復(fù)雜構(gòu)造條件下自然崩落底柱巷道變形控制

李爭(zhēng)榮，侯克鵬，馮興隆，劉華武

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 迪慶 674400；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

自然崩落采礦底柱穩(wěn)定性[1]因布置密集的放礦漏斗、通風(fēng)、卸礦硐室等工程而受到削弱。隨著拉底爆破、放礦等采礦誘導(dǎo)動(dòng)壓作用，底柱巷道穩(wěn)定性變差，特別是多斷層復(fù)雜構(gòu)造附近巷道變形破壞嚴(yán)重，返修安全隱患大、費(fèi)用高。一旦支護(hù)不當(dāng)，斷層復(fù)雜構(gòu)造地段巷道最先垮塌，在地壓作用影響下甚至導(dǎo)致“多米諾骨牌”效應(yīng)式的災(zāi)害，再難采用其他采礦方式采礦，造成大量資源損失[2-6]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者往往重視自然崩落法工藝應(yīng)用的前期研究[7-9]，而對(duì)采礦過(guò)程中的穩(wěn)定性研究較少。本文以自然崩落法某銅礦山為例，結(jié)合斷層交匯帶已支護(hù)巷道受拉底爆破、放礦等采礦活動(dòng)交變荷載的作用，統(tǒng)計(jì)底柱巷道的開(kāi)裂點(diǎn)和頻次，分析底柱巷道開(kāi)裂變形的破壞機(jī)理，提出合理的地壓控制措施和加固支護(hù)方式，以解決底柱巷道頻繁垮塌，保證礦山安全穩(wěn)定生產(chǎn)，為類似的礦山開(kāi)采提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

某銅礦礦山探獲銅金屬量400多萬(wàn)t，主礦體長(zhǎng)2 300 m，垂深17～800 m，礦體呈大透鏡狀，空間上呈北西向展布“馬鞍”狀。礦體在平面上為不規(guī)則的“多節(jié)葫蘆”形，南部寬度300～600 m，北部寬度120～500 m。礦體呈北西走向，傾向北東，傾角65°，礦體中心礦化連續(xù)，中部礦體品位高，向四周逐漸變低。礦體含礦巖石主要為石英二長(zhǎng)班巖和石英閃長(zhǎng)玢巖。礦體含Cu平均品位0.43%，伴生有金、銀、鉬等金屬元素。礦山采用自然崩落法開(kāi)采。

1.2 斷層及節(jié)理

礦區(qū)斷層、節(jié)理裂隙等構(gòu)造發(fā)育，隨著部分巷道工程的揭露，探明開(kāi)采區(qū)域內(nèi)5條縱橫交錯(cuò)的斷層(圖1)，斷層巖體破碎(表1)、呈粉狀散體結(jié)構(gòu)，無(wú)自穩(wěn)能力。 經(jīng)坑道節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，礦區(qū)存在三組主要優(yōu)勢(shì)節(jié)理，傾向均值分別為163.85°、214.27°、341.66°，傾角分別為65°、70°、52°，礦區(qū)節(jié)理裂隙構(gòu)造密集發(fā)育。

圖1 開(kāi)采區(qū)域斷層分布圖Fig.1 Distribution of faults in the mining area

表1 開(kāi)采區(qū)域主要斷層性質(zhì)Table 1 Major fault properties of the mining area

1.3 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)礦山的RMR評(píng)價(jià)體系礦巖工程質(zhì)量評(píng)價(jià)，選取完整巖石強(qiáng)度、巖芯質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件和地下水條件等指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2，巖體質(zhì)量為Ⅲ類。礦區(qū)內(nèi)地層巖性較單一，巖體結(jié)構(gòu)類型以塊狀結(jié)構(gòu)為主，以堅(jiān)硬巖石為主，局部破碎帶較發(fā)育。 礦山工程地質(zhì)復(fù)雜程度為中等類型。

表2 巖體質(zhì)量評(píng)分表Table 2 Rock mass quality score sheet

1.4 底部結(jié)構(gòu)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦體開(kāi)采技術(shù)條件，結(jié)合最新破碎巷道和卸礦硐室的支護(hù)理論[1]，以及自然崩落法的應(yīng)用情況[5-9]，設(shè)計(jì)出礦巷道采用雙層噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索支護(hù)，即每層支護(hù)厚度100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。錨桿選用Ф22 mm長(zhǎng)3 m的三級(jí)螺紋鋼，孔內(nèi)砂漿全長(zhǎng)錨固，錨桿間距0.8 m×0.8 m，托板為200 mm×200 mm×10 mm的鋼板。 金屬網(wǎng)Ф6.5 mm鋼筋制作，網(wǎng)度150 mm×150 mm。錨索(由兩根Ф15.20 mm的1×7標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線組成)的間距1.5 m，排距1.5 m，拱頂錨索長(zhǎng)8 m，墻壁錨索長(zhǎng)6 m，灰砂比為2∶1的砂漿全長(zhǎng)黏結(jié)。

2 復(fù)雜多斷層段底柱巷道隨崩落出礦過(guò)程的變形狀況

礦山以2 500 m2/月的拉底速度推進(jìn)，已完成拉底面積超過(guò)6萬(wàn)m2，共200多個(gè)出礦點(diǎn)。隨著拉底爆破、出礦沖擊等采礦作業(yè)的進(jìn)行，地壓顯現(xiàn)日益突出，拉底推進(jìn)線附近的出礦巷道出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、兩幫收斂等劇烈變形，特別是多斷層交匯段出礦巷道變形開(kāi)裂嚴(yán)重，見(jiàn)圖2(a)。 微震監(jiān)測(cè)事件數(shù)值變化明顯(圖2(b))，巷道頂板下沉速度高達(dá)50 mm/d，監(jiān)測(cè)的應(yīng)力值超過(guò)10 MPa。出礦巷道嚴(yán)重變形導(dǎo)致出礦設(shè)備運(yùn)行困難，巷道支護(hù)維護(hù)頻繁，生產(chǎn)管理難度大，礦山安全隱患大。

3 底部結(jié)構(gòu)巷道破壞變形機(jī)理

結(jié)合自然崩落法的采礦特點(diǎn)，分析采礦作業(yè)過(guò)程中的底柱巷道受力規(guī)律，其變形破壞原因主要有以下幾種情況。

3.1 拉底峰前應(yīng)力激化斷層錯(cuò)動(dòng)，巖柱或巖墻加劇巷道破壞

隨著生產(chǎn)出礦工作的推進(jìn)，拉底面積擴(kuò)大，礦體崩落向上發(fā)展，拉底推進(jìn)線(拱腳)處出現(xiàn)應(yīng)力集中。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)微震、巷道收斂計(jì)和應(yīng)力計(jì)等綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，拉底推進(jìn)線前后25 m間的底部結(jié)構(gòu)變形明顯，微震事件數(shù)多、應(yīng)力值大、巷道收斂，拉底推進(jìn)線前20 m區(qū)域?qū)儆谖ｋU(xiǎn)區(qū)域，其應(yīng)力值最大。崩通地表后，拱腳處應(yīng)力雖得到一些釋放，但仍屬于應(yīng)力集中區(qū)。拉底推進(jìn)線前方的應(yīng)力范圍和大小，主要取決于拉底方式、速度以及上覆巖層的厚度等。當(dāng)斷層交匯位置的支護(hù)型式不合理或長(zhǎng)期未持續(xù)松動(dòng)出礦時(shí)，峰前應(yīng)力值極易超過(guò)巖體和支護(hù)體的極限承載力，沿?cái)鄬踊蜍浫趺姘l(fā)生流變破壞，逐漸出現(xiàn)密集斷裂紋，不及時(shí)支護(hù)將造成巷道垮塌。另外，開(kāi)采區(qū)的5條縱橫交錯(cuò)的斷層將礦體切割成大小不均的10多個(gè)礦塊，巖體整體破碎，拉底爆破控制不好易形成巖墻、巖柱等爆破質(zhì)量問(wèn)題。巖墻、巖柱等處理不及時(shí)，會(huì)積聚巨大應(yīng)力，隨著拉底面積擴(kuò)大導(dǎo)致其影響范圍內(nèi)的巷道長(zhǎng)期應(yīng)力集中，加劇巷道的破壞。

3.2 西側(cè)巖體放礦滑動(dòng)，多應(yīng)力作用加劇底柱巷道變形

地表塌陷區(qū)范圍由礦體賦存特點(diǎn)、礦巖可崩性、地質(zhì)構(gòu)造等因素決定，理想無(wú)斷層礦體崩落往往是沿邊部放礦口向拉底區(qū)域內(nèi)某一角度向上發(fā)展，地表塌陷外圈形狀與井下拉底區(qū)域形狀為相似圖形，形成“倒八”或“正八”形狀的塌陷區(qū)。

結(jié)合放礦理論和塌陷形狀相似性分析，地表理論塌陷區(qū)形狀(細(xì)實(shí)線圈)應(yīng)與拉底推進(jìn)線(虛線圈)形狀相似，但實(shí)際形狀出入較大(圖3)。 由圖3(a)中東側(cè)的粗細(xì)實(shí)線重合，推測(cè)塌陷區(qū)東側(cè)邊界與拉底基本一致，而西側(cè)實(shí)際塌陷邊界(粗實(shí)線)超出理論邊界(細(xì)實(shí)線)間距約100 m，結(jié)合西高東低的地形地貌特點(diǎn)分析，認(rèn)為地勢(shì)高的西側(cè)地表散體向地勢(shì)低凹的東側(cè)下滑，見(jiàn)圖3(b)。 結(jié)合格里菲斯節(jié)理面破壞理論分析，位于坡頂段西側(cè)破碎礦體(楔形體)在斷層和節(jié)理作用下被切割，隨著拉底、出礦等采礦影響下逐步貫通形成優(yōu)勢(shì)滑動(dòng)面，受重力作用逐漸向下移動(dòng)，初步分析西側(cè)下滑楔形體體積約250萬(wàn)m3。底部結(jié)構(gòu)巷道受西側(cè)楔形體下滑作用力，經(jīng)過(guò)模擬，其下滑作用力高達(dá)11.3 MPa，受到剪切破壞。

圖3 理論崩落與實(shí)際崩落范圍對(duì)照?qǐng)DFig.3 Theoretical collapse and actual collapse range

3.3 斷層構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的存在，削弱巷道支護(hù)體強(qiáng)度

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)斷層情況，采用FLAC3D軟件模擬底柱已進(jìn)行噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)巷道在穿過(guò)厚1.5 m，傾角65°的斷層段的受力情況分析，模擬時(shí)礦山巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3，巷道支護(hù)體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4，斷層構(gòu)造段巷道模擬的應(yīng)力特征和位移特征模擬情況見(jiàn)圖4。模擬分析認(rèn)為，過(guò)斷層處的底柱巷道在采用了噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)后的豎向位移和最大主應(yīng)力減小，穩(wěn)定性有一定改善，但在斷層方向仍存在一定的塑性區(qū)，存在不穩(wěn)定性。

圖4 過(guò)斷層段的雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)巷道模擬圖Fig.4 Simulation diagram of double-layer spray anchor net support roadway through fault section

表3 巖體力學(xué)參數(shù)Table 3 Rock mass mechanical parameters

3.4 崩落中放礦橢球體變化，反復(fù)加、卸底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力

崩落面與散體面能始終保持有7～8 m的間隙是最適宜的放礦控制管理高度。放礦速度過(guò)快，易突發(fā)沖擊波；放礦速度過(guò)慢，崩落礦石易被壓實(shí)，出現(xiàn)板結(jié)。周杭[5]認(rèn)為，漏斗放礦時(shí)因散體內(nèi)主應(yīng)力的改變會(huì)出現(xiàn)高動(dòng)態(tài)應(yīng)力現(xiàn)象。另外，礦石粒徑影響放礦橢球體的直徑，松散和顆粒較小的礦石容易形成瘦長(zhǎng)型的橢球體，反之形成胖橢球體。同樣的放礦速度，斷層附近的礦石顆粒相對(duì)其他區(qū)域較小，形成瘦長(zhǎng)型橢球體，而在底部結(jié)構(gòu)間距不變的情況下，容易使橢球體影響區(qū)域不能覆蓋到相鄰穿脈區(qū)域或不能與相鄰放礦橢球體相交，則在出礦穿脈上形成放礦殘余脊柱(圖5)，長(zhǎng)期的脊柱壓力的存在，造成應(yīng)力集中，不利于底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖5 放礦點(diǎn)間距和放礦帶關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the spacing of the ore deposits and the ore zone

4 地壓控制及支護(hù)措施

4.1 底部結(jié)構(gòu)地壓控制措施

1) 加快斷層附近的拉底速度，減小前鋒應(yīng)力滯留時(shí)間。隨著崩落面積擴(kuò)大，作用于底部結(jié)構(gòu)的拱腳應(yīng)力增大，一旦有斷層穿過(guò)，巷道的整體強(qiáng)度變?nèi)?，時(shí)間一長(zhǎng)巷道將沿著斷層的薄弱處開(kāi)裂變形破壞。依據(jù)巖體蠕變理論，過(guò)斷層地段或破碎地段應(yīng)加快拉底速度，縮短峰前應(yīng)力的滯留時(shí)間。

2) 堅(jiān)持超前拉底，減少底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用。超前拉底的方式，出礦水平的聚礦槽施工始終處于已拉底爆破應(yīng)力卸壓區(qū)，一定程度降低了拉底峰前應(yīng)力對(duì)出礦巷道的作用。梁江波等[7]、劉華武等[8]認(rèn)為超前拉底方式有助于底部結(jié)構(gòu)中巷道的應(yīng)力釋放，有利于聚礦槽和出礦巷道的穩(wěn)定。堅(jiān)持拉底超前聚礦槽施工20～30 m，避開(kāi)拱腳的最大應(yīng)力作用和拉底爆破震動(dòng)的反復(fù)沖擊，減小底部結(jié)構(gòu)變形破壞幾率。

3) 巷道支護(hù)體壁后斷層段注漿，墻壁增加鋼管混凝土立柱。結(jié)合前面支護(hù)模擬分析，斷層段雙層錨網(wǎng)和長(zhǎng)錨索巷道支護(hù)體仍然存在一定應(yīng)力集中和塑性變形區(qū)。為改善斷層破碎狀態(tài)和提高斷層段巷道的強(qiáng)度和完整性，采用巷道支護(hù)體壁后注漿，實(shí)現(xiàn)斷層段巷道的穩(wěn)定，同時(shí)在斷層下沉地段巷道墻壁增加鋼管砼立柱，主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合，以抑制頂板下沉和巷道變形。

4) 適當(dāng)增加滑體下盤(pán)的出礦量，降低下滑體對(duì)底柱的沖擊。斷層交匯段的西側(cè)拉底線附近區(qū)域壓力較大，混凝土多處開(kāi)裂嚴(yán)重，由圖4(a)分析認(rèn)為西側(cè)礦體區(qū)域受斷層影響，形成礦塊下滑沖擊剪切，導(dǎo)致底部結(jié)構(gòu)受多重應(yīng)力疊加作用破壞。為此，加快西南部區(qū)域(及下滑體下盤(pán))拉底推進(jìn)速度，盡快出礦作業(yè)，破壞西側(cè)塊體下滑接觸面，減少斷層交匯段滑體沖擊作用力。

5) 加強(qiáng)拉底爆破質(zhì)量管控，杜絕巖墻、巖柱等不良礦柱的存在。自然崩落法拉底爆破的質(zhì)量是控制地壓的關(guān)鍵，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，容易形成巖墻、巖柱、樓板等爆破不良事件，處理不及時(shí)將成為應(yīng)力集中點(diǎn)。結(jié)合斷層炮孔容易破壞變形特點(diǎn)，合理優(yōu)化拉底和聚礦槽中深孔的爆破設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)跟蹤檢查，保證每次爆破效果，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)爆破的不良礦柱，采取措施及時(shí)消除。

6) 合理控制放礦，減少底柱的地壓作用。合理有效放礦不僅能控制礦石損失貧化指標(biāo)，還能避免底部結(jié)構(gòu)斷層地段產(chǎn)生高應(yīng)力集中點(diǎn)。已設(shè)計(jì)的放礦點(diǎn)間距和底部結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合礦石流動(dòng)性、黏結(jié)性等特點(diǎn)，合理控制放礦橢球體的“胖瘦”，即做到相鄰出礦點(diǎn)的放礦橢球恰好疊加，避免形成脊部礦石柱的高壓應(yīng)力。

7) 完善微震等綜合地壓監(jiān)測(cè)，建立底柱變形監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。近2年的微震、應(yīng)力等綜合地壓監(jiān)測(cè)分析，能有效監(jiān)測(cè)底部結(jié)構(gòu)巷道變形情況，提升巷道加固時(shí)機(jī)的可靠性，較好指導(dǎo)井下采礦作業(yè)。由于微震信號(hào)受斷層影響衰減較快，隨拉底面積的增加，需進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測(cè)，建立底柱變形自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。優(yōu)化微震、應(yīng)力與應(yīng)變等綜合監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)自動(dòng)采集底部結(jié)構(gòu)巖體隨生產(chǎn)的破裂、應(yīng)力變化等信息，動(dòng)態(tài)開(kāi)展穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)分析，及時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，及時(shí)提供適宜的加固時(shí)機(jī)。

4.2 斷層段巷道補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)

由模擬分析可知，斷層段巷道的雙層噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)體還存在一定的塑性區(qū)，為提高支護(hù)體內(nèi)部的破碎礦巖的整體性，巷道支護(hù)體壁后斷層用超細(xì)水泥注漿，斷層部位或牛鼻子等暴露面積較大位置增加鋼管混凝土立柱(圖6)?；炷亮⒅捎莽?00～500 mm的鋼管(徑厚比≤20，高徑比≤20)制作安裝，間距1.5 m，鋼管底托板采用600 mm×600 mm×20 mm鋼板。

圖6 斷層附近巷道支護(hù)后穩(wěn)定情況Fig.6 Stability after roadway support near fault

5 采取措施及加固支護(hù)后巷道使用效果

通過(guò)上述的控制管理措施及加固方式，斷層帶巷道變形緩慢，實(shí)施后幾個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，巷道收斂變形速度由采取措施前的20 mm/d降至0 mm/d，微震事件數(shù)由500個(gè)降至50個(gè)以下(圖7)。其他監(jiān)測(cè)數(shù)值亦有類似明顯減少的變化趨勢(shì)，表明底部結(jié)構(gòu)巷道逐步趨于穩(wěn)定。

圖7 采取措施后微震監(jiān)測(cè)情況Fig.7 Microseismic monitoring after taking measures

6 結(jié) 論

1) 布置有密集工程的16 m高的底柱整體性較弱，加之多條縱橫交錯(cuò)斷層的存在，其底柱中巷道的穩(wěn)定性差。再受拉底峰前集中應(yīng)力、放礦應(yīng)力和爆破震動(dòng)等采動(dòng)活動(dòng)形成的動(dòng)載荷作用，底柱巷道極易出現(xiàn)兩幫擠壓錯(cuò)動(dòng)、頂沉底鼓等變形破壞現(xiàn)象。

2) 通過(guò)對(duì)底柱巷道變形破壞機(jī)理的分析，提出斷層交匯段加快拉底、合理控制放礦速度、優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)以避免形成不良巖柱等的控制管理措施，實(shí)施后對(duì)減少巷道變形破壞有著明顯效果。

3) 穿過(guò)斷層段巷道采用噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索支護(hù)+超細(xì)水泥壁后注漿，同時(shí)斷層下盤(pán)巷道墻壁適當(dāng)增補(bǔ)鋼管混凝土立柱，實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合，能有效抑制底柱出礦巷道變形，保障了礦山安全持續(xù)采礦工作。