自然崩落法采場底部結構的改進及補強措施的研究

張杰

（北方銅業股份有限公司銅礦峪礦，山西垣曲 043700）

自然崩落法采場底部結構的改進及補強措施的研究

張杰

（北方銅業股份有限公司銅礦峪礦，山西垣曲 043700）

從銅礦峪礦810 m、690 m、530 m三個中段自然崩落法采場底部結構的設計、應用及改進等方面總結分析底部結構的穩定性，并從地應力、底部結構的強度、采礦活動等方面分析如何提高底部結構的穩定性，為深部礦體開采時如何提高底部結構的穩定性提出一些改進思路。

自然崩落法 底部結構 穩定性 地應力 采礦活動

北方銅業股份有限公司銅礦峪礦（全文簡稱銅礦峪礦）自810 m中段開始采用自然崩落法進行開采，目前已開采至530 m中段，歷經3個中段、近30年的開采歷史。根據生產經驗，底部結構的長期穩定是自然崩落法成功應用的核心技術之一。

1 銅礦峪礦自然崩落法采場底部結構的演變與改進

1.1810m中段自然崩落法采場底部結構的設計

810m中段首次采用自然崩落法，全部采用電耙出礦。開采設計前各項技術研究與方案論證工作較為充分，生產中加強過程管理，確保各項工程質量能夠滿足生產要求。根據實踐，810 m中段電耙出礦底部結構的穩定性較好，能夠滿足淺部礦體開采的地應力要求，使用狀況較好，未出現地壓顯現。底部結構主要設計參數：電耙道沿走向交錯布置，間距20 m；斗穿對稱布置，斗穿網度10 m×10 m；指狀漏斗直徑Φ3 m，斗穿出礦口規格2.5 m（寬）×1.37～2.0 m（高），呈喇叭狀布置[1]；電耙道上方7.5 m處布置雙側拉底道，間距10 m，斷面2.5 m（長）×2.5 m（寬），采用上向中深孔拉底爆破工藝；電耙道與斗穿均采用C35流態砼支護，支護厚度300 mm，電耙出礦底部結構參數如見圖1所示。

810m中段電耙道出礦底部結構規格穩定性較好，但由于斗穿高度較低及斗頸較長等，造成出礦過程中斗穿下礦不暢、高位卡斗頻繁，一定程度上制約出礦生產，因此在下中段開采時要重點考慮如何解決高位卡斗問題。

圖1 810m中段電耙出礦底部結構示意圖（未標單位：mm）

1.2 690m中段自然崩落法采場底部結構的改進

690m中段自然崩落法采場主要采用電耙出礦，隨著高效率出礦設備的快速發展，在690m中段部分礦體厚大區域開始嘗試采用電動鏟運機出礦，對應的底部結構分別為電耙出礦底部結構與鏟運機出礦底部結構。

1.2.1 電耙出礦底部結構

針對810 m中段電耙出礦底部結構存在的問題，在690 m中段施工設計時對底部結構的規格進行了部分改進：拉底與出礦水平之間的礦柱高度由7.5 m降為6 m；斗穿寬度由2.5 m改為3.0 m，高度由1.37 m改為2.0～2.5 m。其余參數仍與810 m中段參數一致。

實踐證明，底部結構改進后高位卡斗頻次大幅減少，提高了處理高位卡斗作業的安全性，出礦作業率也大幅提高，但維穩礦柱高度降低后理論上削弱了電耙出礦底部結構的穩定性。同時受開采深度下降120 m、地應力增幅較大以及采礦活動與現場管理不當等多方面的影響，690 m中段拉底爆破中后期部分區域電耙出礦底部結構破壞較為嚴重，穩定性較差。

1.2.2 鏟運機出礦底部結構

690m中段4號礦體4146穿以西4.5萬m2的區域首次采用EST3.5m3電動鏟運機出礦，根據礦巖物理力學性質與中段開采高度，同時結合國外自然崩落法礦山鏟運機出礦底部結構的設計經驗，確定鏟運機出礦底部結構參數為：出礦道平行布置，間距30 m；聚礦溝呈“之”字型布置，裝礦點間距為15 m；聚礦溝擴漏爆破后上長15 m，上寬10 m，高10 m，下長11 m，下寬4 m，呈梯形臺狀布置；在出礦道上方10 m處布置雙側拉底道，間距15 m，斷面2.5 m（長）×2.5 m（寬），采用上向中深孔拉底爆破工藝；出礦道與裝礦點均采用C35流態砼支護，支護厚度300 mm，鏟運機出礦底部結構示意圖見圖2。

圖2 690m中段鏟運機出礦底部結構示意圖（單位：mm）

生產實踐表明，鏟運機出礦機械化程度高，出礦效率高，對崩落礦石塊度適應性較強，而且底部結構的規格較大，穩定性好，能滿足本中段地應力要求。在十多年的出礦作業中底部結構基本未出現地壓破壞，使用情況較好，為690 m中段礦量的充分回收起到了決定性作用。

1.3 530m中段自然崩落法采場底部結構設計與改進

因530 m中段生產規模的擴大、勞動效率的提高，在可行性研究報告中對電耙與鏟運機的出礦方式進行了綜合比較，最后確定530 m中段自然崩落法采場采用鏟運機出礦為主與電耙出礦為輔的出礦方式，對應的底部結構為鏟運機出礦底部結構與電耙出礦底部結構，用于5號礦體主層、4號礦體主副層與5號礦體副層區域。

1.3.1 電耙出礦底部結構

電耙出礦底部結構吸取了690 m中段底部結構較為薄弱、生產服務期長、地壓破壞較為嚴重的經驗教訓，對電耙出礦底部結構的使用地點與局部規格進行了改進。二期530 m中段電耙出礦底部結構的使用地點由690 m中段用在礦體厚大、服務年限長的主層采場改為用在5號礦體底盤三角礦體規模較小、服務年限較短的583 m、603 m副層，電耙道沿走向平行布置；拉底與出礦水平之間的礦柱高度由6 m增高至7.5 m，其余各項參數基本與690 m中段相關參數一致。

根據目前的生產實踐證明，583 m、603 m副層電耙出礦底部結構的穩定性總體表現較為良好，未出現較大面積的地壓顯現，僅在部分耙道的電耙硐室與電耙道出現地壓顯現。經分析造成該區域地壓顯現的主要原因有以下幾個方面：一是工程交錯布置與分支溜礦井等貫穿工程削弱了基巖自身的穩定性；二是電耙硐室跨度相對較大，上部礦石不能充分松動，形成“殘柱”，以及其他采礦活動、工程與開采區域空間分布的影響造成電耙硐室應力集中；三是受地質構造的影響，巖石節理較為發育，整體抗壓性較差。

1.3.2 鏟運機出礦底部結構

530m中段施工設計充分借鑒吸收了690 m中段鏟運機出礦底部結構的使用經驗，底部結構的規格與布置形式基本沿用了690 m中段鏟運出礦底部結構的的相關技術參數，僅對采用環形中深孔拉底工藝對底部結構做了局部修改。主要技術參數為：出礦道平行布置，間距30 m；聚礦溝采用“八”字型對稱布置[2-3]，裝礦點采用分支鯡魚骨式布置，間距15 m；拉底道布置在桃形礦柱頂部，距出礦水平上方16 m處，間距30 m，斷面3.6 m×3.6 m，采用單拉底道環形中深孔拉底工藝；出礦穿脈與裝礦進路仍采用C35流態砼支護，支護厚度300 mm，環形中深孔底部結構立體示意圖見圖3。

圖3 環形中深孔底部結構示意圖（單位：mm）

530m中段鏟運機出礦底部結構使用初期采用單拉底道環形中深孔拉底工藝，因其具有下向孔的特點，在拉底爆破工作主要存在以下問題：一是準備工序復雜，組織繁瑣，二次成本投入大；二是易出現“樓板”等爆破質量問題，嚴重影響拉底爆破的連續推進，拱角應力長時間集中，導致底部結構和拉底道形成地壓破壞，并且“樓板”通常需要在拉底道或出礦穿脈內插孔處理，密集的深孔從桃形礦柱穿過，爆破后桃形礦柱的整體穩定性受到切割破壞，削弱了底部結構的穩定性，加劇了底部結構的破壞。插孔處理“樓板”示意圖見圖4。

圖4 出礦穿脈插孔處理“樓板”示意圖

鑒于環形中深孔底部結構在拉底爆破中存在的問題，經多次方案論證與研討后將其改進為上向中深孔底部結構，并對底部結構的布置形式做了相應的修改。將“出礦穿脈正上方16 m處布置拉底道，間距為30 m”改為“出礦穿脈上方桃形礦柱兩側10 m高處布置拉底道，間距為15 m”，其余各項參數基本不變（見圖5）。拉底工藝修改前后底部結構的整體規格與穩定性基本不變，但上向孔拉底工藝可從根本上解決下向孔帶來的各種問題，提高大爆破質量，確保拉底爆破能夠連續、正常推進，避免采場應力長時間聚集造成地壓顯現，間接提高了底部結構的穩定性。

圖5 上向中深孔底部結構示意圖（單位：mm）

根據目前530 m中段鏟運機出礦底部結構的使用情況分析，拉底爆破初期采場規模較小，底部結構的強度能夠滿足采場應力的要求；拉底爆破中后期采場規模增幅較多，采場應力急劇增大，同時受到采礦活動的影響，部分區域底部結構的強度無法滿足地應力要求，地壓顯現較為嚴重，尤其在5號礦體主層509—514穿、4號礦體614副層403—408穿之間區域表現得更為嚴重。

雖然690 m與530 m中段鏟運機出礦底部結構的設計參數基本一致，但兩個中段底部結構的總體使用效果相差較多。690 m中段鏟運機出礦底部結構基本未出現地壓顯現，而530 m中段較大范圍出現嚴重的地壓顯現。究其原因主要有以下方面：一是530 m中段鑿巖與出礦設備規格增大，配套的巷道規格也相應增加，底部結構的穩定性理論上比690 m中段有所減弱；二是與690 m中段相比，530 m中段開采深度下降120 m，地應力增幅較大，底部結構的強度未相應增加；三是環形中深孔拉底工藝自身的特點影響了大爆破質量，對底部結構破壞較為嚴重；四是其他采礦活動的影響，削弱了底部結構的穩定性等。

2 深部開采底部結構穩定性的研究與探索

底部結構的穩定性主要取決于礦床工程地質條件、底部結構參數、支護形式、拉底方式及采礦過程管理等因素，礦床工程地質條件客觀存在，只能盡量規避。對深部礦體進行開采時，底部結構的穩定性可從采礦設計、施工、管理等方面進行研究與探索。

2.1 采礦設計與底部結構穩定性的關系

采礦設計對底部結構穩定性的影響因素主要有主要巷道方位與主應力方向關系、底部結構設計參數、支護形式的選擇等。

2.1.1 主要巷道軸向盡可能與主應力方向一致

采礦主要巷道如出礦道、拉底道主軸方向應盡可能與中段主應力方向一致，避免主應力對巷道周邊產生拉應力，形成應力集中，造成巷道冒落、塌方，影響底部結構的穩定性。

2.1.2 增大底部結構的設計規格

隨著開采深度的增加，垂直應力隨之加大，適當增大底部結構尺寸有利于提高底部結構的穩定性。采用雙側拉底道布置形式的底部結構，在出礦穿脈間距一定的情況下，通過縮短聚礦溝控制長度，相應增加桃形礦柱沿走向的寬度，適當增加聚礦溝穿脈間距，相應增加桃形礦柱的垂直走向寬度，適當抬高拉底道的標高，增加桃形礦柱的縱向高度[4]。通過從三維空間方向增大相應尺寸，提高底部結構的穩定性，底部結構增大工程布置示意圖見下頁圖6。

2.1.3 合理選擇支護形式

實踐證明，底部結構中凡屬井巷工程交叉部位都極易出現應力集中，尤其在接近崩落推進線的前下方時應力集中處于峰值，易造成巷道破壞，施工設計時應充分考慮底部結構中井巷工程交叉部位的補強支護形式。銅礦峪礦鏟運機出礦底部結構目前采用的C35流態砼剛性支護不能主動發揮圍巖自身承載能力，當地應力較大或巖石破碎塌落時易出現開裂、脫落、直至完全破壞。810 m、690 m中段因垂直應力相對較小、巷道斷面較小等原因，雖然C35流態砼支護形式能夠滿足生產要求，但530 m中段的工程地質條件、采掘設備、生產規模均發生了很大變化，因此對底部結構支護形式也應當做相應的改進。

圖6 底部結構增大工程布置示意圖（單位：mm）

目前長錨索技術已經被廣泛應用于巖土工程的各個領域，并且隨著砼濕噴設備的發展，濕噴技術或鋼纖維濕噴技術已經在國內逐步推廣應用。國際上采用自然崩落法的礦山，已經充分認識到底部結構單一澆注砼支護形式的弊端，普遍采用錨噴、錨噴網、錨噴網加長錨索、U形鋼拱架等積極的柔性聯合支護形式，將傳統的被動受壓支護形式改為主動承壓支護形式，底部結構支護形式與出礦穿脈補強支護示意圖見圖7。

圖7 底部結構支護形式示意圖

2.1.4 合理選擇拉底工藝

銅礦峪礦目前采用的拉底工藝為后拉底工藝，即先施工出礦巷道、出礦點，形成聚礦槽，再組織拉底爆破。底部結構中已形成的工程位于高應力集中區，地壓破壞較為嚴重，底部結構的穩定性較差。

國外自然崩落法礦山普遍選擇采用前進式拉底或預拉底工藝，拉底爆破后再進行劈漏形成聚礦溝，可有效避免底部結構在拉底爆破時處于應力集中區，能夠很好地保護底部結構的穩定性。

考慮實施前進式拉底工藝需對目前生產組織、施工流程進行重大變革，而目前530 m中段銜接工程施工已接近尾聲，不具備變更條件，因此在410 m中段設計中充分考慮并嘗試實施前進式拉底工藝。

2.2 采礦活動與底部結構穩定性的關系

采礦活動對底部結構的影響因素主要有掘進超挖、拉底爆破質量、推進速度、放礦管理等。

2.2.1 提高掘進工程質量，減少超挖

工程質量與巷道穩定性密切相關。掘進超挖不僅損壞巷道周邊原巖的穩定性，而且導致大量混凝土回填。為適應鏟運機底部結構服務周期長、岔口多、受力大的特點，應從光面爆破施工，從開口必錨、隨掘隨支的支護方式以及噴錨網、長錨索、濕噴混凝土工藝等支護形式采取針對性補強措施。

2.2.2 提高拉底爆破質量及選擇合理的拉底推進速度

拉底爆破的質量和推進速度對底部結構的穩定性起到至關重要的作用。應在拉底爆破單元、拉底形狀、拉底步距、拉底速度等方面加強研究與探索[3]。實施勤放炮、放小炮，實行多地點、小步距拉底組織模式；加強爆破過程管理，杜絕“巖墻”、“巖柱”、“樓板”等質量事故；根據不同部位、不同跨度、巖石穩固程度合理選擇拉底推進速度，避免拉底推進線停留時間過長；在地壓較大拉底推進受阻時，可采取自拉槽擠壓爆破快速推進，模擬放小炮的過程編制放礦計劃松動出礦，避免應力大跨度轉移，減小對底部結構的破壞。

2.2.3 加強采場放礦管理，避免應力集中

拉底爆破后，要依據采場拉底礦量和崩落速度下達放礦指令，確保在崩落礦石與未崩礦石之間保持一個合理的空間，不留“殘余礦柱”。殘余礦柱不僅不利于采場崩落，也會將采動應力傳遞到底部結構上來，對底部結構造成損壞。同時放礦速度也不能無限加大以至放空墊層，導致采場突然大面積冒落形成強大沖擊波，造成人員和設備事故。放礦管理部門應加強放礦控制，做到均勻放礦，加強崩落規律研究，做到有效、連續崩落，確保底部結構的穩定性。

3 結語

綜合銅礦峪礦810 m、690 m、530 m三大中段自然崩落法采場底部結構的演變過程可知，除810 m中段電耙出礦底部結構與690 m中段鏟運機出礦底部結構外，對以下各中段底部結構的設計基本沿用了上中段的生產經驗，對底部結構的主要技術參數的設計基本未做較大修改。淺部礦體開采時底部結構的穩定性能夠滿足生產要求，但深部礦體開采時技術條件較為復雜，影響因素較多，底部結構的穩定性能否滿足生產要求還有待進一步驗證。根據當前國際上自然崩落法礦山先進的開采經驗，在深部礦體開采時為提高底部結構的穩定性可以從主要工程的設計與布置、底部結構的補強措施及加強出礦過程管理等方面進行具體的研究與探索，為深部礦體尤其是目前即將開始施工設計的410 m中段底部結構穩定性提供借鑒與指導意義。

[1]李歆光.銅礦峪礦的礦塊崩落法設計及探討[J].中條山科技，1989（采礦論文專輯）：21.

[2]中國恩菲公司.銅礦峪礦690 m中段初步設計說明書[Z]，1995.

[3]中國恩菲公司.銅礦峪礦二期工程初步設計說明書[Z]，2007.

[4]中國恩菲公司.銅礦峪礦自然崩落法地壓及底部結構穩定性解決方案[Z].2014：35.

（編輯：胡玉香）

Research on Stope Bottom Structure Improvement by Natural Caving Method and Reinforcing Measures

ZHANG Jie
（Tongkuangyu Mine,Northern Copper Industrial Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi）

From stope bottom structure design,application and improvement of 810 m,690 m,530 m Tongkuangyu mine natural caving method,the stability of bottom structure is summarized and analyzed,and from crustal stress, structural strength,mining activities and other aspects,how to improve the stability of bottom structure is analyzed,and some improvement ideas for improving the stability of bottom structure of deep mining are put forward.

natural caving method,bottom structure,stability,crustal stress,mining activity

TD862.1

A

1672-1152（2016）06-0082-05

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.30

2016-10-19

張杰（1981—），男，主要從事采礦技術研究工作，采礦助理工程師。