自然崩落法底部結構應力狀態研究

者亞雷 侯克鵬 程 涌 楊八九

(云南亞融礦業科技有限公司，云南 昆明 650093)

自然崩落法是在開采礦體出礦水平上部，通過拉底形成一定的冒落空間，在有需要的情況下，施加輔助工程，使原巖應力發生改變，朝著礦體破壞、冒落的方向發展[1]。拉底工作是該采礦方法開展的首要任務，對落礦的成功與否起著決定性作用。拉底擾動所引起的次生應力，使礦體原有的穩定狀態不能夠繼續維持，達到最終冒落，其中構造應力的作用是主要的動力[2]。因此，研究拉底過程及不同構造應力條件下，底部結構的應力狀態，對礦山生產具有重要意義。

本項目以普朗銅礦自然崩落法為研究背景，由于受地理環境條件限制，該礦山不能采用露天開采。且因其礦石品位低，礦體厚大，傾角近乎垂直，崩落空間充裕，礦巖易崩落，礦石無自燃和黏結性，地表容許塌陷等，使自然崩落法有可能成為該礦山的一種較為理想的采礦方式。

1 拉底影響因素及重要性

拉底的作用主要是：首先為礦石崩落形成足夠的空間尺寸，以使礦石能在自身重力下崩落；其次在形成的初始崩落時對周圍巖體的破壞最小；最后在時間上盡可能快地推進到崩落水力半徑，開始崩落，以減少拉底的集中應力。拉底雖然只是礦體的切割工作，但其影響因素很多，主要包括：拉底方式，拉底相關巷道的掘進順序，拉底推進線、出礦巷道掘進推進線和出礦推進線等的相對位置，拉底推進的起始點和推進方向，拉底的推進速度，拉底高度及三維空間形狀。

拉底的好壞是自然崩落法成功與否的關鍵，同時也與底部結構直接相關。拉底的形式和時間對底部結構的穩定性有著重要的影響，主要是因為在拉底推進前方附近誘導應力高度集中。采用不同的拉底工藝，底部結構的應力狀態也不同，應力集中與釋放區域所引起的破壞也不同[3]。

由于普朗銅礦屬于超厚大型礦體，且礦體中部礦石品位較高，往四周逐漸降低，因此拉底初始開刀位置位于礦體中間，垂直走向往兩側后退式回采。采用前進式拉底方式，即先完成拉底工作，然后再進行出礦巷道、出礦點、聚礦槽的施工。此拉底方式，出礦水平的施工都是在拉底應力釋放后進行的，因此更有利于底部結構的穩定。

2 拉底過程中底部結構應力狀態

拉底工作是一項復雜的系統工程，拉底形狀、順序、推進速度、高度等對自然崩落法的成敗起著關鍵作用，反過來崩落與出礦對拉底也會產生反作用。本項目主要研究不同拉底長度時，底部結構的應力狀態變化情況。

底部結構的應力狀態主要受拉底過程控制，距離拉底推進線不同位置的底部結構應力狀態隨之變化。總的變化規律是：當拉底推進線到距離底部結構一定距離內時，后者的應力受拉底影響開始增加，增加的幅度隨兩者之間的距離縮短而增加[4]。采用FLAC3D數值模擬軟件，計算分析在拉底寬度固定的條件下，9種不同拉底推進尺寸，底部結構的應力情況，最大主應力云圖示意見圖1。

圖1 不同拉底推進尺寸剖面1最大主應力圖Fig.1 Main principal stress of section 1 with different undercutting dimension

從圖1中可以看出，進行拉底工作后，拉底空間頂、底4個角的位置出現明顯的應力集中現象。當拉底推進尺寸小于40 m，即拉底長度小于80 m時，應力得不到充分釋放，底部結構整體處于一個較高的應力區，這時如果開挖聚礦槽，不利于底部結構的穩定。隨著推進尺寸的增大，拉底底部在距離推進線一定范圍外應力得到釋放，應力集中現象逐漸消失，因此認為在這個區域內進行聚礦槽的施工是相對有利的。通過圖上測量得出，這個距離大約在30 m左右。因此，可以得出聚礦槽的施工應該滯后于拉底推進線30 m左右。

3 不同構造應力條件下底部結構應力狀態

巖體中包含的各種軟弱結構面是巖體發生崩落的自然因素，而地應力及其作用方式則是實施巖體崩落的決定性動力條件[5]。因此，研究地應力對底部結構的影響，對后續礦體的高效、安全開采具有理論指導意義和實際應用價值。

通過現場地應力實測測量，得知該礦山構造應力以水平應力為主。出礦水平最大主應力值為17.69 MPa，近似水平且垂直于礦體走向，中間主應力值為11.85 MPa，水平方向與礦體走向平行，最小主應力為垂直應力。

在上述模型的基礎上，研究以下4種不同構造應力條件下拉底區域的應力狀態：①無構造應力；②構造應力為實測值的1/2；③構造應力為實測值；④構造應力為實測值的1.33倍。模型先開挖出礦穿脈、拉底巷道、裝礦進路3種巷道，待上述巷道開挖完后再進行拉底和聚礦槽的施工。

3.1 最大主應力

如圖2(a)所示，當不考慮水平構造應力和考慮水平構造應力為實測值的1/2時，拉底區域應力以豎直應力為主，應力集中區域出現在拉底拱角位置，并向拉底外部圍巖延伸;當水平構造應力取值越小時，應力集中程度越大，且應力集中區域向外延伸的范圍越廣。如圖2(b)所示，當考慮實測水平地應力及考慮水平地應力為實測值的1.33倍時，拉底區域應力以水平應力為主；由于水平應力的擠壓作用，應力集中區域從拉底拱角位置向拉底空間延伸，水平構造應力越大時，應力集中程度越大延伸范圍越廣。

當不考慮水平構造應力和考慮水平構造應力為實測值的1/2時，拉底頂部及底部都有明顯的應力釋放區域，不考慮水平構造應力的釋放區域較考慮水平構造應力為實測值的1/2時的大。當考慮實測水平構造應力及考慮水平構造應力為實測值的1.33倍時，拉底底部有應力集中現象，隨著水平構造應力的增大，應力集中區域逐漸遠離底部結構。

圖2 不同水平構造應力底部結構最大主應力圖Fig.2 Maximum principal stress of the bottom structure with different horizontal tectonic stress

因此，當垂直應力較水平力大時，有利于礦石的崩落，而當兩者相差不多時，有利于底部結構的穩定。

3.2 最小主應力

如圖3(a)所示，當只考慮自重應力時，應力集中區域從拉底拱角位置近似水平的向外延伸，當考慮水平構造應力時，由于水平應力的擠壓作用，應力集中區域逐漸向上延伸，水平構造應力越大，則延伸的高度越高。

拉底空間形成后，頂板將會出現拉應力區域，拉底底部則出現應力釋放區域。隨著水平構造應力的增大，拉低頂板拉應力區域逐漸減小，拉底底部應力釋放區域也逐漸減小,如圖3(b)所示。

綜上所述，采用自然崩落法采礦時，自重應力與水平構造應力之間的大小關系，將對礦石的崩落與底部結構的穩定性有著重要影響。

圖3 不同水平構造應力底部結構最小主應力圖Fig.3 Minimum principal stress of the bottom structure with different horizontal tectonic stress

4 結 論

通過FLAC3D數值模擬軟件，對普朗銅礦自然崩落法拉底過程及不同構造應力條件下，底部結構的應力狀態進行分析，得出以下結論：

(1)距離拉底推進線30 m的范圍外底部結構應力釋放，此時有利于聚礦槽的施工。

(2)當垂直應力較水平力大時，有利于礦石的崩落，而當兩者相差不多時，有利于底部結構的穩定。

[1] 唐業茂，曾曉文.自然崩落采礦法技術應用探討[J].有色金屬：礦山部分，2010，62(3)：9-10.

Tang Yemao，Zeng Xiaowen.Discussion on the application of block caving mining method[J].Nonferrous Metals：Mine Section,2010，62(3)：9-10.

[2] 袁海平，曹 平.我國自然崩落法發展現狀與應用展望[J].金屬礦山,2004(8)：25-28.

Yuan Haiping，Cao Ping.Present status of block caving development and its application prospect in China[J].Metal Mine,2004(8)：25-28.

[3] 張傳信，吳少華.自然崩落法底部結構穩定性的研究[J].有色礦冶,1995(4)：20-24.

Zhang Chuanxin，Wu Shaohua.Study on the bottom structure stability of natural caving method[J].Nonferrous Mining and Metallurgy,1995(4)：20-24.

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Ding Yimin.Study on the stress distribution of the bottom structure of natural calving method[J].Nonferrous Metals：Mine Section，1995(3)：20-25.

[5] 馬春德，李夕兵,等.自然崩落法礦山深部地應力場分布規律的測試研究[J].礦冶工程,2010,30(6)：10-14.

Ma Chunde，Li Xibing,et al.Research on in-situ stress distribution in deep mine with natural caving method[J].Mining and Metallurgical Engineering，2010,30(6)：10-14.