(qū)四周出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力已達(dá)到5 MPa，而副井附近的最大主應(yīng)力也持續(xù)升高，五中段開挖區(qū)域附近的應(yīng)力集中區(qū)不斷擴(kuò)大，應(yīng)力集中強(qiáng)度增加，最高達(dá)2 MPa。空區(qū)四周的剪應(yīng)力也在不斷增大，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在五中段底板位置，最大可達(dá)4 MPa，已經(jīng)發(fā)生剪切變形。根據(jù)位移分析結(jié)果，四、五中段被開采礦體附近位移明顯增大，破壞區(qū)域四周位移為5～7 mm，同時(shí)副井附近的位移也明顯增大，最大位移已達(dá)到4～5 mm。四、五中段保安礦柱附近較大約為6～7 mm，可知保安礦柱的不穩(wěn)定已經(jīng)嚴(yán)重威脅副井的安全運(yùn)行。

從圖8看出，將四、五中段開挖后形成的采空區(qū)充填后，副井與保安礦柱附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象都明顯降低，副井附近的最大主應(yīng)力減小為1 MPa左右，最小主應(yīng)力減小為0.5 MPa左右，應(yīng)力集中強(qiáng)度減小明顯。充填散體可有效限制巖體的移動(dòng)變形，保安礦柱四五中段附近位移減小到0.4 mm，副井附近位移減小到0.3 mm左右，副井附近已經(jīng)沒有明顯威脅。由此可見，采用充填的方式治理四、五中段保安礦柱破壞范圍內(nèi)的采空區(qū)，可有效增強(qiáng)保安礦柱的穩(wěn)定性，起到保護(hù)副井的作用。

3 副井保安礦柱穩(wěn)固措施

結(jié)合現(xiàn)場保安礦柱破壞范圍與數(shù)值分析結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)保安礦柱的穩(wěn)定功能，最可行的方法在于對已破壞范圍內(nèi)的空區(qū)進(jìn)行填充增強(qiáng)，利用充填散體的側(cè)向承載能力來增加保安礦柱的穩(wěn)定性［9］?；诖?，研究提出將預(yù)留在四中段的14 m厚頂柱與五中段的10 m厚頂柱順次崩落，崩落順序?yàn)椋任逯卸魏笏闹卸?，使散體覆蓋層下移充填下部采空區(qū)，其中包括保安礦柱圈定范圍內(nèi)的采空區(qū)，同步充填地表塌陷坑來保障臨界散體柱高度不下移，利用臨界散體柱下部散體的支撐作用阻止保安礦柱范圍內(nèi)的邊壁巖體發(fā)生側(cè)向片落，控制巖移向2#副井方向發(fā)展，以此來增強(qiáng)保安礦柱的穩(wěn)定性。

3.1 頂柱處理方法

目前位于三中段的穿脈巷均已被上部冒落散體或者上下盤片落的圍巖封堵，通過在穿脈巷內(nèi)封堵散體堆外側(cè)邊緣斜向下鉆鑿平面扇形炮孔及豎直扇形炮孔的方式來處理位于四中段的14 m厚頂柱，將頂柱上方的大規(guī)模散體覆蓋層引下來，充填整個(gè)采空區(qū)。

結(jié)合礦體開采現(xiàn)狀，將14 m厚頂柱邊界（稱為頂柱回采界限）投影到三中段工程平面圖中，以此邊界為起點(diǎn)，沿礦體走向依次在穿脈巷內(nèi)布置處理頂柱的扇形炮孔（圖9），鉆鑿下斜扇形炮孔時(shí)，注意位于平面位置的第1排炮孔應(yīng)避免打到穿脈巷的廢石散體堆中，確保每排炮孔的成孔質(zhì)量。同時(shí)，根據(jù)穿脈巷間實(shí)際距離來調(diào)整平面炮孔的布置個(gè)數(shù)及角度，設(shè)計(jì)每個(gè)排面布置3～4個(gè)炮孔，孔底距為1.8 m。

豎直面上，在穿脈巷道內(nèi)布置傾斜向下的扇形炮孔，炮孔邊孔角20°，最小抵抗線1.8 m，孔底距1.8 m，排面角為90°，最長炮孔長度約為18 m（圖10），裝藥至礦巖接觸面即可，炮孔裝藥長度根據(jù)礦體的具體厚度來定，以每個(gè)穿脈巷內(nèi)的炮排為一組，分組順次爆破，崩落四中段所留14 m厚的頂柱。

3.2 空區(qū)充填方法

頂柱處理完成后，上部原積壓的大量充填及冒落散體隨著崩落的礦石（頂柱）向下移動(dòng)，充填位于四中段與五中段的采空區(qū)，充填效果見圖11。

受充填廢石散體自然安息角的影響，發(fā)現(xiàn)位于四中段與三中段保安礦柱范圍內(nèi)的部分空區(qū)無法完全充填，因此，需要采取措施保證被破壞的保安礦柱范圍盡量滿足完全充填。研究提出利用位于副井附近的二中段與三中段的穿脈巷對剩余空區(qū)進(jìn)行二次補(bǔ)充充填，充填材料來源于井下采出的廢石，充填順序?yàn)橄热卸?，后二中段，充填后的效果見圖12。這樣一方面增強(qiáng)了保安礦柱的穩(wěn)定性，另一方面井下廢石得到再利用，節(jié)約成本的同時(shí)，保護(hù)了豎井安全運(yùn)行。

通過上述副井保安礦柱穩(wěn)固措施。其一，能夠有效保護(hù)豎井的穩(wěn)定性；其二，可以解決各中段頂柱上方因積壓大量冒落散體，一旦發(fā)生大規(guī)模整體垮落形成沖擊氣浪，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員安全問題；其三，地表塌陷坑內(nèi)的大量充填散體的側(cè)向承載力有效限制了地表塌陷范圍的擴(kuò)大，保護(hù)了草原環(huán)境。為礦山實(shí)現(xiàn)安全、綠色、高效開采提供了有力保障。

4 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場保安礦柱破壞角測定，得到三中段至五中段的保安礦柱均遭受了不同程度的破壞，破壞角變化范圍為15～17°，隨著深部采礦的進(jìn)行，保安礦柱破壞范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，副井受采動(dòng)威脅風(fēng)險(xiǎn)增加。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著四、五中段保安礦柱范圍內(nèi)的礦體遭受采動(dòng)破壞，副井附近的應(yīng)力集中強(qiáng)度及位移變形量均顯著增加，副井運(yùn)行嚴(yán)重受到威脅；而通過對破壞范圍進(jìn)行充填，可有效增加保安礦柱的穩(wěn)定性，數(shù)值結(jié)果為后續(xù)保安礦柱穩(wěn)固措施提供支撐。

（3）豎井能否安全運(yùn)行取決于保安礦柱的穩(wěn)固性，利用井下崩落頂柱與地表塌陷坑廢石充填相結(jié)合的技術(shù)措施，通過充填散體的側(cè)向承載力，可有效增強(qiáng)保安礦柱的穩(wěn)定性，為礦山實(shí)現(xiàn)安全、綠色、高效開采提供了有力保障。