自然崩落法底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)因素及支護對策研究

李 冰 石廣斌 麻 棟 張 雯

（西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西西安710055）

自然崩落法對于厚大、低品位礦體的開采與其他采礦方法相比有著巨大的優(yōu)勢［1］，我國20世紀80年代在多個礦山開展過自然崩落法的試驗研究，但只有銅礦峪銅礦成功使用該方法，近幾年云南的普朗銅礦使用自然崩落法進入投產(chǎn)［2-3］。該采礦方法多用于礦巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、軟弱面多，圍巖較易破碎的礦床中，加之底部結(jié)構(gòu)中巷道比較多，削弱了底部結(jié)構(gòu)的強度［4-5］，因此使用該方法的礦山大部分存在底部結(jié)構(gòu)破壞嚴重的問題［6］。

國內(nèi)學(xué)者就底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性做了許多研究，劉華武［7］應(yīng)用FLAC3D數(shù)值軟件對普朗銅礦整個拉底過程中底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進行了研究；梁江波［8］通過數(shù)值模擬對自然崩落法超前拉底條件下底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進行研究；王寧［9］通過三維有限元數(shù)值方法，對金川高應(yīng)力破碎巖體自然崩落法底部結(jié)構(gòu)開采過程中的穩(wěn)定性進行了分析，并提出巷道采用讓壓支護能維護底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；明建［10］通過現(xiàn)場試驗和監(jiān)測等多種手段分析了自然崩落法采場中巷道的變形破壞規(guī)律，提出了被動和主動的聯(lián)合支護體系。隨著金屬礦山開采深度的增加，巖石所處的環(huán)境與淺部差異較大，在高應(yīng)力條件下，巖體破碎，巷道的支護更加困難，而對使用自然崩落法的礦山來說，巖體性質(zhì)本就不好，深部的巖體處于高應(yīng)力下，底部結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)較大的變形和破壞，這成為自然崩落法急需解決的問題。因此對礦山深部自然崩落法底部結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律和支護措施進行研究是十分必要的。

本項目以使用自然崩落法開采的某礦山為背景，通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)礦山底部結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象嚴重，通過構(gòu)建該礦山三維采場底部結(jié)構(gòu)模型，研究拉底過程中所引起的二次應(yīng)力場對底部結(jié)構(gòu)內(nèi)部的擾動情況，分析底部結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布規(guī)律，進而提出一種對底部結(jié)構(gòu)中桃形礦柱支護的方法。

1 礦山工程概況

某礦山礦床屬變質(zhì)斑巖型銅礦，山脈海拔平均標高在1 100 m，平面上為巨大透鏡狀，礦體主要賦存于變鉀質(zhì)基性火山巖層內(nèi)，其產(chǎn)狀為傾向北西，傾角40°～60°，平均49°，礦體沿走向長約980 m，沿傾向延深1 100 m以上。主要含礦巖石為變石英晶屑凝灰?guī)r和黑云母片巖，礦體平均厚度為164 m，最大厚度296 m。

礦山開采埋深600 m以下的礦體時，面臨著高地應(yīng)力及巖體破碎等問題，底部結(jié)構(gòu)中巷道經(jīng)常發(fā)生較大變形（如圖1），部分桃形礦柱會出現(xiàn)鼓脹、剝落，甚至坍塌破壞，這給后續(xù)的生產(chǎn)和出礦帶來相當大的困擾，也可能帶來生產(chǎn)安全事故。

2 拉底過程中底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

2.1 模型建立

選取礦山深部某中段采場底部結(jié)構(gòu)，采用Midas-GTS建立三維模型，礦體走向方向為模型Y軸方向，垂直走向方向為模型X軸方向，模型在2個方向長度均為510 m，礦體豎直方向為模型Z軸方向，高度為350 m。根據(jù)研究內(nèi)容及建模單元限制，共設(shè)4條出礦穿脈巷道，6條拉底巷道。模型中Z=0處對應(yīng)礦山出礦水平，出礦水平和拉底水平間距7 m，拉底高度7 m，出礦穿脈間距30 m，出礦進路間距15 m；出礦進路斷面為3.8 m×3.2 m，拉底巷道斷面為3.3 m×3.3 m；聚礦槽上底為14 m×10 m，下底為13 m×4.7 m，高10 m，幾何模型見圖2，模型共劃分436 459個單元，有限元模型見圖3。本次模型采取位移邊界條件，在模型的X方向兩端采取位移約束，在Y方向兩端采取位移約束，在Z方向兩端采取X、Y、Z向位移約束。

根據(jù)礦區(qū)深部測點的地應(yīng)力測量結(jié)果，并由所研究礦區(qū)底部結(jié)構(gòu)的方位，利用應(yīng)力張量轉(zhuǎn)化公式，將初始地應(yīng)力轉(zhuǎn)化到計算所采用的直角坐標系中，并由模型高度，將轉(zhuǎn)換后的應(yīng)力擬合為函數(shù)形式，加載到模型中。模型中加載的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力值隨模型坐標Z的函數(shù)如下：

根據(jù)礦山深部巖石物理力學(xué)參數(shù)，并由Hoek-Brown準則確定數(shù)值計算所用的巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

2.2 模擬方案

采礦工程的力學(xué)特點是巖體力學(xué)行為與開采歷史和開采過程有關(guān)，針對該礦山建立的底部結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的模擬過程為：第1步，未采動，原巖應(yīng)力狀態(tài)；第2步，出礦穿脈、拉底巷道施工完畢；第3步，出礦進路施工完畢；第4步，拉底施工完畢；第5步，聚礦槽施工完畢。

2.3 模擬結(jié)果

在初始地應(yīng)力場下，模型的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力如圖4和圖5，從中可以看出，隨著埋深的增加，巖體應(yīng)力也逐漸增加，并且分層明顯，在底部結(jié)構(gòu)出礦水平區(qū)域，最大主應(yīng)力為21 MPa，最小主應(yīng)力為12 MPa。

（1）最大主應(yīng)力。在模型中X=0、Y=0、Z=0處各取一個剖面，分別記為X、Y、Z剖面，只選取模型中X、Y、Z剖面中底部結(jié)構(gòu)區(qū)域進行分析，模擬結(jié)果見圖6。從圖6各應(yīng)力云圖中可以看出，出礦穿脈巷道周邊最大主應(yīng)力范圍為29.3～35.8 MPa之間，其中頂?shù)装遄畲笾鲬?yīng)力值相對較大；出礦進路巷道兩幫應(yīng)力較集中，最大主應(yīng)力范圍為32.8～58.6 MPa之間，頂?shù)装宓膽?yīng)力會發(fā)生釋放。在拉底之后，空區(qū)兩端頂板周圍最大主應(yīng)力較大，此時桃形礦體和底部的巷道處于卸荷區(qū)域，壓應(yīng)力相對較小。在出礦水平，拉底形成后，兩側(cè)的礦柱應(yīng)力增大，應(yīng)力值在25～44.6 MPa之間，與中間2條出礦穿脈對應(yīng)的礦柱應(yīng)力降低，此處礦柱發(fā)生應(yīng)力釋放。聚礦槽開挖后，聚礦槽左右兩側(cè)應(yīng)力發(fā)生釋放，說明在聚礦槽施工完后，應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)支撐體上，桃形礦體區(qū)域由于應(yīng)力釋放，最大主應(yīng)力值較小。

（2）最小主應(yīng)力。從圖7各應(yīng)力云圖中可以看出，在出礦穿脈與拉底巷道及出礦進路形成后，基本不能形成受拉區(qū)域，最小主應(yīng)力仍為負值。當拉完底之后，空區(qū)頂板和桃形礦柱出現(xiàn)了拉應(yīng)力，桃形礦柱頂部由于應(yīng)力重分布，產(chǎn)生應(yīng)力釋放，頂部最大拉應(yīng)力達到了1.66 MPa，超過了巖石的抗拉強度1.36 MPa。在聚礦槽開挖后，聚礦槽頂板與兩側(cè)出現(xiàn)受拉區(qū)域，最大拉應(yīng)力達到1.59 MPa，說明聚礦槽施工過程中，空區(qū)增大后，隨著應(yīng)力發(fā)生釋放，在頂板與兩側(cè)進一步形成拉應(yīng)力。在出礦水平，拉完底后，出礦進路和穿脈巷道交叉處出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值達到了巖石抗拉強度，隨著聚礦槽的施工，拉應(yīng)力區(qū)域增大，若不采取支護措施，這些巷道易發(fā)生受拉破壞。

（3）塑性區(qū)。從圖8各云圖中可以看出，在出礦穿脈和拉底巷道形成后，巷道兩幫發(fā)生彈塑性變形，且區(qū)域很小，巷道不足以破壞。出礦進路形成后，運輸水平在巷道的交叉口出現(xiàn)彈塑性區(qū)，但是塑性區(qū)范圍很少，只是有極少出現(xiàn)。底部拉開之后，從X剖面可以看出桃形礦柱上塑性區(qū)增多，Z剖面上出礦穿脈和出礦進路巷道壁均出現(xiàn)塑性區(qū)，岔口部位彈塑性區(qū)范圍也明顯增大，這是由于上部拉底空區(qū)增大后，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至底部出礦結(jié)構(gòu)中，因此在這些部位容易受到剪切和拉伸破壞，需對出礦穿脈和出礦進路岔口部位以及桃形礦柱進行加強支護。在聚礦槽施工完畢后，由于應(yīng)力釋放，在桃形礦柱和聚礦槽前后間柱體上產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力或擠壓應(yīng)力過大，從而在這些區(qū)域造成塑性變形，為此需對桃形柱和聚礦槽前后間柱體加強支護，維護底部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

在整個拉底過程中，底部結(jié)構(gòu)中二次應(yīng)力重分布區(qū)域增大，巷道交叉口等復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域的應(yīng)力值增大。在出礦穿脈、拉底巷道和出礦進路施工完畢后，底部結(jié)構(gòu)所受的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力在巖體可承受范圍內(nèi)，塑性區(qū)范圍也比較小，但在拉完底之后，應(yīng)力急劇增大，尤其是出礦水平中桃形礦柱和各巷道交叉處，所受最大拉應(yīng)力達到了巖體的抗拉強度，并且塑性區(qū)范圍急劇增大，在這期間底部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)破壞，因此對這些部位需加強支護，維護采區(qū)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 支護對策

根據(jù)底部結(jié)構(gòu)在拉底過程中的應(yīng)力分布，本研究提出一種支護形式：自然崩落法底部結(jié)構(gòu)不張拉對穿型錨索與錨桿聯(lián)合支護法，見圖9。

底部結(jié)構(gòu)中出礦穿脈和拉底巷道施工完畢后，在桃形礦柱腰部的2個拉底巷道和底部的出礦巷道中安裝錨索，用于支護的錨索為不張拉全黏結(jié)式對穿型錨索，錨索長9.5 m；在出礦穿脈中向桃形礦柱頂部兩側(cè)施加不張拉錨索，錨索長11.5 m。以上錨索由2根φ15.20 mm的1×7標準型鋼絞線組成，屈服強度為1 860 MPa，間距和排距均為1.5 m。施加錨索的目的是加強巖體的整體性，使桃形礦柱中形成穩(wěn)固的三角形區(qū)域。出礦穿脈和出礦進路的拱頂以及邊墻安裝錨桿，錨桿使用φ22 mm抗剪為主的鋼筋，錨桿間距為1 m×1 m，錨桿長度為3.0 m，托板尺寸為200 mm×200 mm×10 mm的鋼板；施加錨桿是防止淺層圍巖的松弛破壞，加強圍巖整體性。在巷道交叉處，采用噴錨和鋼拱架澆筑單層鋼筋混凝土支護。

3.1 支護模型的建立

數(shù)值分析建立的模型如圖10，其中支護系統(tǒng)劃分網(wǎng)格見圖11。模型共劃分457 215個單元，模型的邊界條件和初始地應(yīng)力的施加均按第2節(jié)中的參數(shù)施加。

3.2 模擬方案

本次支護方式為不張拉對穿型錨索與錨桿聯(lián)合支護法，其支護方案如下：①穿脈巷道和拉底巷道施工完畢后，對穿脈巷道進行錨桿支護，并在穿脈巷道和拉底巷道中打?qū)Υ╁^索；②出礦進路施工完畢后，對出礦進路進行錨桿支護。

3.3 模擬結(jié)果分析

通過計算支護方案后，模型中底部結(jié)構(gòu)區(qū)域圍巖的位移、塑性區(qū)結(jié)果如下：

（1）位移。拉完底之后，底部結(jié)構(gòu)無支護的的位移云圖見圖12（a），聯(lián)合支護下的位移云圖見圖12（b）；聚礦槽施工完畢后，底部結(jié)構(gòu)無支護的的位移云圖見圖12（c），聯(lián)合支護下的位移云圖見圖12（d）。桃形礦柱上最大位移分別由由支護前的300 mm和330 mm降到支護后的200 mm和203 mm，降低幅度分別為33.3%和38.5%，最大位移變化范圍也減小很多，支護后底部結(jié)構(gòu)整體位移變化范圍降低也比較明顯。故聯(lián)合支護的作用比較大，減小了桃形礦柱和底部結(jié)構(gòu)中巷道的變形，從而能有效控制底部結(jié)構(gòu)中圍巖的松動變形。

（2）塑性區(qū)分布。拉完底之后，底部結(jié)構(gòu)無支護的的塑性區(qū)見圖13（a），聯(lián)合支護下的塑性區(qū)見圖13（b）；聚礦槽施工完畢后，底部結(jié)構(gòu)無支護的的塑性區(qū)見圖13（c），聯(lián)合支護下的塑性區(qū)見圖13（d），從圖中可以明顯看出，聯(lián)合支護后，桃形礦柱上的塑性區(qū)面積大范圍減少，出礦進路頂板的塑性區(qū)也有所減少，可得出該支護方案效果明顯。

3.4 支護方案實施效果

該礦山在下一中段的開采中，使用了長錨索、錨桿、噴錨網(wǎng)和鋼拱架聯(lián)合支護，其底部結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象明顯減少，現(xiàn)場大部分巷道比較穩(wěn)定，其照片見圖14。由此看出新的支護方案可以使深部底部結(jié)構(gòu)保持良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

根據(jù)某銅礦深部采區(qū)出現(xiàn)的底部結(jié)構(gòu)破壞嚴重等問題，通過數(shù)值模擬對自然崩落法底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行分析，并基于讓壓原理，提出一種底部結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護方案。主要結(jié)論如下：

（1）底部結(jié)構(gòu)在前進式拉底的過程中，未拉開底部之前，塑性區(qū)域很小，且巷道周圍不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明此時各巷道均比較穩(wěn)定；在拉完底之后以及聚礦槽施工完畢后，底部結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較大，其中桃形礦柱和出礦水平的巷道交叉口處出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，并且超過了巖體的抗拉強度和承受能力，此時桃形礦柱容易產(chǎn)生破壞。

（2）根據(jù)拉底過程中的應(yīng)力變化和塑性區(qū)分布，基于讓壓原理，提出了一種自然崩落法底部結(jié)構(gòu)不張拉對穿型錨索與錨桿聯(lián)合支護方案，并用數(shù)值方法分析了支護效果。其中支護后底部結(jié)構(gòu)中的最大位移降幅為38.5%，且塑性區(qū)范圍比支護前降低了很多。

（3）通過在采場底部結(jié)構(gòu)中實施不張拉對穿型錨索與錨桿聯(lián)合支護法，結(jié)構(gòu)中各巷道和桃形礦柱破壞明顯減少，此方法大大提高了生產(chǎn)的安全性。