高水平應(yīng)力下孤島破裂礦柱開采技術(shù)研究與應(yīng)用

潘桂海，王湖鑫，于世波，何曉武

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160；2.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司銅坑礦，廣西 河池 547207)

銅坑礦92#礦體采用空?qǐng)鏊煤髲U石充填法、組合崩落法大規(guī)模開采將近二十年，形成大量不規(guī)整的采空區(qū)群，由于空區(qū)處理不及時(shí)、不徹底，誘發(fā)大規(guī)模區(qū)域性地壓活動(dòng)，致使預(yù)留的礦柱出現(xiàn)不同程度的破裂及垮落，部分礦柱形成孤立的礦塊，成為難以開采的殘礦資源[1]。銅坑礦對(duì)殘礦回收進(jìn)行了大量的研究和工程實(shí)踐，如采用束狀大直徑深孔變抵抗線側(cè)向崩落和向冒落區(qū)局部擠壓崩礦、上向密集群孔放頂，單步驟階段連續(xù)采礦方法對(duì)礦柱群I采區(qū)進(jìn)行回采[2]；采用誘導(dǎo)崩落技術(shù)對(duì)細(xì)脈帶礦體大4采場(chǎng)進(jìn)行回采[3]；采用原地碎裂爆破采礦技術(shù)對(duì)礦柱群II采區(qū)進(jìn)行回采[4]；采用環(huán)境再造技術(shù)在垮落區(qū)邊緣回收殘礦[5]等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

破裂礦柱具有長(zhǎng)寬比大、兩側(cè)垮落體過于松散的獨(dú)有特點(diǎn)。松散垮落體無法為礦柱開采提供足夠的支撐能力，不能形成穩(wěn)固的自然拱，銅坑礦以端部或一側(cè)垮落體為自由面，在破裂礦體底部穩(wěn)固區(qū)域?qū)?02#、203#線盤區(qū)柱部分區(qū)域采用崩落法進(jìn)行回采，在垮落體側(cè)向壓力的作用下，兩側(cè)的廢石先于頂部礦石下來，導(dǎo)致?lián)p失率高達(dá)43.8%，貧化率高達(dá)29.4%，極大地浪費(fèi)礦產(chǎn)資源。

201#線盤區(qū)柱破裂垮落高度達(dá)62 m，兩側(cè)采場(chǎng)冒落高度達(dá)120 m以上，是孤島破裂礦柱的典型代表，本研究以201#線盤區(qū)柱為研究對(duì)象，開展針對(duì)性的開采技術(shù)研究與工程應(yīng)用，也為其它類似開采技術(shù)條件的礦柱回采提供參考。

1 201#線盤區(qū)柱開采技術(shù)條件

201#線盤區(qū)柱東西向?qū)捈s25 m，南北走向長(zhǎng)約142 m；平面面積3 350 m2；礦體垂直標(biāo)高位于428水平至523水平之間。礦體呈南北兩端低中間高，傾角在22°左右。201#線盤區(qū)柱兩側(cè)采用連續(xù)采礦—頂板誘導(dǎo)崩落法進(jìn)行回采[6]，誘發(fā)區(qū)域性地壓活動(dòng)，導(dǎo)致455水平以上盤區(qū)礦柱及南北兩端回采進(jìn)路破裂垮落，未能爆破回采(圖1)。

圖1 455水平破碎區(qū)現(xiàn)狀平面圖

201#線盤區(qū)柱428水平至455水平南北兩端及西側(cè)北端、東側(cè)中間部分均已崩落回采，在盤區(qū)柱中間434水平施工了一條南北向的434水平下428水平斜道，在南、北端分別向東施工了434水平上455水平斜道和428水平下405水平斜道，并在斜坡道兩側(cè)不規(guī)則的布置多個(gè)上向天井等工程。礦房回采布置的采切工程對(duì)盤區(qū)柱切割嚴(yán)重，在高水平應(yīng)力作用下，已有局部井巷工程破壞嚴(yán)重，開采作業(yè)環(huán)境惡劣。

2 誘導(dǎo)崩落可行性研究

2.1 巖體完整性測(cè)試

巖體完整性測(cè)試主要是研究不同類型、不同區(qū)域礦柱松動(dòng)破裂區(qū)的深度與程度[7-8]。在201#線盤區(qū)柱428水平、434水平、443水平采準(zhǔn)工程內(nèi)的4個(gè)位置共布置了14個(gè)鉆孔，并采用NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀進(jìn)行聲波測(cè)試，測(cè)試孔具體位置、參數(shù)，如圖2所示。

圖2 巖體聲波測(cè)試位置布置圖

礦柱尺寸和位置的不同，測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)差異性比較明顯，但底部礦柱均在盤區(qū)柱應(yīng)力集中范圍內(nèi)，由于主應(yīng)力由水平應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪睉?yīng)力，巷道開挖后礦柱在卸荷破壞作用下，從礦柱表面開始至2.6～3.2 m的巖體均為破碎巖體，屬于礦柱的破裂區(qū)范圍。聲波測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

2.2 復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)作用下的盤區(qū)柱破裂演化規(guī)律

1)模型建立

201#線盤區(qū)柱長(zhǎng)度與寬度比值較大，且兩側(cè)均為在開采過程中對(duì)頂板進(jìn)行誘導(dǎo)崩落，采用PHASE2 7.0軟件[9]對(duì)盤區(qū)柱在兩側(cè)開挖過程的穩(wěn)定性變化進(jìn)行分析，建立長(zhǎng)×寬為375 m×385 m的平面應(yīng)變模型，模型中盤區(qū)柱高度為85 m、寬度為25 m，盤區(qū)柱兩側(cè)采場(chǎng)寬度為60 m，分層采高分別設(shè)置為25 m、20 m、20 m和20 m。銅坑礦實(shí)測(cè)地應(yīng)力顯示水平應(yīng)力較大、垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力，模型計(jì)算中施加的初始地應(yīng)力值按照σ1=3.5，σ3=3.5σh，平面外σ2=2.3σh進(jìn)行施加，同時(shí)按照上覆巖體重量承以側(cè)壓力系數(shù)為側(cè)向壓力對(duì)盤區(qū)柱提供側(cè)向支撐，并隨著開采的進(jìn)行逐步施加到盤區(qū)柱上。模擬時(shí)采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則。

2)模擬結(jié)果分析

隨著盤區(qū)柱兩側(cè)礦房開采后，盤區(qū)柱最大主應(yīng)力由水平方向迅速調(diào)整為以盤區(qū)柱承受集中壓力的豎直方向。隨著開采高度的增加，盤區(qū)柱中部的剪切塑性區(qū)明顯增多，并逐步出現(xiàn)拉破壞區(qū)域，最后發(fā)展為盤區(qū)柱上部45 m處由于拉破壞貫穿，盤區(qū)柱基本處于破裂狀態(tài)。對(duì)于鑿巖巷道上部8～40 m高度，盤區(qū)柱兩側(cè)塑性區(qū)總計(jì)厚度達(dá)10 m左右(一側(cè)各5 m)，中間存在5 m應(yīng)力支撐核心區(qū)；鑿巖巷道影響的8 m高度范圍內(nèi)，破裂區(qū)為2.6～3.2 m，塑性區(qū)厚度約為4 m。由此可看出，上部45 m范圍盤區(qū)柱本身基本已經(jīng)破裂，只要布置合適的密集鑿巖工程對(duì)下部40 m范圍進(jìn)行誘導(dǎo)，巖體自身會(huì)實(shí)現(xiàn)原位碎裂，再加之下部出礦結(jié)構(gòu)的合理布置和出礦控制，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)201#線盤區(qū)柱誘導(dǎo)崩落采礦。模擬結(jié)果見圖4。

3 工程實(shí)踐

3.1 主要采準(zhǔn)工程布置

采準(zhǔn)工程共布置了443水平及434水平兩個(gè)分層，443水平分層作為鑿巖回采分層和臨時(shí)底部結(jié)構(gòu)，降低鑿巖深度，并為誘導(dǎo)頂部破裂礦體垮落提供空區(qū)；428～434水平作為集中出礦的最終底部結(jié)構(gòu)。443水平采準(zhǔn)工程具體布置見圖5；428～434水平采準(zhǔn)工程具體布置見圖6。

443水平分層：在443水平北端T111-112柱及南端T114采場(chǎng)內(nèi)分別布置一條東西向的出礦聯(lián)道通達(dá)201#線盤區(qū)柱，形成南北進(jìn)路，并在盤區(qū)柱內(nèi)布置鑿巖道、出礦川、切割井等采切工程。

428～434水平分層：以434水平下428水平斜道作為受礦塹溝，由兩側(cè)出礦聯(lián)道施工出礦川貫通斜道形成出礦底部結(jié)構(gòu)。

443水平采準(zhǔn)工程先施工，爆破回采完畢后再施工428～434水平的采準(zhǔn)工程，降低盤區(qū)柱的切割密度，提高礦柱的整體承壓能力及穩(wěn)定性，以有效地控制區(qū)域性的地壓集中對(duì)采準(zhǔn)巷道造成破壞。

盤區(qū)柱兩側(cè)各預(yù)留2 m礦壁不回采，對(duì)兩側(cè)散體進(jìn)行支撐，使回采區(qū)域形成采空區(qū)，隨著采空區(qū)暴露面積增大，并利用多排炮孔集中爆破的震動(dòng)作用誘導(dǎo)頂部破碎礦體垮落，并防止兩側(cè)廢石提前混入，以提高礦石回收率和降低貧化率。

圖4-1 盤區(qū)柱兩側(cè)開采過程中的工程偏應(yīng)力△σ(σ1-σ3)、盤區(qū)柱內(nèi)部塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量分布圖

圖4-2 盤區(qū)柱兩側(cè)開采過程中的工程偏應(yīng)力△σ(σ1-σ3)、盤區(qū)柱內(nèi)部塑性區(qū)和主應(yīng)力矢量分布圖

圖5 443水平平面圖

主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：采準(zhǔn)工程量：1 300.95 m/14 293.06 m3，采準(zhǔn)礦量：20.69 萬t，采礦損失率：9.27%，采礦貧化率：14.38%，采礦品位：Sn：0.36%、Zn：2.28%；頂部殘礦量56.00 萬t，殘礦平均品位Sn：0.45%、Zn：3.54%；萬噸采切比：690.61 m3/萬t。

3.2 開采環(huán)境重構(gòu)

由于201#線盤區(qū)柱428水平以上均處于崩落回采引起的復(fù)雜水平應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，出礦川間柱、出礦聯(lián)道兩側(cè)礦柱出現(xiàn)礦柱底部應(yīng)力集中以及礦柱自身卸荷松弛破壞。為了重構(gòu)安全開采技術(shù)環(huán)境，對(duì)采準(zhǔn)巷道、出礦川進(jìn)行加固處理，除了采用常規(guī)的構(gòu)筑鋼筋混凝土墻、錨桿等支護(hù)方式外，對(duì)巷道重疊區(qū)域的廢舊巷道采用全尾砂膠結(jié)充填接頂，對(duì)部分出礦聯(lián)道及出礦川采用雙控錨桿(索)加固支護(hù)等方式對(duì)底部出礦巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，提高采切工程的穩(wěn)定性。

圖6 428～434水平復(fù)合平面圖

4 結(jié)論

采用巖石完整性測(cè)試、盤區(qū)柱破裂演化規(guī)律數(shù)值模擬技術(shù)手段對(duì)201#線盤區(qū)柱底部出礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及頂部破裂礦體誘導(dǎo)崩落可行性進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，對(duì)201#線盤區(qū)柱回采提出了“部分空?qǐng)觥T導(dǎo)崩落法”聯(lián)合回采的采礦方法，共設(shè)計(jì)兩層出礦底部結(jié)構(gòu)，并根據(jù)底部水平應(yīng)力分布狀態(tài)，對(duì)不同類型的礦柱采用不同的預(yù)支護(hù)方式，提高底部出礦巷道的穩(wěn)定性。應(yīng)用該方法成功的對(duì)銅坑礦92#礦體201#線盤區(qū)柱孤島破裂礦柱進(jìn)行回采：試驗(yàn)采場(chǎng)控制礦量76.69 萬t，截至2019年5月，已完成出礦量68.51 萬t，出礦貧化率17.5%，出礦損失率26.3%。后期對(duì)出礦川進(jìn)行排廢，可進(jìn)一步回收礦石，降低礦石損失率。