深部回采切頂層結構參數優化

田 孟 李廣濤 張 希 陳 濤 楊天雨 羅方偉

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093；2.玉溪礦業有限公司，云南 玉溪651300)

深部界定的標準隨時間和國家地域空間的變化而變化，“深部”的概念不能簡單以深度為指標定義，而是區別于淺部的非線性力學系統[1]，結合深部地應力水平、應力狀態和圍巖性質共同決定的復雜力學環境狀態[2]。我國《采礦手冊》(第四卷)把600～2 000 m的開采深度劃為深部開采[3]，而“十五”期間金屬礦山深部開采劃分改為800、1 000 m。古德生等[4]認為金屬礦深部的界定深度為800 m，從“三高”綜合影響深部開采及災害控制分析。大紅山銅礦285中段生產區域開采深度已超過800 m，且主應力量級達到30～37 MPa，在此及以下區域呈現高地溫等現象，由此可以判定，大紅山銅礦已經進入深部開采礦山行列。大紅山銅礦深部緩傾斜厚大礦體采場采用高階段、大直徑深孔落礦兩步驟連續回采，在285中段巷道掘進以及大盤區切頂層硐室內局部地壓顯現，頂板和硐室出現冒頂、片幫現象，硐室間礦柱發生不同程度的破壞，破壞較大時直接失去承載能力。趙國彥等[5]基于普氏理論計算出房柱法里正方形礦柱的合理強度尺寸，并采用數值模擬進一步驗證；陳順滿等[6]和宋衛東等[7]建立了礦柱的安全系數計算公式，采用正交極差分析理論分析影響因素的敏感性；姜立春等[8]考慮覆巖、爆破振動等協同作用建立礦柱的安全系數。研究者們都忽略了切頂聯道、切割槽對礦柱的影響。合理的切頂層結構參數有利于控制采場穩定性，降低圍巖擾動范圍以及多次應力平衡導致的集中現象。在鑿巖硐室寬度確定條件下，若留設條柱寬度較小，上覆載荷、巷道掘進及爆破振動等多種載荷易讓礦柱失穩，若條柱寬度過寬，條柱兩側孔網參數增大，爆破的消耗變大，大塊率也增大，帶來礦石的貧損和經濟指標。淺部原切頂層結構參數已不適應當前深部地應力環境采場，已無法提供安全的作業環境，存在極大的安全隱患。這不僅與地應力環境有關，還與切頂層的切頂聯道、切割槽的布置方式及鑿巖硐室、條柱尺寸有關。

本文以大紅山銅礦工程實際為例，在已有礦巖穩定性分級的成果上，運用面積載荷理論分析不同硐室、條柱尺寸安全系數，采用FLAC3D數值模擬分析采區內隨回采步驟的塑性區分布情況，分析采準切割和爆破回采時不同尺寸的條柱穩定性，確定切頂硐室的尺寸和切頂工程布置方式，優化采場切頂層結構參數。

1 工程概況

1.1 礦山概況

大紅山銅礦屬海底火山噴發沉積變質礦床，礦體呈緩傾斜-傾斜銅鐵多層平行產出，礦體厚度薄—中厚—厚大，形態與傾角變化較大，礦體及圍巖中等穩固，圍巖構造節理層理較發育。大紅山緩傾斜厚大礦體采用大盤區空場嗣后充填兩步驟連續采礦法[9]，該法在階段上將礦體劃分為礦房和礦柱，階段之間不留設礦柱、礦塊間不留設間柱，兩步驟連續全面回采。一步驟超前回采礦柱并膠結充填形成支撐框架，支撐再造礦房回采環境，并二步回采礦房嗣后尾砂非膠結充填以節約成本。采場沿礦體走向布置，采準系統采用上盤頂部切頂層切頂，沿礦體走向在礦體下盤布置塹溝，下盤底部出礦的分段布置模式(圖1)。采場頂部切頂層以鑿巖工程為主，上盤切頂聯道分段聯絡，礦房頂部沿礦體傾向上布置切頂硐室，兩個硐室之間寬度為切頂條柱寬度。

圖1 沿走向布置的空場嗣后充填采礦法Fig.1 Open stope subsequent filling mining method arranged along the strike

1.2 切頂布置

階段空場嗣后充填法在頂部切頂層布置切頂聯道、切頂硐室、鑿巖切割等工程，切頂層的穩定性對于現場作業與采場十分重要。切頂層鑿巖硐室布置大直徑深孔炮孔，為了保證鑿巖硐室的安全穩定性，在切頂層內留礦柱、留條柱和留點柱3種形式[10]。留設形式有沿礦塊長度方向的“一字型”礦柱、沿寬度方向“梳型礦柱”和“點柱”礦柱[11]。大紅山礦房頂部切頂布置長條式梳型礦柱(圖2)，切頂層高度3.3 m，硐室寬度3 m。鑿巖設備采用銅陵產的T150型鑿巖臺車，鉆165 mm孔徑垂直下向的大直徑深孔，條柱寬度設計為3 m?，F285中段某一礦房施工頂部鑿巖硐室時，頂部切頂層條柱失穩(圖3)?，F在的切頂工程布置與深部采場不匹配，在原有采場參數上，對礦房頂部切頂層的參數結構尺寸進行優化，用面積載荷理論計算和數值模擬進一步驗證。

1—充填巷；2—切頂聯道；3—切頂硐室；4—下向孔；5—硐室間條柱；6—切割槽硐室；7—切割天井；8—盤區礦柱；9—充填小井；10—充填小聯道；11—扇形孔；12—扇形孔與下向孔交界處；13—采準干線；14—出礦進路；15—塹溝圖2 切頂工程與塹溝布置Fig.2 Top cutting engineering and trench layout

圖3 礦房條柱破壞形式Fig.3 Failure mode of chamber pillar

2 礦柱穩定性分析

2.1 礦柱載荷

礦柱面積承載理論現在被廣泛運用于礦柱的穩定性分析，該機理認為礦柱所承受的載荷為開采影響范圍內塑性區上覆巖體重力，結合大紅山銅礦采場切頂層條柱的布置方式(圖4)，即條柱載荷為單一條柱自身的面積和分攤的開采空區面積之和：

σpWpWL=(W0+WP)WPz

(1)

式中：σp為條柱軸向平均應力，MPa；Pz為開采范圍塑性區上覆巖體厚度的垂直應力，MPa；W0為鑿巖硐室的寬度，m；WP為條柱的寬度，m；W為采場的跨度，m；WL為沿礦體走向條柱的長度，m。

圖4 條柱承載計算示意圖Fig.4 Schematic diagram of column load calculation

鑿巖硐室與切頂聯道掘進后，鑿巖硐室上方頂板圍巖形成一個小的普氏拱，發展到一定程度后，相鄰空間上方較小的平衡拱逐漸合并形成一個大的平衡拱(圖5)，即在切頂工程上部形成半徑為RP的塑性區的拱。結合解卡斯特納方程[12]，可得到切頂層上方塑性區的半徑RP：

圖5 條柱承載機理分布Fig.5 Bearing mechanism distribution of columns

(2)

式中：R0為開挖半徑，m；P0為開挖處的垂直自重應力，MPa；c為巖體內聚力，MPa；φ為巖體內摩擦角，(°)。

計算時等效開挖半徑可近似替換開挖半徑，即不同斷面形狀的外接圓半徑替換：

(3)

式中：h為條柱高度，m；L為采場長度，m。由大紅山深部地應力研究結果可知，開挖處的垂直自重應力P0為σv=0.0271H-0.0514；H為采場埋深，m。

根據上述分析，PZ為開采范圍圍巖塑性區內巖體自重對條柱的壓力，而與塑性區外其他巖體無關。將半徑RP塑性區的圓簡化為高RP矩形，PZ=γ(RP-h/2)，聯系上式可知條柱的軸向平均應力：

(4)

2.2 礦柱承載強度

礦柱的穩定性，不僅與礦柱本身的斷面面積有關，也與礦柱的高厚比密切相關?？紤]礦柱的尺寸效應，在厚度不變的條件下，高度越高，強度就越低。1967年OBERT和WANG[11]基于彈性力學理論提出了寬高比1～8的礦柱強度公式：

(5)

式中：σm為原位臨界立方體單軸強度，MPa；SP為礦柱強度，MPa；Wp為礦柱寬度，m；h為礦柱高度，m。

安全系數是礦柱的承載極限強度與礦柱的抗壓力之比：

(6)

3 合理礦柱尺寸設計

根據對礦柱安全系數因素進行分析，影響礦柱的因素有礦柱的軸向平均抗壓強度、沿礦體走向采場長度、采場跨度、采場埋深、鑿巖硐室寬度、條柱高度、條柱寬度等，在大紅山深部285采場，礦房沿采場走向布置，采場走向70 m，跨度25 m，礦房高度70 m，結合表1巖石力學參數對二步驟采場選取不同的條柱寬度進行安全系數計算，可得條柱寬度的安全系數表2。若鑿巖硐室寬度3 m，爆破參數：排距3～6 m，孔距4～6 m，條柱大于4 m時爆破效果差，大塊率增大。在深部地應力等條件下將鑿巖硐室寬度設計為3.5 m，調整爆破的排距與孔距，切割槽內拉槽孔孔網參數孔距和排距都為2 m，減少對條柱的破壞，故同時條柱邊孔施工鑿巖42 mm炮孔，孔距1 m，采用大抵抗線、小孔距的光面爆破。礦房底部V形塹溝中采用SIMBAR1354施工垂直扇形孔布置，孔深控制在20 m內，孔底距1.6～2.2 m。由于切頂聯道布置在礦房中間與端部的斷面是一致的，安全系數不能驗算聯道布置方式的影響，進而確定切割槽拉槽后一次爆破和分次爆破回采對條柱的影響，采用數值模擬對不同切頂層布置方式下的采場進行穩定性分析。

表1 計算巖石力學參數選取結果表

表2 深部不同條柱的安全系數

4 數值模擬計算

4.1 模擬方案

在大紅山銅礦深部高應力環境下，鑿巖硐室寬度3.5 m，對大盤區頂部切頂層條柱寬度在3.5、4、4.5 m參數下進行數值分析與驗證，改變切割槽及切頂聯道布設方式，形成數值模擬方案(表3)，利用控制變量法分析不同方案中條柱在礦房回采過程中的破壞形式及范圍，對切頂層條柱的穩定性進行對比分析，在保證作業安全及滿足設備作業條件的基礎上，提出切頂層的最優采場結構參數、切割槽及切頂聯道合理布設位置。

表3 切頂層工程優化設計數值模擬方案

4.2 模型構建

采場幾何模型長度70 m，寬度25 m，高度70 m，顯示切頂層布置已完成和采場結構尺寸如圖6所示?？紤]采場開挖對圍巖的影響，根據圣維南原理，周邊及底部按盤區尺寸的三倍建圍巖，頂部距離地表800 m，按照比例1∶1建立長×寬×高為490 m×175 m×1 080 m的計算模型。本次模擬分多步驟開挖，分為采準、切割拉槽、側崩回采3個階段。

圖6 采場數值模型Fig.6 Numerical model of stope

4.3 賦值條件

4.3.1 初始地應力場

數值模擬的應力按照大紅山銅礦深部地應力進行賦值，地應力的大小與埋藏深度成正相關，最大水平主應力σhmax、最小水平主應力σhmin和垂直主應力σv隨深度呈近似線性增長關系，擬合回歸關系式如式(7)所示：

σhmax=0.0586H-0.0223

σhmin=0.0393H-1.0035

σv=0.0271H-0.0514

(7)

式中：H為測點埋深，m。

4.3.2 模型邊界條件

本構模型采用Mohr-Coulomb為巖體的破壞準則，模型底部和四周固定速度約束，切頂聯道、切頂硐室和回采考慮為空模型，計算時直接開挖。

4.4 計算結果分析

對于大盤區空場嗣后充填兩步驟連續采礦法采場結構參數優化研究，只改變上部切頂層布置方式與結構尺寸參數，故計算模型外形尺寸一致。根據FLAC3D數值模擬結果，主要針對采準切頂拉槽和爆破回采兩方面的條柱穩定性分析：上部切頂聯道和切頂硐室形成時，切頂層各條柱是否能夠提供安全的鑿巖爆破作業環境；當切頂工程施工結束，下部盤區進行部分爆破，剩余的各條柱能否繼續提供安全穩定的作業環境直至整個盤區完全爆破。由于篇幅有限，未將所有方案隨回采時條柱數值模擬結果一一列出，僅列舉各個方案切頂工程已形成，且四周邊界為圍巖及礦體時礦房第一次回采開挖時的條柱穩定性分析數值模擬結果布置。

4.4.1 切頂鑿巖硐室最優參數

鑿巖硐室跨度3.5 m、切割槽位于西側(一側)、切頂聯道位于南側(一側)，根據不同條柱寬度的礦房第一次回采條柱塑性區分布與不同寬度條柱隨回采步驟的塑性區占比可知(圖7)：礦房切割槽拉槽后，條柱寬度3.5 m時臨近采空區的兩條柱已破壞，條柱寬度4 m與4.5 m時臨近采空區的一條柱破壞失去承載能力；隨著礦房回采的推進，條柱寬度4 m時塑性區占比已高達94%，而條柱4.5 m時的塑性區占比不超過48%。條柱寬度越寬，條柱穩定性越好，若繼續增大條柱的寬度，條柱兩側孔網參數隨之增大，大塊率隨之升高。在條柱4.5 m的情況下，有效承載寬度達到2.7 m，可保證采場的穩定性。

圖7 條柱寬度綜合對比分析Fig.7 Comprehensive comparative analysis of column widths

4.4.2 切頂聯道最佳布置

條柱寬度4.5 m只改變切頂聯道布置方式時的條柱安全系數是相同的，切頂聯道位于礦房中間(方案4)與同尺寸、切頂聯道位于礦房南側(方案3)相比(圖8、圖9)：切頂聯道布置在礦房中間的

圖8 切頂聯道位置綜合分析Fig.8 Comprehensive analysis on the position of top cutting Lane

圖9 切頂聯道位置塑性區占比分析Fig.9 Analysis of plastic zone ratio at the position of top cutting lane

條柱暴露面積幾乎增大一倍，且塑性區占比隨回采步驟推進也普遍變大。當切頂聯道位于礦房一側時，切頂層條柱穩定性較好。

4.4.3 切割槽最佳布置

在條柱寬度4.5 m只改變切割槽布置的情況下，切割槽在礦房的中部(方案5)與同尺寸、切割槽位于礦房端部(方案3)相比(圖10、圖11)：礦房由中間向兩側回采時，礦房內有兩個暴露面，切割槽布設在礦房中部的臨近采空區的破壞條柱數量增大一倍，且隨著回采步驟的條柱暴露側的塑性區占比也增大一倍。當切割槽布設于礦房端部時，切頂層條柱穩定性較好。

圖10 切割槽位置塑性區占比分析Fig.10 Analysis of proportion of plastic zone in cutting groove position

圖11 切割槽位置綜合分析Fig.11 Comprehensive analysis of cutting groove position

5 結論

本文以大紅山銅礦深部高階段空場嗣后充填采場頂部切頂鑿巖硐室穩定性為研究背景，采用理論分析與數值模擬相結合的手段，取得以下研究成果：

1)深部回采力學環境下，大紅山銅礦高階段采場頂部按原設計結構參數布置切頂鑿巖工程，硐室兩側條柱破壞嚴重，有效支撐寬度較小，硐室安全性較差，不滿足安全生產的要求。

2)理論分析結果與數值模擬分析結果表明，硐室寬度滿足鑿巖臺車作業寬度3.5 m條件下，條柱寬度應設計為4.5 m，既保證了條柱及硐室的穩定性，又將條柱兩側炮孔排距控制在最小抵抗線以內。

3)切頂聯道布置在礦房中部，增大了硐室開口處頂板的暴露面積，同時同排條柱增加了一個暴露面，不利于硐室和條柱的穩定，宜將其布置在礦房寬度方向的端部。

4)切割槽布置在礦房中部，自切割槽形成后，臨近采空區條柱數量增加，且條柱穩定性較差，對臨近采空區鑿巖硐室影響較大，宜將切割槽布置在礦房長度方向的端部。

5)現場工業實踐表明，按上述結構參數設計的切頂鑿巖工程，在深部高地應力環境下滿足安全作業的要求。