VCR采場鑿巖硐室施工方案的數值模擬

謝 勝，劉 博

(1.凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關市 512325；2.中南大學資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

0 引 言

1982年VCR采礦法在凡口鉛鋅礦試驗成功，經過30多年的發展，形成了VCR法掏槽、VCR法全斷面爆破和VCR法全孔側向爆破三種方式[1]，在凡口鉛鋅礦取得了很大成功。該方法在凡口鉛鋅礦的應用對于礦山維持18萬t的年產金屬量至關重要，因此必須安全高效地構建VCR采場。構建采場中，首先施工上部鑿巖硐室和底部裝運硐室，然后從鑿巖硐室鉆鑿Φ110 mm的下向垂直平行深孔[2]。爆破時采用高密度、高威力、高爆速、低感度球狀藥包，自下而上逐層爆破，直至爆穿上部鑿巖硐室[3]。

在鑿巖硐室的施工中，凡口鉛鋅礦目前采用的工藝為：施工拉底巷→切采兩幫→壓頂→支護。在施工完拉底巷后，工人暴露在拉底巷頂板下進行切采工作；切采完兩幫后，處理頂板松石，再進行壓頂工作，工人再次暴露在頂板下工作；同時頂板已經平衡的應力關系又遭到破壞，極易引起冒落，危及工人的安全。因此提出新的施工方案，對這一問題進行研究、改進，十分必要。

1 施工方案介紹

1.1 現有施工方案

凡口鉛鋅礦VCR采場鑿巖硐室的施工工藝包括施工拉底巷、切采邊幫、壓頂和頂板支護。現有方案的施工順序為：施工拉底巷→切采邊幫→壓頂→支護頂板，如圖1所示。

該方案的優點是適應性好，便于工人操作；該方案的缺點是：拉底巷頂板遭受二次爆破，冒落可能性較大；在切采邊幫和頂板支護的過程中，工人直接暴露在頂板下作業；施工過程中需要多次出渣，降低了工效；空區過高(約3.6 m，大于2.8 m人工可控作業高度)，不便于錨網支護作業。

圖1 現有方案施工順序

1.2 改進施工方案

為了克服現有方案的缺點，擬改進的施工順序為：施工拉底巷→切采邊幫→頂板支護→降坡施工至底板標高。該方案考慮在鑿巖硐室設計底板標高0.8～1.0 m以上施工拉底巷，在切采完邊幫后，立刻處理松石，對頂板進行錨網支護；之后向下鉆孔實施松動爆破，降坡施工至硐室底板設計標高，掘進和爆破工效均較高。而且工人在錨網的保護下施工，安全性大大提高，同時也減少了對頂板的破壞程度，如圖2所示。

圖2 改進方案施工順序

2 方案模型的建立

根據上述方案的施工順序情況，采用FLAC3D數值模擬軟件[4]，對現有和改進的施工方案進行模擬。鑿巖硐室參數為寬×高=8.0 m×3.6 m，拉底巷參數為寬×高=3.0 m×2.6 m。在鑿巖硐室兩側建立X、Y軸方向約束，在豎直方向上建立Z軸坐標，利用摩爾—庫侖[5]準則，建立平衡關系。為了使模擬結果具有可信性，Z軸方向上施加應力按凡口鉛鋅礦最深的-650 m生產中段處應力計算，以保證其他中段的施工可靠性。根據凡口鉛鋅礦圍巖物理力學參數，泊松比μ為0.29，由此計算X、Y軸的方向應力。通過設置模型的開挖順序和計算步驟，監測鑿巖硐室開挖后，模型頂板的穩定性和邊幫的應力及位移變化。

3 數值模擬結果及分析

3.1 頂板位移云圖對比

在鑿巖硐室頂板中心設置監測點，監測應力和位移變化，兩種方案模擬結果中頂板位移云圖如圖3所示，方框內為頂板位移區。

圖3 頂板位移云圖

由圖3所示，兩種方案中，頂板位移最大量分別為1.06和1.04，可見兩種方案對頂板的破壞程度相差不大，但是現有方案的最大位移區占頂板面積的50%，改進方案的最大位移區占頂板面積的25%(方框內深色為最大位移區)。可見改進方案降低了頂板大面積冒落的可能性。

3.2 頂板監測點位移變化曲線

兩種方案頂板中心監測點位移曲線如圖4所示,圖中由下至上箭頭所指相應為施工順序1至3時的頂板位移。

圖4 頂板點位移曲線

由圖4所示，現有方案中施工拉底巷時，頂板中心點位移為0.5，切采邊幫時，頂板中心點位移為0.8，薄壓頂板時，頂板中心點位移為1.06；改進方案中施工拉底巷時，頂板中心點位移為0.5，切采邊幫時，頂板中心點位移為0.9，降坡施工時，頂板中心點位移為1.04。可見現有方案中，頂板中心點的位移變化經受了2次大變動，發生二次冒落的可能性較大；改進方案中，在切采邊幫時，頂板發生冒落的可能性較大，但由于可以很快處理松石，并進行錨網支護，降低了空區暴露時間，在降坡施工時，頂板位移變化不大，提高了工人施工的安全性。

3.3 邊幫應力云圖對比

兩種方案中邊幫應力云圖如圖5所示，方框內為邊幫應力區。

由圖5所示，現有方案中，邊幫最大應力區占邊幫的40%，改進方案中，邊幫最大應力區占邊幫的20%(方框內深色為最大應力區)，因此現有方案發生片幫的可能較大，對于可能發生片幫的區域必須采取必要措施，以保護施工人員和機械設備的安全。

4 結 論

(1) 改進方案降低了頂板發生大面積冒落的可能性，在切采后，立即處理松石，錨網支護，降低了工人暴露在頂板下發生危險的可能。

圖5 邊幫應力云圖

(2) 改進方案降低了鑿巖硐室邊幫發生片幫的可能性，同時邊幫的中心區較易發生片幫，必須采取二次切采等措施，保證安全。

(3) 通過優化施工順序，對現有施工工藝加以改進，保證鑿巖硐室的安全高效施工，安全構建VCR采場，保證該采礦方法在凡口鉛鋅礦的高效應用。

參考文獻：

[1]孫鵬偉. 光面爆破在凡口鉛鋅礦間柱深孔爆破中的應用[J]. 采礦技術, 2012, 12(4): 84-86.

[2]解世俊. 金屬礦床地下開采[M]. 北京:冶金工業出版社, 2008.

[3]史秀志, 邱賢陽, 張木毅, 等. 凡口鉛鋅礦無底柱深孔后退式崩礦嗣后充填采礦法[J]. 采礦技術, 2011, 11(4): 11-12.

[4]陳育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M]. 北京:中國水利水電出版社,2008.

[5]黃剛海. 間柱采場深孔爆破落礦采礦工藝關鍵技術數值模擬研究[D]. 長沙：中南大學, 2010.