深部金屬礦山卸壓開采研究

李學鋒 黃海斌 謝柚生 劉夢希

(廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530000)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求量不斷增加，淺部資源的逐漸枯竭迫使更多礦山轉(zhuǎn)入深部礦床開采，然而，深部資源的安全高效經(jīng)濟開采一直是礦業(yè)界一個急需解決而又未能很好解決的關鍵問題[1-2]。礦山進入深部開采后，地應力明顯升高，給地下工程開拓、維護、控制提出了一系列嚴峻的挑戰(zhàn)[3]。隨著開采深度增大，地應力由淺部的線性向深部的非線性轉(zhuǎn)變，淺部重力場地應力向深部構(gòu)造應力場轉(zhuǎn)變，已有的彈塑性力學理論不再適應深部地下工程[3]。深部圍巖特殊性將導致深部巖體在強度與變形的性質(zhì)上與淺部顯著不同，圍巖內(nèi)賦存的高地應力與圍巖低強度之間矛盾更加地突出，地下工程開挖之后圍巖發(fā)生猛烈的巖爆頻率增加，采場大面積失穩(wěn)破壞迅速增加。

廣西某礦業(yè)公司深部105號礦體的安全開采，可有效緩解目前國際國內(nèi)市場上錫、銻等金屬緊缺的局面，對發(fā)展我國的有色金屬工業(yè)有相當重要的意義，但要安全有效地開采105號礦體，目前面臨著一大采礦技術(shù)問題，即105號礦體在地質(zhì)應力環(huán)境與巖體結(jié)構(gòu)方面都具備發(fā)生巖爆的條件，在開采的過程中有發(fā)生巖爆的可能。本研究根據(jù)105號礦體的巖爆傾向性結(jié)果及礦區(qū)巖石力學參數(shù)、地應力水平等條件，提出了4種卸壓方案，并利用FLAC3D及Plot Digitizer軟件對各方案的卸壓效果進行模擬分析，最后確定最佳卸壓方案，從而解決開采過程中有可能出現(xiàn)的巖爆問題。

1 礦區(qū)深部礦體開采技術(shù)條件

1.1 礦床特征

該礦區(qū)105號深部礦體已控制部分距地表約800～1 200 m，控制標高為-79～-285 m，礦體規(guī)模達到大—特大型，礦體類型屬錫石—硫鹽—硫化物型礦石，主要有益成分有錫、鋅、鉛、銻、銅等，均達到礦床的工業(yè)要求，伴生組分銦、鎘、鎵達到綜合利用要求。礦體走向近于南北，以-151 m水平為界，上部總體傾向東，下部北段傾向西，下部南段傾向南東，控制礦體長459 m，水平寬139 m，延伸大于206 m。

1.2 礦區(qū)地應力

根據(jù)長沙湖廣礦山技術(shù)服務有限公司采用國際巖石力學學會(ISRM)試驗專業(yè)委員會規(guī)范規(guī)定的《巖石應力測定的建議方法》中的空心包體應變法，通過中科院研制的空心包體應力計測出的該礦105號礦體-200 m水平地應力結(jié)果，結(jié)合在該礦區(qū)+250～+300 m標高間測得原巖地應力結(jié)果預測深部地應力，以原巖地應力與深度線性相關方式預測的開采深度達1 500 m、2 000 m原巖地應力結(jié)果見表1。

表1 預測開采深度達1 500m、2 000 m原巖地應力Table 1 Original rock ground stress of prediction miningdepth at 1 500 m and 2 000 m

1.3 巖石力學參數(shù)

對礦區(qū)深部礦體部分區(qū)域的巖石力學參數(shù)測試，由中南大學現(xiàn)代分析測試中心力學實驗室采用INSTRON1342型和1346型材料壓力試驗機完成，其最終測定結(jié)果見表2。

表2 礦區(qū)105號礦體巖石力學參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters forNo.105 orebody in mining area

1.4 礦區(qū)巖爆傾向性評估結(jié)果[4]

根據(jù)礦區(qū)測得原巖地應力與巖石力學參數(shù)，分別按強度脆性系數(shù)法、最大儲存彈性應變能法、彈性能量指數(shù)判別法、沖擊能量判別法評估礦區(qū)巖爆傾向結(jié)果見表3。

表3 礦區(qū)巖爆傾向評估結(jié)果Table 3 Evaluation results of rock burst tendency in mining area

注：R為強度脆性系數(shù)(單軸抗拉強度與抗拉強度的比值)；Es為最大儲存彈性應變能，MJ/m3；WET為彈性變形能量儲能與塑性變形耗散能比值，也即彈性變形能與塑性變形能的比值；WCF為沖擊能量指數(shù)(巖石峰前應力—應變曲線與橫軸所成面積與峰后應力—應變曲線與橫軸所成面積比值)。

由表3可得出：礦區(qū)105號礦體錫礦石具有巖爆傾向性，存在巖爆發(fā)生內(nèi)因；礁灰?guī)r基本不具有巖爆傾向性。

2 具有巖爆性礦井卸壓方案

在原巖應力測試中確定了礦區(qū)整體應力方位與大小，如具體應用到采場卸壓方案中仍需轉(zhuǎn)換計算。根據(jù)轉(zhuǎn)換后的水平及垂直方向的應力分量，在設計布置采場過程中，采場的長軸方位為0°，作用在兩端的應力為39.56 MPa；采場的上盤、下盤法向即東西方位，作用其上的應力為29.23 MPa；作用在垂直方向上應力為16.96 MPa。結(jié)合已有的應力拱卸壓方式研究，綜合考慮礦區(qū)地應力主要為水平構(gòu)造應力，采場周邊應力σ1、σ2與σ3比值分別為2.33∶1、1.72∶1，在設計卸壓方案時主要考慮水平構(gòu)造應力，因此，本研究提出了4種卸壓方案：

方案一：采場兩側(cè)布置卸壓槽[5]。在礦塊的兩側(cè)分別布置1條6 m卸壓槽，見圖1。

圖1 兩側(cè)布置卸壓槽卸壓方案Fig.1 Pressure release program with reliefgroove laying on both sides

方案二：切頂和拉底布置卸壓槽[5]。在礦塊的頂板與底板分別布置1條4 m卸壓槽，見圖2。

圖2 切頂和拉底布置卸壓槽方案Fig.2 Arrangement scheme of relief groove layingon roof cutting and undercutting

方案三：上盤深孔卸壓爆破。深孔卸壓爆破主要利用藥壺裝藥爆破，松動巖體，爆破產(chǎn)生的裂隙使上盤圍巖與采場形成一個應力隔離帶，從而降低采場應力。爆破過程中，炮孔周圍依次形成爆腔、破碎區(qū)、裂隙帶，破碎區(qū)與裂隙帶起卸壓作用，爆腔提供了應力閉合空間。根據(jù)理論計算，當炮孔半徑取45 mm時，爆破后裂隙帶近2 m，在上盤布置的卸壓孔在爆破裂隙形成之后相當于存在4 m寬的卸壓帶。深孔爆破卸壓方案見圖3。

圖3 深孔爆破卸壓方案Fig.3 Deep-hole blasting relief program

方案四：礦體分步回采。此方案把礦塊分成兩步進行回采，一步驟采用充填法回采接近上盤的部分礦體，空區(qū)膠結(jié)充填；二步驟采用上向分層(尾砂)充填法回采剩余寬度礦體，見圖4。

圖4 礦體分步回采方案Fig.4 Orebody sub-step stopping program

3 數(shù)值建模

3.1 巖體力學參數(shù)確定

采礦工程數(shù)值模擬過程中巖體力學參數(shù)選取很大一部分決定了數(shù)值模擬準確性和適用性。本次數(shù)值模擬巖體力學參數(shù)主要根據(jù)室內(nèi)巖石力學實驗、工程經(jīng)驗與rocklab軟件計算等綜合估計計算模型各巖體的基本巖體力學參數(shù)，見表4。

表4 巖體力學參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of rock mass

3.2 計算邊界條件

根據(jù)礦區(qū)105號礦體的礦區(qū)地質(zhì)、礦體地質(zhì)及上向分層充填法方案的特點，為完成模擬方案卸壓效果，以礦區(qū)地質(zhì)平面圖、剖面圖為建模的基礎資料，根據(jù)105號礦體工程地質(zhì)巖性、采場布置等情況，建成三維結(jié)構(gòu)體，所形成的FLAC3D模擬分析模型三視圖見圖5。

圖5 模擬計算模型圖Fig.5 Simulation calculations model diagram

圖中礦巖模型單元為119 808個，節(jié)點為129 195個。考慮到原巖地應力特點，忽略重力作用。模型頂部(y方向)施加16.96 MPa恒應力，在模型的兩側(cè)(x方向)施加29.23 MPa恒應力，在模型的前后施加39.56 MPa恒應力。計算模型范圍x=280 m(垂直礦體走向方向)，z=360 m(沿礦體走向方向)，y= 200 m(垂直方向)。

收斂采用自動控制時間步來求解模型，直到最大不平衡力為1×10-5為止。模型邊界約束采用位移約束(在FLAC3D中實質(zhì)就是速度約束)的邊界條件。底部所有節(jié)點取x、y、z3個方向上的約束；對x方向上的邊界取x方向固定，y、z方向自由；對z方向的邊界取z方向固定，x、y方向自由，即模型的左右邊界、前后邊界和底部邊界均施加位移約束條件，上邊界(y方向)為自由邊界。選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型做為本次數(shù)值模擬的力學判據(jù)。

4 卸壓效果數(shù)值模擬分析

在多種巖爆預測分析中，采場周邊的最大主應力被視為一個重要指標，如最大強度理論、最大剪切應力理論(超剪切應力ESS)等，因此在以下分析卸壓效果中，主要分析采場周邊最大主應力變化，并以此為方案優(yōu)劣的判據(jù)。

4.1 方案一卸壓效果分析

在礦塊兩端布置卸壓槽后，卸壓槽沿礦體走向(最大主應力方向)邊應力增大到57.5 MPa，而垂直礦體走向邊減小到5 MPa，在礦體內(nèi)應力得到一定的減少，其值減小到35 MPa，降低大概5 MPa。總體來看方案一卸壓效果不明顯，把采場周邊平均應力降低到了原巖應力的85.2%，礦體周邊未能形成有效的卸壓拱，主因是最大主應力方向沿礦體走向，卸壓槽形成的空間僅轉(zhuǎn)移了周邊小范圍內(nèi)巖體應力，無法轉(zhuǎn)移采場遠場應力。方案一最大主應力等值線見圖6，方案一礦體周邊最大主應力曲線見圖7。

圖6 方案一最大主應力等值線(單位：MPa)

4.2 方案二卸壓效果分析

布置完切頂與拉底卸壓槽后，卸壓槽周邊應力變化較大，應力得到減小。但在礦體某些部位上應力達到34.5 MPa，這部分應力與第二主應力(垂直礦體方向，29.23 MPa)相比實際增大了約5 MPa，主因是卸壓槽周邊減小的應力轉(zhuǎn)移到了卸壓槽下部，這部分應力致使礦體上應力增大，只有卸壓槽附近區(qū)域出現(xiàn)卸壓效果。方案二最大主應力等值線見圖8，方案二礦體周邊最大應力曲線見圖9。

圖7 方案一礦體周邊最大主應力曲線Fig.7 Maximum principal stress curve of theorebody surrounding in the program one

圖8 方案二最大主應力等值線(單位：MPa)

圖9 方案二礦體周邊最大主應力曲線Fig.9 Maximum principal stress curve of the orebodysurrounding in the program two

4.3 方案三卸壓效果分析

根據(jù)深孔爆破形成的4 m裂隙帶將改變上盤圍巖裂隙帶彈性模量的原理，把該區(qū)域彈性模量由 4 411 MPa調(diào)至1 102.75 MPa，可實現(xiàn)該方案的數(shù)值分析。在礦體上盤實施爆破卸壓后，礦體周邊應力明顯降低，爆破裂隙帶周邊應力為10 MPa；在裂隙帶外第1個卸壓拱應力降為20 MPa，第2個卸壓拱應力降為30 MPa；應力增大區(qū)在裂隙帶的兩端較小區(qū)域，應力最大增到106.3 MPa。相比原巖應力，預期卸壓帶應力降低幅度較大，卸壓影響范圍較廣，能形成有效的卸壓拱。方案三采場周邊主應力等值曲線見圖10，方案三礦體周邊最大應力曲線見圖11。

圖10 方案三最大主應力等值線(單位：MPa)

圖11 方案三礦體周邊最大應力曲線Fig.11 Maximum principal stress curve of theorebody surrounding in the program three

4.4 方案四卸壓效果分析

礦體的一步驟回采后，在二步驟礦體的上盤與圍巖間形成了真正意義上的應力隔離帶，應力顯著降低。充填體的抗壓強度設置為4 MPa，圍巖彈性模量為4 410 MPa，在充填體充填到空區(qū)后，它們之間存在一個力學上的“界面”，充填體有自己的應力狀態(tài)和力學體系，不會馬上受到上盤應力作用。二步驟礦體上盤界線應力降為5 MPa左右；第1個卸壓拱應力降為20 MPa，第2個卸壓拱應力降為30 MPa；應力增大區(qū)在一步驟采場的兩端較小區(qū)域，應力最大增到119.89 MPa，但是該區(qū)域?qū)Χ襟E安全回采影響不大。方案四最大主應力等值線見圖12，方案四礦體周邊最大應力曲線見圖13。

圖12 方案四最大主應力等值線(單位：MPa)

4.5 卸壓方案優(yōu)劣性分析

數(shù)值模擬分析表明，方案四在分步回采礦塊后，剩余的二步驟礦體與上盤形成了一個真正意義上的應力隔離帶，卸壓效果顯著，影響范圍廣，為擬推薦卸壓方案。4個方案比較結(jié)果見表5。

圖13 方案四礦體周邊最大應力曲線Fig.13 Maximum principal stress curve of the orebodysurrounding in the program four

表5 4個方案卸壓效果比較Table 5 Comparison of pressure relief effect of 4 programs

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)礦區(qū)105號礦體及圍巖的巖爆傾向性結(jié)論及礦區(qū)開采技術(shù)條件與開采工藝、地應力水平與巖體力學參數(shù)，結(jié)合已有的應力拱卸壓方式的研究，共提出4種卸壓方案：采場兩側(cè)布置卸壓槽；切頂和拉底布置卸壓槽；在上盤深孔卸壓爆破；礦塊分步回采。

(2)通過數(shù)值模擬分析，得出結(jié)論：采場兩側(cè)布置卸壓槽卸壓方案使采場周邊應力降低14.8%；切頂和拉底布置卸壓槽卸壓方案卸壓不成功；在上盤深孔卸壓爆破卸壓方案使采場周邊應力降低50.4%，在礦體與圍巖之間能形成真正意義上有效的應力隔離帶；礦塊分步回采方案卸壓效果顯著，范圍廣，在其一步驟回采完成后，二步驟礦體上的應力下降顯著，應力降低63.6%。最終通過最大主應力比較分析確定礦塊分步回采為最優(yōu)卸壓方案。

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