金川龍首礦中深孔破壞規(guī)律及護(hù)孔措施*

龍衛(wèi)國，陳星明，范永亮，譚寶會(huì)，郭輝文，朱 強(qiáng)

(1.金川集團(tuán)有限公司，甘肅 金昌 737100；2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

金川龍首礦西二采區(qū)屬金川集團(tuán)貧礦開發(fā)項(xiàng)目，礦體埋藏較淺，地表100 m以下見礦，共包含57個(gè)礦體，其中1#礦體規(guī)模最大，走向長463 m，延深逾600 m，礦體最大厚度150 m，最小厚度28 m，走向N27°W，礦體傾角50°～80°。礦區(qū)圍巖主要由混合巖、大理巖、片麻巖等組成。礦區(qū)采用下向分層六角形進(jìn)路機(jī)械化膠結(jié)充填法回采，布置有1 554、1 430 m兩個(gè)回采中段，實(shí)行雙中段同時(shí)回采。目前1 554 m中段已回采至1 610 m分段，1 430 m中段已回采至1 494 m分段21分層。近年來，由于金屬鎳價(jià)格下滑，西二采區(qū)利用膠結(jié)充填法開采低品位礦石時(shí)的高成本、低效益等問題日益凸顯。鑒于此，礦山?jīng)Q定嘗試采用生產(chǎn)成本相對(duì)較低的無底柱分段崩落法進(jìn)行采礦，并選定在1 595 m水平8行以東開展崩落法試驗(yàn)。

對(duì)于無底柱分段崩落法而言，扇形中深孔在裝藥前的完整度將直接影響其采礦效果。龍首礦礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在此條件下開展中深孔破壞規(guī)律研究對(duì)于西二采區(qū)無底柱分段崩落法的順利實(shí)施具有重要的指導(dǎo)作用。根據(jù)該采區(qū)1 595 m水平(試驗(yàn)采場水平)的應(yīng)力條件及礦巖特性建立模型，采用不連續(xù)變形分析方法(DDA)對(duì)扇形中深孔的破壞規(guī)律及范圍進(jìn)行了分析，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲取了中深孔保持情況，最終提出了針對(duì)性的防治措施，可為下一步的礦山設(shè)計(jì)及采礦作業(yè)提供參考。

1 中深孔破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究

1.1 模型的建立

DDA是一種適用于不連續(xù)塊體系統(tǒng)計(jì)算的新方法，能夠反映礦巖體破壞的連續(xù)與非連續(xù)結(jié)合以及大變形、大位移等特點(diǎn)。本次數(shù)值模擬研究以西二采區(qū)1 595 m崩落法試驗(yàn)采場地質(zhì)及施工條件為基礎(chǔ)進(jìn)行建模(見圖1)。模型尺寸(不含模型邊框)為27 m×30 m(高×寬)，巷道尺寸為4.3 m×4.6 m(高×寬)。模型中包含了2種材料，頂部為6 m厚的膠結(jié)體，其余部分為礦體。礦體包含了3組主節(jié)理，其傾向及傾角的設(shè)定參照實(shí)際地質(zhì)調(diào)查資料。3組節(jié)理互相切割，將礦體劃分為離散塊體，最終在模型中劃分出3 789個(gè)塊體。鑒于模型尺寸遠(yuǎn)大于炮孔直徑，扇形中深孔并不能實(shí)際表現(xiàn)在模型上，可在炮孔位置設(shè)定一系列沿炮孔方向分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)該位置的變形及位移情況，進(jìn)而表征炮孔的變形破壞規(guī)律。測(cè)點(diǎn)布置位置及形式按照?qǐng)D1(a)中給出的中深孔布置形式確定，每一個(gè)炮孔前后相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)的間距為1.5 m。

表1給出了模型中1#-6#炮孔上布置的測(cè)點(diǎn)信息(由于扇形炮孔以6#中心孔對(duì)稱分布，因此表1中僅給出1#-6#孔上的測(cè)點(diǎn)信息)。

表1 沿炮孔布置的測(cè)點(diǎn)信息

1.2 應(yīng)力條件及物理力學(xué)參數(shù)

1)應(yīng)力條件

西二采區(qū)地應(yīng)力值可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式[1]計(jì)算：

σV=γgh，

σH=3+0.042 5h，

式中：σV為垂直應(yīng)力，MPa；σH為水平應(yīng)力，MPa；γ為礦巖密度，kg/m3；g為重力加速度；h為埋深，m。

取1 595 m水平的上覆礦巖密度為2 700 kg/m3，埋深為130 m，重力加速度為9.8 m/s2，則可求得σV=3.30 MPa，σH=8.53 MPa。因而，在求解初始應(yīng)力平衡時(shí)對(duì)模型中每個(gè)塊體施加的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別為3.30、 8.53 MPa。

2)力學(xué)參數(shù)及數(shù)值控制參數(shù)

表2給出了模型中主要礦巖物理力學(xué)參數(shù)以及數(shù)值控制參數(shù)。礦巖物理力學(xué)參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得；數(shù)值控制參數(shù)是經(jīng)過多次試算得到的優(yōu)化值，在此優(yōu)化值下模型的每一步計(jì)算都可以在最小次數(shù)迭代之后達(dá)到平衡。

表2 礦體及膠結(jié)充填體物理力學(xué)參數(shù)及數(shù)值控制參數(shù)

3)初始應(yīng)力平衡求解及開挖設(shè)定

模型在回采進(jìn)路開挖前應(yīng)先達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，以模擬地應(yīng)力條件。為判斷模型是否達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，此處以模型中的1號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，繪制其應(yīng)力演化曲線(見圖2)。

圖2 模型中1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力演化曲線

由圖2可知：模型在物理時(shí)間t=1 s時(shí)(此時(shí)模型計(jì)算20 000時(shí)步)，1號(hào)測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)應(yīng)力均趨于穩(wěn)定，表明此時(shí)模型達(dá)到了初始應(yīng)力平衡狀態(tài)；其中，垂直應(yīng)力最終穩(wěn)定在3.4 MPa左右，水平應(yīng)力最終穩(wěn)定在8.4 MPa左右，基本符合根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算出的原巖應(yīng)力值。因此，本次數(shù)值模擬設(shè)定在物理時(shí)間t=1 s時(shí)對(duì)模型中的巷道進(jìn)行開挖。

1.3 模擬結(jié)果分析

圖3展示了模型中回采進(jìn)路周邊礦體破壞范圍與中深孔的布置位置。模型中進(jìn)路開挖后將引起周邊礦體破壞及應(yīng)力重新分布，當(dāng)后續(xù)施工的中深孔穿過進(jìn)路周邊的破碎區(qū)域及應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，極易發(fā)生破壞。

圖3 中深孔穿過進(jìn)路周邊破碎礦體的范圍

由圖3可知，在所設(shè)定的礦巖特性及應(yīng)力條件下，當(dāng)回采進(jìn)路開挖后，進(jìn)路周邊礦體發(fā)生了破壞，且豎向破壞范圍大于橫向，這就導(dǎo)致扇形排面中每個(gè)炮孔的孔口部位均處于破碎帶之內(nèi)，且處于破碎帶之內(nèi)的炮孔長度基本達(dá)到了每個(gè)炮孔長度的1/3～1/2。為了更清晰地展示扇形排面中各炮孔的破壞范圍及破壞形式，分析了各炮孔上每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移變化規(guī)律。限于篇幅，此處以4#炮孔為例，展示了處于該炮孔上的23-33號(hào)測(cè)點(diǎn)的垂直位移演化曲線(見圖4)。由圖4可知：23-26號(hào)測(cè)點(diǎn)處的垂直位移量在模型計(jì)算結(jié)束時(shí)仍然處于持續(xù)增長的趨勢(shì)，表明這一范圍內(nèi)的礦體破壞相對(duì)嚴(yán)重，其范圍大約為從孔口向孔底方向延伸5 m左右；當(dāng)炮孔穿過此范圍時(shí)，極有可能發(fā)生錯(cuò)孔、堵孔等現(xiàn)象；而27-33號(hào)測(cè)點(diǎn)的垂直位移量則始終未出現(xiàn)明顯變化，表明這一段礦體基本穩(wěn)定，當(dāng)炮孔穿過這一區(qū)段時(shí)能較好地保持其完整度。

圖4 4#炮孔上23-33號(hào)測(cè)點(diǎn)的垂直位移演化曲線

此外，當(dāng)中深孔穿過進(jìn)路周邊的應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)也很容易發(fā)生破壞，圖5以4#炮孔為例，給出了炮孔上各測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力曲線。由圖5可知，4#炮孔上23- 26號(hào)測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力得到了釋放，其余部位的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的變化趨勢(shì)則有所不同。圖6更為直觀地展示了進(jìn)路周邊的應(yīng)力分布模式及其與扇形炮孔的相對(duì)位置。

(a) 水平應(yīng)力演化曲線 (b) 垂直應(yīng)力演化曲線

(a)水平應(yīng)力分布 (b)垂直應(yīng)力分布

進(jìn)路開挖后其周邊應(yīng)力重新分布，可將該區(qū)域劃分為應(yīng)力釋放區(qū)(Ⅰ區(qū))、應(yīng)力集中區(qū)(Ⅱ區(qū))、應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)(Ⅲ區(qū))、卸壓區(qū)(Ⅳ區(qū))等4個(gè)區(qū)段。由圖6可知，扇形中深孔施工時(shí)炮孔將穿過這4個(gè)不同的應(yīng)力區(qū)域，其中應(yīng)力釋放區(qū)內(nèi)的礦體已經(jīng)發(fā)生破壞，應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的礦體有進(jìn)一步破壞的趨勢(shì)，因此當(dāng)炮孔穿過這2個(gè)區(qū)段時(shí)，極易發(fā)生破壞。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

數(shù)值模擬研究得到了西二采區(qū)礦巖特性和地應(yīng)力條件下的中深孔破壞規(guī)律，但由于數(shù)值模擬與實(shí)際情況之間仍然存在一定差異，如：真實(shí)礦體節(jié)理參數(shù)與模型礦體節(jié)理參數(shù)的差異、回采進(jìn)路支護(hù)情況的差異等，因而數(shù)值模擬結(jié)果僅可作為參考而并不能完全代表實(shí)際。為了進(jìn)一步探究中深孔在西二采區(qū)礦巖特性下的破壞程度和規(guī)律，在數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。本次中深孔保持率測(cè)定試驗(yàn)選擇在1 610 m分段5行聯(lián)絡(luò)道巖巷中進(jìn)行，中深孔施工方案見圖7。

圖7 中深孔現(xiàn)場試驗(yàn)炮孔布置圖

(a)圍巖中的中深孔 (b)礦體中的淺孔

采用YG-90鉆機(jī)進(jìn)行中深孔施工，鉆孔直徑為90 mm，共鉆鑿84個(gè)中深孔[見圖8(a)]，中深孔施工完畢后定期對(duì)各炮孔的完好情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在中深孔成孔2個(gè)月后，礦山地質(zhì)測(cè)量隊(duì)對(duì)中深孔進(jìn)行了全面測(cè)量。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在所施工的84個(gè)中深孔中，僅有7個(gè)炮孔發(fā)生了堵塞，中深孔的保持率達(dá)到了91.7%，表明在西二采區(qū)地質(zhì)條件下中深孔具有較高的保持率。而破壞的7個(gè)炮孔位置相對(duì)較集中，不排除局部圍巖破碎導(dǎo)致炮孔破壞的可能性。此外，試驗(yàn)炮孔布置于圍巖中，而西二采區(qū)圍巖相對(duì)于礦石更加破碎，因此可以預(yù)見當(dāng)中深孔布置于礦石中時(shí)，其保持率應(yīng)高于圍巖，該推論在后期1 595 m水平5#進(jìn)路的巷道松動(dòng)圈范圍測(cè)定時(shí)得到了一定程度的印證。在進(jìn)路頂部及兩幫共打了6個(gè)深度為2.5～3.0 m、直徑為40 mm的鉆孔，其中僅有1個(gè)鉆孔因中部發(fā)生孔壁脫落而堵塞，其余鉆孔均完好[見圖8(b)]，表明礦體相對(duì)于破碎圍巖更有利于炮孔保持完整。

3 提升中深孔保持率及爆破效果的措施

在無底柱分段崩落法施工中，扇形中深孔由于種種原因發(fā)生破壞導(dǎo)致無法裝藥的情況難以避免，盡管如此，依然可以通過采取一些積極措施來提升中深孔的保持率和爆破效果。結(jié)合龍首礦西二采區(qū)地質(zhì)條件及其他無底柱分段崩落法礦山的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出了以下措施：

a.為回采進(jìn)路選擇合理的支護(hù)形式。合理的支護(hù)方式可以減輕進(jìn)路周邊圍巖的破壞程度，改善進(jìn)路周邊的應(yīng)力集中狀態(tài)，從而避免中深孔在孔口部位發(fā)生破壞[2]。

b.適當(dāng)增大中深孔孔徑，從而降低中深孔因堵孔及錯(cuò)孔而導(dǎo)致無法裝藥的概率[3-4]。

c.在孔口部位采用大直徑錨桿護(hù)孔。采取大直徑管縫式摩擦錨桿對(duì)孔口部位進(jìn)行保護(hù)可以降低炮孔的堵塞概率，同時(shí)也可進(jìn)一步提高巷道的穩(wěn)定性。

d.前一排中深孔爆破時(shí)，對(duì)后排中深孔進(jìn)行預(yù)裝藥，以解決前排炮孔爆破損壞后導(dǎo)致后排炮孔無法裝藥的問題[5]。

e.采取合理的回采順序，減少或避免二次來壓造成炮孔破壞，同時(shí)盡可能縮短中深孔的空置時(shí)間[6]。

f.在前后排中深孔設(shè)計(jì)與施工時(shí)采取前后交錯(cuò)方式，同時(shí)對(duì)同一排面內(nèi)的炮孔采取微差爆破，以減少前排炮孔爆破對(duì)后排炮孔的破壞[7]。

g.加強(qiáng)透孔、補(bǔ)孔。對(duì)于中深孔破壞相對(duì)嚴(yán)重的地段，及時(shí)采取透孔、補(bǔ)孔等措施，保證礦石能夠被成功崩落[8]。

h.如果某處中深孔破壞情況十分嚴(yán)重，也可不必采取措施，塌孔異常嚴(yán)重表明此處礦巖十分破碎，有時(shí)無需對(duì)每個(gè)炮孔裝藥到位也可成功將礦石崩落[9-10]。

以上措施在小官莊鐵礦、四川錦寧礦業(yè)大頂山礦區(qū)(原瀘沽鐵礦)、大浞河鐵礦、海南鐵礦等礦山成功應(yīng)用，均取得了較為明顯的效果，這些措施可為龍首礦西二采區(qū)中深孔的施工提供借鑒。

4 結(jié)論

a.數(shù)值模擬結(jié)果表明，在西二采區(qū)礦巖特性及地應(yīng)力條件下，中深孔最可能及最容易發(fā)生破壞的部位是孔口部位，且越靠近進(jìn)路頂板中央位置孔口的破壞范圍越大；此外，進(jìn)路周邊存在一定的應(yīng)力集中區(qū)域，也可能造成中深孔發(fā)生破壞。

b.通過對(duì)西二采區(qū)中深孔保持率的現(xiàn)場測(cè)定可知，中深孔在施工2個(gè)月后的保持率達(dá)到了91.7%，表明在西二采區(qū)地質(zhì)條件下中深孔具有較高的保持率，這為西二采區(qū)無底柱分段崩落法工業(yè)試驗(yàn)的順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

c.為進(jìn)一步提升西二采區(qū)中深孔保持率及爆破效果，提出了為回采進(jìn)路選擇合理的支護(hù)形式、適當(dāng)增大中深孔孔徑、在孔口部位采用大直徑錨桿護(hù)孔、采取合理的回采順序、加強(qiáng)透孔及補(bǔ)孔等措施，這些措施可為龍首礦西二采區(qū)中深孔的施工提供借鑒。