金川龍首礦中深孔破壞規律及護孔措施*

龍衛國，陳星明，范永亮，譚寶會，郭輝文，朱 強

(1.金川集團有限公司，甘肅 金昌 737100；2.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

金川龍首礦西二采區屬金川集團貧礦開發項目，礦體埋藏較淺，地表100 m以下見礦，共包含57個礦體，其中1#礦體規模最大，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°。礦區圍巖主要由混合巖、大理巖、片麻巖等組成。礦區采用下向分層六角形進路機械化膠結充填法回采，布置有1 554、1 430 m兩個回采中段，實行雙中段同時回采。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，由于金屬鎳價格下滑，西二采區利用膠結充填法開采低品位礦石時的高成本、低效益等問題日益凸顯。鑒于此，礦山決定嘗試采用生產成本相對較低的無底柱分段崩落法進行采礦，并選定在1 595 m水平8行以東開展崩落法試驗。

對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。龍首礦礦區地質條件復雜，在此條件下開展中深孔破壞規律研究對于西二采區無底柱分段崩落法的順利實施具有重要的指導作用。根據該采區1 595 m水平(試驗采場水平)的應力條件及礦巖特性建立模型，采用不連續變形分析方法(DDA)對扇形中深孔的破壞規律及范圍進行了分析，并通過現場試驗獲取了中深孔保持情況，最終提出了針對性的防治措施，可為下一步的礦山設計及采礦作業提供參考。

1 中深孔破壞規律數值模擬研究

1.1 模型的建立

DDA是一種適用于不連續塊體系統計算的新方法，能夠反映礦巖體破壞的連續與非連續結合以及大變形、大位移等特點。本次數值模擬研究以西二采區1 595 m崩落法試驗采場地質及施工條件為基礎進行建模(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厚的膠結體，其余部分為礦體。礦體包含了3組主節理，其傾向及傾角的設定參照實際地質調查資料。3組節理互相切割，將礦體劃分為離散塊體，最終在模型中劃分出3 789個塊體。鑒于模型尺寸遠大于炮孔直徑，扇形中深孔并不能實際表現在模型上，可在炮孔位置設定一系列沿炮孔方向分布的監測點，以監測該位置的變形及位移情況，進而表征炮孔的變形破壞規律。測點布置位置及形式按照圖1(a)中給出的中深孔布置形式確定，每一個炮孔前后相鄰2個測點的間距為1.5 m。

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

表1 沿炮孔布置的測點信息

1.2 應力條件及物理力學參數

1)應力條件

西二采區地應力值可根據以下經驗公式[1]計算：

σV=γgh，

σH=3+0.042 5h，

式中：σV為垂直應力，MPa；σH為水平應力，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，在求解初始應力平衡時對模型中每個塊體施加的垂直應力和水平應力分別為3.30、 8.53 MPa。

2)力學參數及數值控制參數

表2給出了模型中主要礦巖物理力學參數以及數值控制參數。礦巖物理力學參數通過實驗室試驗獲得；數值控制參數是經過多次試算得到的優化值，在此優化值下模型的每一步計算都可以在最小次數迭代之后達到平衡。

表2 礦體及膠結充填體物理力學參數及數值控制參數

3)初始應力平衡求解及開挖設定

模型在回采進路開挖前應先達到初始應力平衡狀態，以模擬地應力條件。為判斷模型是否達到初始應力平衡狀態，此處以模型中的1號測點為例，繪制其應力演化曲線(見圖2)。

圖2 模型中1號測點應力演化曲線

由圖2可知：模型在物理時間t=1 s時(此時模型計算20 000時步)，1號測點的各項應力均趨于穩定，表明此時模型達到了初始應力平衡狀態；其中，垂直應力最終穩定在3.4 MPa左右，水平應力最終穩定在8.4 MPa左右，基本符合根據經驗公式所計算出的原巖應力值。因此，本次數值模擬設定在物理時間t=1 s時對模型中的巷道進行開挖。

1.3 模擬結果分析

圖3展示了模型中回采進路周邊礦體破壞范圍與中深孔的布置位置。模型中進路開挖后將引起周邊礦體破壞及應力重新分布，當后續施工的中深孔穿過進路周邊的破碎區域及應力集中區域時，極易發生破壞。

圖3 中深孔穿過進路周邊破碎礦體的范圍

由圖3可知，在所設定的礦巖特性及應力條件下，當回采進路開挖后，進路周邊礦體發生了破壞，且豎向破壞范圍大于橫向，這就導致扇形排面中每個炮孔的孔口部位均處于破碎帶之內，且處于破碎帶之內的炮孔長度基本達到了每個炮孔長度的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測點的位移變化規律。限于篇幅，此處以4#炮孔為例，展示了處于該炮孔上的23-33號測點的垂直位移演化曲線(見圖4)。由圖4可知：23-26號測點處的垂直位移量在模型計算結束時仍然處于持續增長的趨勢，表明這一范圍內的礦體破壞相對嚴重，其范圍大約為從孔口向孔底方向延伸5 m左右；當炮孔穿過此范圍時，極有可能發生錯孔、堵孔等現象；而27-33號測點的垂直位移量則始終未出現明顯變化，表明這一段礦體基本穩定，當炮孔穿過這一區段時能較好地保持其完整度。

圖4 4#炮孔上23-33號測點的垂直位移演化曲線

此外，當中深孔穿過進路周邊的應力集中區域時也很容易發生破壞，圖5以4#炮孔為例，給出了炮孔上各測點水平應力及垂直應力曲線。由圖5可知，4#炮孔上23- 26號測點區域內的應力得到了釋放，其余部位的水平應力和垂直應力的變化趨勢則有所不同。圖6更為直觀地展示了進路周邊的應力分布模式及其與扇形炮孔的相對位置。

(a) 水平應力演化曲線 (b) 垂直應力演化曲線

(a)水平應力分布 (b)垂直應力分布

進路開挖后其周邊應力重新分布，可將該區域劃分為應力釋放區(Ⅰ區)、應力集中區(Ⅱ區)、應力平穩區(Ⅲ區)、卸壓區(Ⅳ區)等4個區段。由圖6可知，扇形中深孔施工時炮孔將穿過這4個不同的應力區域，其中應力釋放區內的礦體已經發生破壞，應力集中區內的礦體有進一步破壞的趨勢，因此當炮孔穿過這2個區段時，極易發生破壞。

2 現場試驗

數值模擬研究得到了西二采區礦巖特性和地應力條件下的中深孔破壞規律，但由于數值模擬與實際情況之間仍然存在一定差異，如：真實礦體節理參數與模型礦體節理參數的差異、回采進路支護情況的差異等，因而數值模擬結果僅可作為參考而并不能完全代表實際。為了進一步探究中深孔在西二采區礦巖特性下的破壞程度和規律，在數值模擬研究的基礎上開展了現場試驗。本次中深孔保持率測定試驗選擇在1 610 m分段5行聯絡道巖巷中進行，中深孔施工方案見圖7。

圖7 中深孔現場試驗炮孔布置圖

(a)圍巖中的中深孔 (b)礦體中的淺孔

采用YG-90鉆機進行中深孔施工，鉆孔直徑為90 mm，共鉆鑿84個中深孔[見圖8(a)]，中深孔施工完畢后定期對各炮孔的完好情況進行監測。在中深孔成孔2個月后，礦山地質測量隊對中深孔進行了全面測量。由實測數據可知，在所施工的84個中深孔中，僅有7個炮孔發生了堵塞，中深孔的保持率達到了91.7%，表明在西二采區地質條件下中深孔具有較高的保持率。而破壞的7個炮孔位置相對較集中，不排除局部圍巖破碎導致炮孔破壞的可能性。此外，試驗炮孔布置于圍巖中，而西二采區圍巖相對于礦石更加破碎，因此可以預見當中深孔布置于礦石中時，其保持率應高于圍巖，該推論在后期1 595 m水平5#進路的巷道松動圈范圍測定時得到了一定程度的印證。在進路頂部及兩幫共打了6個深度為2.5～3.0 m、直徑為40 mm的鉆孔，其中僅有1個鉆孔因中部發生孔壁脫落而堵塞，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生破壞導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。結合龍首礦西二采區地質條件及其他無底柱分段崩落法礦山的相關經驗，提出了以下措施：

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

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

c.在孔口部位采用大直徑錨桿護孔。采取大直徑管縫式摩擦錨桿對孔口部位進行保護可以降低炮孔的堵塞概率，同時也可進一步提高巷道的穩定性。

d.前一排中深孔爆破時，對后排中深孔進行預裝藥，以解決前排炮孔爆破損壞后導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，同時盡可能縮短中深孔的空置時間[6]。

f.在前后排中深孔設計與施工時采取前后交錯方式，同時對同一排面內的炮孔采取微差爆破，以減少前排炮孔爆破對后排炮孔的破壞[7]。

g.加強透孔、補孔。對于中深孔破壞相對嚴重的地段，及時采取透孔、補孔等措施，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重，也可不必采取措施，塌孔異常嚴重表明此處礦巖十分破碎，有時無需對每個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、四川錦寧礦業大頂山礦區(原瀘沽鐵礦)、大浞河鐵礦、海南鐵礦等礦山成功應用，均取得了較為明顯的效果，這些措施可為龍首礦西二采區中深孔的施工提供借鑒。

4 結論

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

b.通過對西二采區中深孔保持率的現場測定可知，中深孔在施工2個月后的保持率達到了91.7%，表明在西二采區地質條件下中深孔具有較高的保持率，這為西二采區無底柱分段崩落法工業試驗的順利實施提供了技術支撐。

c.為進一步提升西二采區中深孔保持率及爆破效果，提出了為回采進路選擇合理的支護形式、適當增大中深孔孔徑、在孔口部位采用大直徑錨桿護孔、采取合理的回采順序、加強透孔及補孔等措施，這些措施可為龍首礦西二采區中深孔的施工提供借鑒。