分段崩落法回采順序對進路受力狀態影響分析

張貴銀，尚繼斌

（1.中國黃金集團建設有限公司，北京 100020；2.山東金邑礦業有限公司，山東 濰坊 261000）

1 引言

在20世紀60年代中期，無底柱分段崩落法在金屬礦山中就被廣泛使用，一般適用于地表允許崩落且礦巖具有一定穩固性的、礦石中等價值以下的急傾斜厚礦體［1］。隨著采礦機械和支護技術的進步，無底柱分段崩落法在黃金礦山也逐步應用，可以實現在同一礦塊的不同進路中同時進行掘進、采礦等工作，具有礦塊生產能力大、效率高、安全性好等優點。但是，隨著淺部礦產資源的枯竭，目前膠東地區千米深井已屢見不鮮，某金礦由于賦存較深且采場結構不規則，含有大量的斷層及節理等弱面，若采用無底柱分段崩落法，回采進路的穩定問題極大影響到礦山安全［2］。礦山在開采過程中始終伴隨不同的力學行為對圍巖造成擾動，如不同的開挖順序、采空區充填效果等都會對進路結構穩定產生一定的影響［3］。某金礦淺部-350m水平以上資源采用干式嗣后充填采礦法回采，礦石損失大，空場作業安全性差［4］。為此，-350m以下水平擬采用進路式無底柱分段崩落法回采。不同回采順序對進路的受力狀態及其圍巖穩定性影響存在較大差異，為提高回采作業安全性，急需對進路式無底柱分段崩落法回采方法的回采工作面順序進行研究［5］。

2 工程概況

某金礦7-2#礦脈屬溫熱液破碎帶蝕變巖型金礦床，主要產于斷裂帶的黃鐵絹英巖化碎裂巖中，礦體產狀穩定，形態復雜，礦體賦存標高-500～-850m、走向長450m、傾角45～50°。金礦體形態呈脈透鏡狀、沿走向傾向變化較大，具膨縮分支復合尖滅現象，平均真厚度為9.22m。礦體與圍巖無明顯地質界線。頂底板圍巖裂隙發育，在采動影響下不穩固，容易垮落，礦床巖石類型如表1所示。

表1 7#礦體及頂底板類型

3 進路受力狀態影響因素分析

3.1 回采順序的影響

理論上回采順序不同對進路圍巖穩定性的損害也不完全相同，從減小回采進路受力峰值和保持進路穩定的角度考慮，最佳的回采順序應該是按照使進路受到的采動損害最小，同時也要有利于礦山生產部署和有利于生產安全的要求選擇［6］。研究回采順序對于提高生產效率和改善生產安全條件意義重大，回采進路的穩固性提高后，可以改善回采作業的安全條件［6］。在該礦開采技術條件下，分段進路回采方式可分為如下5種［8］，如圖1所示。

圖1 各種回采方式的分段進路回采過程示意圖

3.2 周邊采空區形態影響

該金礦7#礦體-350m水平以上采用干式充填采礦法，-350m水平以下開始采用無底柱分段崩落法，而崩落后采空區對-350m以上水平采場安全生產造成極大威脅，且上部干式充填采場的充填接頂效果、崩落法采空塌陷區對進路受力狀態產生較大影響，尤其是后者影響較大［9］。

研究表明，在采空區埋深較大、頂板圍巖為碎裂結構且采空區內部無礦柱支撐條件下，采空區頂板變形垮落主要受重力場控制，這是冒落線的形態較接近于拱形的重要原因［10］。頂板圍巖應受到水平壓力T和拱腳支撐力R作用，如圖2所示。

圖2 采空區平衡拱力學模型

根據力系平衡原理，采空區跨度L為：

式中：l為采空區的半跨度，m；q為上覆巖層壓力，q=γH；γ為上覆巖層容重，取2.87t/m3；H為采空區頂板埋深，H=510m；h為采空區高度，m；RC為空區頂板極限抗壓強度，MPa；k為強度折減系數，取0.75。

該礦-363m分段采空區的頂板埋深約510m。由式（1）計算得：h=7m時，采空區臨界冒落寬度L=10.72m。經過近兩年的監測與分析，進一步掌握了該礦巖體的冒落特性，一般在采空區邊緣15m范圍內，巖體有規模不等的裂紋產生，尤其在距采空區邊緣10m范圍內，裂紋規模較大。不同回采順序可導致采空區垮落不同，對相鄰進路穩定性的影響程度也不同，選擇回采順序時會受到該因素制約。

4 進路受力狀態數值模擬分析

4.1 數值模型建立

通過對該金礦生產過程中發生的進路與采場頂板的破壞現場監測發現，地壓顯現一般表現為頂板圍巖垮落，具有自重應力場破壞性。該礦無底柱分段崩落法回采進路一般垂直礦體走向布置，分段高度7～8m，間距為8m。建立模型時，取5條進路寬度作為模型長度，取礦體的平均厚度9m作為模型的寬度，模型幾何尺寸為：長×寬×高=64m×9m×25m。采用不等分方法劃分單元，單元塊度為0.8m，在數值計算模型的邊界上應力呈直角梯形荷載分布，根據Heim-Kinnick定理計算應力場，x、y方向施加0.2γh側向應力約束，采用FLAC3D模擬軟件計算初始模型如圖4所示［11］，模擬計算采用的礦巖物理力學參數如表2。

表2 礦巖力學參數表

圖3 回采進路應力分析模型

4.2 不同回采順序模擬結果分析

針對3.1節中5種不同回采方式，分別模擬計算可以得出在不同回采順序條件下回采進路周邊的應力分布狀態，如圖4所示。

圖4 不同回采方式的回采進路周邊應力分布狀態

模擬結果表明：-350m以下水平采用無底柱分段崩落采礦方法，采空區上覆巖層壓力分布較均勻，基本上無應力集中區域，不會對-350m以上水平出礦巷道造成大規模垮落。采用雙翼階梯式回采方式進路周邊的應力分布較均勻，且為壓應力，是較理想的受力狀態；單翼階梯式回采方式次之；再次為單進路順序回采；雙進路輪流回采方式的進路受力條件差；兩進路超前回采方式的巷道應力狀態最差。通過調整回采順序可以顯著改善進路受力環境，分段進路的最佳回采順序為雙翼階梯式回采方式，同時也驗證了無底柱分段崩落法分段高度7～8m間距為8m的回采參數選取的合理性。

5 結語

（1）對影響進路穩定的因素進行了分析，如回采順序、周邊采空區形態等，提出了該礦生產技術條件下可能的5種進路式回采順序，即單進路依次回采、雙進路輪流回采、雙進路間隔超前回采、單翼階梯式開采和雙翼階梯式開采。

（2）通過建立采空區平衡拱力學模型，表明采用分段采高7m、間距8m進路開采參數時，采空區臨界冒落寬度10.32m，在距采空區邊緣10m左右裂紋規模較大，采場間距8m進路可有效避免相鄰采空區最大采動影響。

（3）通過FLAC3D對不同回采順序條件下進路周邊應力狀態進行模擬，結果表明采用雙翼階梯式回采方式進路周邊的應力分布較均勻，是進路較為理想的受力狀態，在此受力條件下進路穩定性較好，可大幅提高進路內出礦作業的安全性，雙翼階梯式回采方式可在類似生產條件的礦山推廣使用。