多空區(qū)層狀礦體誘導(dǎo)冒落機理及拉底方案優(yōu)選

曹建立， 譚寶會， 劉 洋， 任鳳玉

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

由于歷史原因，在我國礦業(yè)發(fā)展過程中不少地下礦山在淺層形成了大量的民采空區(qū)，這些民采空區(qū)數(shù)量大、規(guī)模不一、分布零散，破壞了礦體的完整性和穩(wěn)定性，且隨時可能冒落，嚴重影響了礦山生產(chǎn).因此開展多空區(qū)礦體冒落機理及回采工藝研究對于提升多空區(qū)礦體采礦效率及安全性有重要意義.在機理研究方面，Wang等在考慮巖體流變特性的基礎(chǔ)上，利用新建立的黏彈性模型，對采空區(qū)頂板巖層的蠕變破壞進行了分析，并利用該分析方法，對邢臺石膏礦頂板巖層的破壞時間進行了估算，所得結(jié)果與實測結(jié)果基本一致[1]；Sun等對弓長嶺三礦區(qū)多采空區(qū)穩(wěn)定性進行了分析評價，并研究了采礦過程中采空區(qū)與非采空區(qū)地層之間的相互作用關(guān)系[2]；鄭磊等采用FLAC3D軟件對金屬礦多空區(qū)的崩落放頂過程進行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果反映了采空區(qū)范圍的地壓活動規(guī)律及礦柱穩(wěn)定性變化情況[3].在采礦工藝方面，趙興明采用RAMAC/GPR探地雷達和瑞雷波探測技術(shù)，對復(fù)雜采空區(qū)進行了綜合探測研究，并以此為基礎(chǔ)提出多空區(qū)下分段鑿巖連續(xù)崩礦回采方案[4]；李興尚等針對民采多空區(qū)礦體，提出了采用全尾砂上向分層充填開采技術(shù)回采殘礦[5].

限于民采空區(qū)的復(fù)雜性，常規(guī)的采礦方法很難真正實現(xiàn)多空區(qū)礦體的安全高效回采.誘導(dǎo)冒落法是近年來發(fā)展起來的一項新型改進的采礦方法，在破碎礦體高效回采及采礦區(qū)安全高效處理方面取得了顯著成效.本文針對大嶺西山菱鎂礦存在著大量民采空區(qū)，提出了利用誘導(dǎo)冒落法回采多空區(qū)礦體的技術(shù)方案，采用3DEC軟件研究了多空區(qū)礦體的誘導(dǎo)冒落機理，并模擬了4種不同拉底順序的誘導(dǎo)冒落方案，確定出了最優(yōu)拉底方案.

1 多空區(qū)礦體誘導(dǎo)冒落采礦方案

1.1 工程背景

大嶺西山菱鎂礦遭受多年無序開采，在+137 m水平以上分布有大量采空區(qū)，采空區(qū)層疊交錯(見圖1).傳統(tǒng)采礦方法的回采安全問題難以解決，需要從礦山多空區(qū)礦體的特點、礦巖結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性特征出發(fā)，研究出適合該礦山的安全高效采礦方案.

1.2 多空區(qū)礦體誘導(dǎo)冒落回采方案

誘導(dǎo)冒落采礦法是由東北大學(xué)任鳳玉提出的一種新型改進的地下采礦方法，該采礦方法具有產(chǎn)能大、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活等優(yōu)點[6-7].目前該方法已經(jīng)成功在國內(nèi)多個礦山的礦石回采及采空區(qū)處理中得到應(yīng)用.

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查及取樣測試后得出大嶺西山菱鎂礦穩(wěn)定性級別為中等穩(wěn)定，圍巖穩(wěn)定性級別為中等穩(wěn)定至不穩(wěn)定，比較適合誘導(dǎo)冒落方案的開展.采用誘導(dǎo)冒落法開采多空區(qū)礦體時，在首采分段通過有計劃的中深孔爆破形成一個貫通的大規(guī)模采空區(qū)，誘導(dǎo)頂板發(fā)生冒落(見圖2)；在首采分段下部通常至少布置1～2個采礦分層，以確保冒落礦石能夠被充分回收；位于最底部的分段通常是采場內(nèi)礦石最后的回收機會，因此為減少礦石損失可以通過加密進路的方式來提升礦石的回采率.利用誘導(dǎo)冒落法回采多空區(qū)礦體，不僅可以大幅度提升采礦率，而且可有效避免空區(qū)群組失穩(wěn)對采礦作業(yè)帶來的危害，提高了采礦作業(yè)安全性.

2 多空區(qū)礦體誘導(dǎo)冒落機理

3DEC作為一款基于離散單元法的基本理論來描述離散介質(zhì)力學(xué)行為的計算分析程序，在模擬巖體的開裂失穩(wěn)以及冒落等方面具有獨到的優(yōu)勢，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究邊坡失穩(wěn)、頂板冒落、巷道失穩(wěn)等工程問題[8-10].基于所研究問題的特性，本文采用3DEC軟件對多空區(qū)下誘導(dǎo)冒落機理展開研究.

2.1 模型的建立

本次所建模型尺寸為長×高×寬=2 400 mm×1 100 mm×200 mm，模型中共包含了17個分布在不同高度的采空區(qū)，為便于建模，空區(qū)形態(tài)均簡化為矩形，空區(qū)高度在5～10 mm之間，長度在10～30 mm之間.模型從下至上共劃分了9個巖層，模型底部第1巖層設(shè)定為拉底水平.模型具有6個自由面，對應(yīng)的6個邊界條件為：模型左右邊界約束在X=0和X=2 400 mm,限制X方向的速度；前后邊界約束在Y=0和Y=200 mm,限制Y方向速度；底部邊界約束在Z=0為固定邊界，頂部邊界在Z=1 100 mm施加均布荷載，其值為0.145 MPa，應(yīng)力相似常數(shù)aσ=10，模擬埋深為50 m，模型達到應(yīng)力平衡后進行開挖.由于空區(qū)埋深較淺，本次數(shù)值模擬只考慮上覆巖層的垂直應(yīng)力，對水平構(gòu)造應(yīng)力不考慮.同時為了便于后續(xù)分析，將模型中的空區(qū)按照上下重疊交錯的位置關(guān)系，以及空區(qū)群與模型中軸線的空間位置關(guān)系，共劃分出了4個空區(qū)群，如圖3所示.

2.2 力學(xué)模型和參數(shù)的選取

數(shù)值模型中巖體的力學(xué)模型采用莫爾-庫倫模型，節(jié)理本構(gòu)模型采用庫侖-滑移模型，數(shù)值模型包含了節(jié)理彈性剛度、摩擦特性、剪脹特性等功能，符合巖體的基本特征.數(shù)值模型中巖體及節(jié)理的力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示.

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2.3 多空區(qū)礦體冒落機理分析

采場應(yīng)力平衡后，在最底部分層由中央向兩側(cè)進行退采拉底.礦塊在拉底破壞擾動作用下應(yīng)力重新調(diào)整，由于礦體受水平層面及空區(qū)間礦柱強度的限制，調(diào)整后的應(yīng)力使得礦體沿層面破壞或者超過空區(qū)間礦柱的強度而發(fā)生空區(qū)失穩(wěn).礦體破壞后又形成新的應(yīng)力平衡，在不斷的應(yīng)力調(diào)整、礦體破壞、空區(qū)失穩(wěn)的循環(huán)中，最終達到應(yīng)力平衡，使整個采場中的巖體趨于穩(wěn)定.圖4給出了模型拉底后空區(qū)間礦柱發(fā)生裂紋擴展的現(xiàn)象以及空區(qū)失穩(wěn)后的礦體冒落現(xiàn)象.

數(shù)值模擬研究證明空區(qū)群的存在嚴重影響了礦體的完整性和冒落規(guī)律.空區(qū)群弱面的存在使得礦體往往沿空區(qū)弱面發(fā)生冒落.為了更好地解釋多空區(qū)礦體冒落過程的應(yīng)力演化及礦柱破壞的先后順序，對礦體整個冒落過程產(chǎn)生的裂紋進行了編號，見圖5，圖中紅色線條代表裂紋，數(shù)字代表裂紋產(chǎn)生的先后序號.

在采場拉底形成后，裂紋發(fā)展及冒落過程如下：① 在右1空區(qū)群弱面位置，裂紋1和裂紋2開始萌生、擴展；② 在裂紋1和裂紋2擴展過程中，拉底擾動產(chǎn)生的應(yīng)力場在不斷地調(diào)整，重疊交錯的左1空區(qū)群和右2空區(qū)群中的裂紋3、裂紋4、裂紋5、裂紋6開始萌生、擴展；③ 隨后左1空區(qū)群中的裂紋7和裂紋8在應(yīng)力調(diào)整過程中也開始萌生；④ 待裂紋1～8貫通后，底部開始形成一個整體，最后在底部第5層巖層層面張開，從而產(chǎn)生了底部第2層到第5層礦體冒落；⑤ 底部第2層到第5層礦體冒落后，底部第6層的礦體受到瞬間卸荷作用，礦體受到強烈的擾動作用，在應(yīng)力調(diào)整的過程中，以及第7層巖體層面張開下，最后第6層和第7層巖體開始冒落；⑥ 在第6層巖體垮落后，第7層巖體和第8層巖體受到強烈的瞬間卸荷作用，在垮落后的兩幫位置，巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，內(nèi)部開始萌生出新生裂紋9和裂紋10，然后擴展貫通，該巖層層面在巖層巖體的重力作用下張開，最終垮落，見圖4b.

數(shù)值模擬結(jié)果表明，空區(qū)群的存在打破了無空區(qū)礦體的應(yīng)力均勻分布的狀態(tài)，拉底后空區(qū)間的礦柱上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，礦柱尺寸越小、周圍空區(qū)越多，則應(yīng)力集中程度越大，在集中應(yīng)力作用下礦柱很容易產(chǎn)生裂隙而破壞.根據(jù)產(chǎn)生裂隙的兩空區(qū)相對位置不同，裂隙產(chǎn)生機理分為剪切破壞和剪切-拉伸破壞，如圖6所示，當上下層空區(qū)邊界位于(或接近)同一豎直平面內(nèi)時，礦柱受到剪切破壞產(chǎn)生裂隙；當上下層空區(qū)部分重疊且邊界拉開一定距離時，礦柱受到拉伸-剪切破壞產(chǎn)生裂隙.當?shù)V柱間產(chǎn)生的裂隙與礦體層面或破壞面貫通后，礦體便發(fā)生垮塌冒落.

3 多空區(qū)礦體誘導(dǎo)冒落拉底方案優(yōu)選

3.1 拉底方案設(shè)計

由于在拉底過程中，各空區(qū)群所受的應(yīng)力狀態(tài)各不一樣，空區(qū)間礦柱裂紋貫通的時間也不一樣，因此不同的拉底順序?qū)?dǎo)致不同的冒落時間和形態(tài).此處設(shè)定了4種不同的拉底方案進行數(shù)值模擬計算，最后，通過比較冒落的先后順序、冒落過程的平穩(wěn)度來確定最優(yōu)拉底方案，原則上最先發(fā)生冒落且冒落過程平緩持續(xù)進行者為最優(yōu)方案.4種拉底方案如圖7所示.其中，方案1以左1空區(qū)群為中心向左拉底；方案2以左1空區(qū)群為中心向兩側(cè)拉底；方案3以右2空區(qū)群為中心向左拉底；方案4以右2空區(qū)群為中心向兩側(cè)拉底.4個方案中均以每次擴展0.2 m進行拉底.

3.2 模擬結(jié)果及方案優(yōu)選

圖8給出了四種拉底方案分別在拉底長度為0.4 m和0.8 m時的數(shù)值模擬計算結(jié)果.

由圖8a可知，當拉底長度為0.4 m時，第2層開始冒落；當拉底長度達到0.8 m時，冒落高度達到第8層礦體.冒落范圍涉及到左1空區(qū)群和左2空區(qū)群，且隨著冒落向上發(fā)展，冒落范圍有向右側(cè)右1空區(qū)群發(fā)展的趨勢.主要原因是因為左1空區(qū)群左側(cè)為完整礦體，未受空區(qū)破壞，而右側(cè)為多個空區(qū)群，礦體強度降低較多，拉底造成頂板能量聚集導(dǎo)致的礦體破壞通常會朝強度較低一側(cè)發(fā)展.

由圖8b可知，當拉底長度為0.4 m時，第3層巖層冒落；當拉底長度達到0.8 m時，底部第2層礦體開始發(fā)生冒落，同時帶動其上大范圍冒落，冒落高度達到了第8層，拉底空間左側(cè)的冒落范圍基本與拉底范圍在同一豎直平面內(nèi)，而在右側(cè)則超出拉底范圍豎直面較多.主要原因是以左1空區(qū)群為中心同時向左右兩側(cè)拉底時，拉底范圍同時包含了左2空區(qū)群和右1空區(qū)群，且右1空區(qū)群向右側(cè)延伸較大，由此造成冒落范圍超出拉底范圍較大.

由圖8c計算結(jié)果可知，當拉底長度為0.4 m時巖層未發(fā)生冒落；當拉底長度為0.8 m時，突然發(fā)生較大規(guī)模冒落.主要原因是由于初始拉底位置上方是右2空區(qū)群的中心，上部載荷被轉(zhuǎn)移到空區(qū)兩側(cè)的礦柱上，拉底空間上方屬于卸壓區(qū)，此時施加在拉底空間上方完整巖層上的應(yīng)力較低，無法使巖層破壞；當拉底長度超過0.8 m時，拉底范圍超過了空區(qū)兩側(cè)礦柱，此時底部第2層巖層受到上部礦柱集中應(yīng)力的作用而發(fā)生破壞，一旦兩個礦柱失穩(wěn)，則其上部和中間的空區(qū)均失穩(wěn)破壞，發(fā)生較大規(guī)模的瞬間冒落，形成冒落危害.

由圖8d可知，當拉底長度為0.4 m時，未發(fā)生冒落，此時拉底空間上部存在一個梯形礦柱，該礦柱下部尺寸較大，應(yīng)力集中程度低，因此即使礦柱完全位于拉底空間上方時仍未發(fā)生冒落；當拉底長度達到0.8 m時，雖然拉底空間上部巖體發(fā)生大面積破壞，但依舊沒有發(fā)生冒落，可以推測，若繼續(xù)增大拉底面積，則極有可能突然發(fā)生大規(guī)模冒落.

對比4個方案可知，方案1和方案2冒落較早，方案3次之，方案4最難冒落.雖然方案1和方案2均能實現(xiàn)早冒落、持續(xù)冒落的目標，但方案2所需的時間更短，考慮到拉底作業(yè)應(yīng)盡快撤出空區(qū)下方，盡可能減小冒落沖擊傷害的發(fā)生，因此選擇方案2作為最優(yōu)方案.數(shù)值模擬實驗表明，對于多空區(qū)礦體而言，應(yīng)盡可能地將拉底工程布置在最易破壞的礦柱下方，并以其為中心向四周不斷擴大拉底面積，從而實現(xiàn)上部多空區(qū)礦體的持續(xù)、平穩(wěn)冒落.

4 大嶺西山菱鎂礦誘導(dǎo)冒落拉底方案

根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果，將大嶺西山菱鎂礦拉底初始位置設(shè)定在+120 m水平4號進路與2號聯(lián)巷的交叉點，如圖9所示.在此處拉切割槽，

向四周退采，形成階梯狀退采形態(tài)，彼此保持 10 m 左右的超前距離，當各條進路退采接近1號和3號聯(lián)巷時，與聯(lián)巷保持約5 m長度即停止回采，以便于最邊界處的16號進路運輸暢通.此時，拉底空間足以使首采區(qū)域上部采空區(qū)冒落，由于多條進路與冒落空區(qū)聯(lián)通，即使有冒落氣浪產(chǎn)生，也會被多條進路分流，從而降低了氣浪沖擊的可能性.

5 結(jié) 論

1) 空區(qū)群的存在破壞了礦體的完整性和穩(wěn)定性，難以利用常規(guī)采礦方法實現(xiàn)多空區(qū)礦體的安全高效開采，利用誘導(dǎo)冒落法回采多空區(qū)礦體時，合理布置拉底位置和順序可利用地壓快捷地使多空區(qū)礦體發(fā)生自然冒落，再通過底部結(jié)構(gòu)回收礦石，從而實現(xiàn)多空區(qū)礦體的安全高效回采.

2)數(shù)值模擬實驗結(jié)果表明，對多空區(qū)層狀礦體實施誘導(dǎo)冒落時，拉底后空區(qū)之間的礦柱上容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而且礦柱尺寸越小、周圍空區(qū)越多，則應(yīng)力集中程度越大，在集中應(yīng)力作用下礦柱很容易產(chǎn)生破壞裂隙，隨著裂隙的產(chǎn)生，應(yīng)力也在不斷調(diào)整，直至裂隙與層狀礦體的層理面貫通時，礦體便會發(fā)生冒落.

3)通過對4種不同退采順序的拉底方案進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明對于多空區(qū)礦體實施誘導(dǎo)冒落時，應(yīng)盡可能地將拉底工程布置在最易破壞的礦柱下方，并以其為中心向四周不斷擴大拉底面積，更有利于實現(xiàn)上部多空區(qū)礦體的持續(xù)、平穩(wěn)冒落.