深部高應力條件下無底柱分段崩落采礦法的應用

劉 東，郭進平(西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055)

深部高應力條件下無底柱分段崩落采礦法的應用

劉 東，郭進平
(西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西 西安 710055)

隨著淺部資源的逐漸枯竭，金屬礦山不得不面臨向深部勘探開采資源的工作。受深部巖體高應力存在的影響，淺部開采的采場結構布置在深部適用性很低。本文根據深部巖體應力的存在以及變化情況，結合深部采場圍巖變形規律、地壓顯現問題，論述了在高應力條件下科學合理的應用無底柱分段崩落法采礦工藝，以實現有效控制地壓，達到卸壓開采，順利回采礦塊的目的。

無底柱分段崩落法；高應力；回采順序；卸壓

礦山進入深部高應力區開采是未來幾十年內我國礦業發展的必然趨勢。江蘇南京的梅山鐵礦、湖北鄂州程潮鐵礦等都已開始計劃或已經進入礦體的深部開采。礦山進入深部開采環境，即面臨著高應力、高溫度、高井深等一系列問題，適用于淺部礦體的開采技術已經不適合深部開采。高應力條件下的硬巖無底柱分段崩落法開采深部盲礦體時，因地壓顯現造成的巖爆、巷道失穩、頂板垮冒等一系列問題都是淺部的采礦工藝無法解決的。深部高應力區礦塊的回采實質上是卸壓開采的問題，采取科學合理的卸壓開采方式是保證礦山人員、設備安全以及正常生產的關鍵。本文結合工程實例，針對金屬礦山所面臨的高應力區域礦塊回采問題列舉出了一些有針對性的卸壓開采方案，使生產單位做到安全有序的采礦，避免因高應力問題給礦山開采帶來危害。

1 深部巖體應力的存在及變化情況

1.1 深部原巖應力的存在情況

深部高應力的產生主要有三方面因素構成，一是垂直方向上的原巖因自重所引起的應力變化；二是因地下施工擾動所引起的應力集中；三是存在于巖體內部的原有構造應力[1]。受高應力影響深部巖體承受了一部分預應力，巖體內部聚集一定的勢能，當受一定擾動等因素干擾，這些勢能會轉換成動能，給施工帶來危害。

1.2 深部原巖應力的變化情況

在對深部礦體進行采礦設計時，必須對深部地應力的大小以及方向有所了解，一般隨著深度的增加垂直方向應力會呈線性增大的趨勢，水平方向應力變化趨勢難以監測。Brady和Brown曾經給出了各國垂直和水平地應力隨深度增加的變化規律，結論是隨著埋深的增加，垂直應力的變化為每1km大約增加26MPa[2]。

1.3 采深與應力變化的關系

以安徽銅陵冬瓜山銅礦為例，該礦大部分礦體埋深地下600m到1000m。根據文獻[3]記載，隨著深度的下降，應力值呈線性增加趨勢，大約在地下730m處，應力值約為30～40MPa，而且垂直方向上的應力大致和上覆巖層重力相等。

2 深部采場的圍巖變形及地壓顯現

2.1 圍巖變形

深部采場圍巖的變形主要呈現兩種形式即連續性和非連續性[4]。在高應力影響下，采場圍巖主要發生彈性、塑性和蠕變性變形。并且受崩落頂板和剝離層因素影響，頂板覆蓋層劃分成三個區域：裂隙區、垮落區和變形下降區，前兩個區域為不連續變形，后者為連續變形。

2.2 地壓變化規律

深部采場環境下，應力的存在區域主要由升高區和下降區構成。采場的支承壓力帶主要是應力升高區；卸壓區域即應力下降的區域。采場周圍的應力擾動帶主要是指破裂帶、松弛帶和壓縮帶[4]。同時，與原巖構造應力并存的還有爆破施工引起的瞬時壓力以及頂板巖層崩落后巖石破碎擠壓所產生的動態地壓。

2.3 地壓顯現對深部采場的影響

深部開采最大的安全隱患就是地壓顯現問題，隨著深度的不斷下降采動地壓會逐漸顯現出來，巷道的變形、垮冒等危害不但會直接導致出礦量下降，也會影響到采準和備采礦量，造成上下采場生產順序銜接不上，嚴重危害生產。引起地壓顯現問題的最主要因素有兩個：一是對地下高應力區礦巖松散破碎變形規律沒有足夠認識；二是不合理的回采順序。山東的小官莊鐵礦采用無底柱分段崩落法回采工藝生產，隨著開采深度的下降，地壓顯現問題日趨嚴重，導致出礦量連設計能力的三分之一都沒達到[5]。

3 深部條件下崩落法的回采順序

3.1 采場結構的合理布置

無底柱分段崩落法的鑿巖、崩礦和出礦等工作均在回采巷道里進行，階段高度一般在40～70m，分段高度一般為10m，各分段自上而下進行回采作業。上下分段回采巷道一般采用菱形交錯布置，有利于回收脊部殘存的礦石。根據地壓活動規律，受橫向和縱向采動范圍的影響，在進路回采作業時，應合理調整采場結構參數，加大分段高度和進路間距。

采用高分段大間距大大減小了礦山采掘工程量，降低了采礦成本，最重要的是顯著改善了巷道內應力集中問題，提高了主要巷道的穩定性。由于支撐礦柱的存在使得壓力至上而下進行傳遞，增大進路間距意味著減少了支撐的礦柱數量，同時有利于對碎裂巖體提供較大的支撐，以減少因上分段回采對下分段進路支承壓力的影響，同時利于巷道的維護。

我國第一個采用高分段大間距理論采礦方法的礦山是云南玉溪的大紅山鐵礦，根據室內相似模擬實驗得出工業放出體形態以此計算確定合理的采掘參數。當分段高度為15m，進路間距為20m時，適宜的放礦步距為4.5～5.0m；達到20m×20m時，最優步距為5.5～6.0m[6]。

3.2 回采順序

因地壓存在所帶來的影響是客觀存在的，因此，在采場結構參數一定的情況下，科學合理的回采順序是解決高應力區礦塊回采的關鍵，對減小或避免應力集中或疊加所帶來的危害起著非常重要的作用。

馬鋼桃沖鐵礦一、二中段采用了礦房法、分層崩落法、淺孔留礦法等工藝進行回采作業，進入三分段后開始全面采用無底柱分段崩落法工藝回采，進路按照垂直礦體走向布置，采用由上到下的回采順序。變換采礦方法后中區礦段受地壓顯現問題影響存在以下四個問題：巷道變形受損問題日趨增多；產量下降；作業安全受到嚴重影響；生產順序不合理，采掘失調[7]。

針對上述問題，桃沖鐵礦對回采順序進行了合理調整，原則上堅持兩點：嚴格遵循設計要求進行回采作業；根據不同采區的應力觀測結果合理設計回采順序。具體細節有以下幾點：①位避免高應力區礦塊應力疊加采用前進式回采，達到應力削減與轉移的目的；②對于穩固性差的巷道區域先進性回采，減少巷道服務時間；③兩相鄰回采進路的垂直間距控制在10m以內。

4 卸壓開采

4.1 卸壓開采的理論依據

卸壓開采是解決崩落法開采深部礦體問題最為行之有效的方法之一，它是在合理確定回采順序的前提下進行的，如何合理有效的卸掉壓力對減少礦量損失有著重大意義。研究表明，深部圍巖不管是發生脆性破壞或者延性破壞都和巖性還有其所受的應力狀態有關系，正是由于二者之間的比例失穩導致巖體發生破壞，雖然巖體性質是客觀因素，但通過一些人為的工程措施我們可以實現應力的轉移和變化。

根據巖體力學理論，深部地層一旦有空間構成或者巖層軟化現象出現，原始的應力平衡狀態就會被打破，大部分原巖應力就會集中到未被擾動的區域即一些較硬的巖體，這樣就導致了地下應力的分布會出現升高區與降低區的現象[8]。卸壓開采就是根據應力集中和應力轉移原理，將采區頂板上方的壓力通過卸壓工程轉移到四周圍巖中，避免采區出現過高的應力集中，對安全作業構成危害。

4.2 卸壓開采方案的選擇

合理的卸壓方案原則上應與礦山所采用的采礦工藝相結合，不會影響到原有的采礦順序，且工藝性、施工性、穩定性都應經濟合理。

4.2.1 正常回采卸壓

在高應力區的無底柱分段崩落法中，可能產生的危險即地壓顯現或巖爆，在施工工藝環節，在于集鑿巖、落礦和礦石運搬出礦為一體的進路的采準和進路端部的拉槽切割工程施工，這幾個工序在施工過程中有可能會產生巖爆；當進路端部切割槽形成后，從卸壓理論來看實際上已經起到切槽泄壓的作用，并且上部是松散覆蓋層，高應力問題已經大大消減。

對于急傾斜礦體來說，無底柱分段崩落法回采工藝在進行首分段采掘后，對于下分段而言已經實現了一定程度的卸壓；在緩傾斜礦脈雖然實現了部分卸壓，但隨著回采分層的下降，卸壓范圍也逐步擴大。因此，在深部高應力區域采用無底柱分段崩落法工藝回采礦石最主要的問題就是能否順利實現首采分層的礦石回采工作。

4.2.2 施工卸壓

4.2.2.1 頂板卸壓開采

卸壓的根本目的就是為了實現應力降低區域，根據巖體力學理論，采取放頂技術爆破一定厚度的巖層，從垂直和水平方向實現應力切斷，為下分段回采提供條件，該方法即全面頂板卸壓[9]。

位于河北省武安市境內的西石門鐵礦圍巖穩定性差，采動地壓大，采用傳統的支護方法難以維持正常的生產作業要求，地壓危害一直是該礦山的重大難題。該礦針對南區礦體采用誘導頂板冒落的卸壓方案，對一分層進行先采先掘，利用一分層的采空區隔斷了來自上部頂板的壓力，然后在進行后續的掘進施工工程。實踐證明，采用該方案卸壓之后礦石回收率平均為81.72%，貧化率為20.5%，相比之前礦石回收率提高3.19%，貧化率降低4.5%[10]。

4.2.2.2 強采支撐柱

劇烈的地壓活動會導致回采進路和切割鑿巖巷道受到破壞，嚴重地段有些巷道還會發生冒頂、垮落等嚴重危害作業安全的事故，存在斷層的頂板還會出現抽條冒落跡象，導致炮孔錯位。由于這些無法再利用的中深孔與已冒落地段在采空區存留有一定的礦柱，這些礦柱剛好形成一個應力的傳遞軸，導致上部的高應力自上而下進行傳遞，形成了高壓區，給生產單位造成很大麻煩。受限于上述錯綜復雜的因素，礦山一般都會采取強采支撐住的卸壓方案，以此形成一定范圍的應力降低區域，達到卸壓目的。同時需注意的是該方案對支護要求很高，采完礦柱必須馬上進行支護，而且支護強度必須一次性符合要求。

武鋼程潮鐵礦-290m以下0～8#勘探線由于垮冒留下的支撐住導致高應力自上向下傳遞，形成一個橫向跨度較大的高應力區域，回采進路和切割巷道都有所破壞，同時支撐住也影響到上覆巖層的正常塌落。據此，該礦山提出強采支撐柱的卸壓方案。實施該方案后，下分段不但能夠進行正常的采掘作業，還回收了大部分損失掉的礦量，同時大多數巷道的安全穩固程度也有所提高[11]。

4.2.2.3 卸壓巷道

巷道卸壓是根據圍巖固有的力學特性，通過利用圍巖的自穩能力達到有效治理深部巷道圍巖變形的一種技術方法[12]。該方法最大的特點就是在保護巷道的一側掘進卸壓巷道，使其充分吸收圍巖壓力，以至發生變形破壞；同時達到使支承壓力向深部圍巖轉移的目的，以此來改善保護巷道的受力狀態。結合采區頂板應力分布特點，卸壓巷道一般選擇布置在采空區應力較為集中的峰值附近[13]。影響布置卸壓巷道位置的因素主要有兩個：一是上下分段回采巷道位置的影響；二是下分段中深孔炮孔位置對卸壓巷道位置的影響。

4.2.2.4 爆破卸壓

爆破卸壓是指對有地壓顯現問題的危險區域通過施工爆破使巖層內部產生裂隙達到減緩應力集中的目的[14]。具體實施是在兩條進路之間鉆互相平行的中深炮孔，利用進路巷道作為爆破自由面進行卸壓爆破。炮孔參數一般由采場結構參數和礦巖性質決定，孔徑一般在65～90mm，孔深一般不超過25m[15]。

5 結 語

金屬礦山在進入深部開采之后，針對高應力區域的礦床開采本質問題就是如何合理的將存在礦巖內部的高應力卸掉或者進行轉移，以此降低因損害性地應力的存在對回采工作的影響，提高作業安全系數；同時，合理的回采順序也是降低地壓危害的主要技術措施，對高應力區域礦塊回采起著至關重要的作用。

[1] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16):2803-2813.

[2] 李夕兵，姚金蕊，宮鳳強.硬巖金屬礦山深部開采中的動力學問題[J].中國有色金屬學報，2011(10):2551-2564.

[3] 薛奕忠.冬瓜山銅礦床開采過程中巖爆問題的探討[J].中國礦山工程，2005，34(5):1-3.

[4] 孟兆蘭，彭濟明.高應力區礦塊的回采順序[J].礦山壓力與頂板管理，2001(4):60-62.

[5] 明世祥.小官莊鐵礦的巖石力學研究與應用[J].有色金屬：礦山部分，1995(4):10-14.

[6] 劉仁剛，王健，徐剛.高分段大間距無底柱分段崩落法在大紅山鐵礦的應用[J].現代礦業，2009，25(9):84-87.

[7] 張昌太.桃沖鐵礦無底柱分段崩落法采礦的地壓問題與控制方法[D].青島：中國海洋大學，2004.

[8] 明世祥，于言平.小官莊鐵礦采場地壓控制方法的研究[J].金屬礦山，2005(1):9-11，58.

[9] 王文杰，任鳳玉，周宗紅，等.姑山鐵礦后和睦山礦區卸壓開采方案研究[J].中國礦業，2006，15(9):52-55.

[10] 王海君，朱蘭洋.西石門鐵礦卸壓開采方案研究[J].中國礦業，2007，16(9):73-75，79.

[11] 周乃松.程潮鐵礦高應力區開采技術實驗的研究[J].化工礦物與加工，2006，35(11):24-27.

[12] 孫廣義.利用卸壓巷道技術控制深井回采巷道變形破壞[J].黑龍江科技學院學報，2012，22(3):211-214，201.

[13] 王文杰.高應力區巷道卸壓支護技術及應用[J].金屬礦山，2010，39(3):23-25，144.

[14] 楊永良，崔道品，李雅閣.控制巷道變形的卸壓爆破法[J].礦山壓力與頂板管理，2005(1):33-36.

[15] 單坤航，李樹鐘，梁漢軒.深孔爆破卸壓防止井下沖擊地壓研究[J].現代礦業，2011(3):12-15.

The application of no-pillar sublevel caving mining under the condition of the deep high stress

LIU Dong，GUO Jing-ping

(School of Materials Science & Mineral Resources，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

As the shallow resources are drying up，metal mines have to explorate mining resources in deep area.Influenced by high stress of rock mass in deep area，mining stope structure in shallow area is not quite suitable to the deep area.Based on the existence and changes of deep rock mass stress，and combined with the deformation rule of deep surrounding rock in the stope and the issue of ground pressure，this paper disscusses the way to scientifically and reasonably use sill-free sublevel caving mining method under the condition of high stress in order to effectively control the ground pressure，moreover，realizing the purpose of depressurized mining and extracting rocks sucessfully.

no-pillar sublevel caving；high stress；stoping sequence；depressurization

2015-02-15

TD853.36+2

A

1004-4051(2015)12-0109-03