自然崩落法底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)研究

者亞雷 侯克鵬 程 涌 楊八九

(云南亞融礦業(yè)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(yīng)力發(fā)生改變，朝著礦體破壞、冒落的方向發(fā)展[1]。拉底工作是該采礦方法開展的首要任務(wù)，對(duì)落礦的成功與否起著決定性作用。拉底擾動(dòng)所引起的次生應(yīng)力，使礦體原有的穩(wěn)定狀態(tài)不能夠繼續(xù)維持，達(dá)到最終冒落，其中構(gòu)造應(yīng)力的作用是主要的動(dòng)力[2]。因此，研究拉底過程及不同構(gòu)造應(yīng)力條件下，底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)礦山生產(chǎn)具有重要意義。

本項(xiàng)目以普朗銅礦自然崩落法為研究背景，由于受地理環(huán)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(jié)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(shí)對(duì)周圍巖體的破壞最小；最后在時(shí)間上盡可能快地推進(jìn)到崩落水力半徑，開始崩落，以減少拉底的集中應(yīng)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(guān)巷道的掘進(jìn)順序，拉底推進(jìn)線、出礦巷道掘進(jìn)推進(jìn)線和出礦推進(jìn)線等的相對(duì)位置，拉底推進(jìn)的起始點(diǎn)和推進(jìn)方向，拉底的推進(jìn)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(guān)鍵，同時(shí)也與底部結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。拉底的形式和時(shí)間對(duì)底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要的影響，主要是因?yàn)樵诶淄七M(jìn)前方附近誘導(dǎo)應(yīng)力高度集中。采用不同的拉底工藝，底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)也不同，應(yīng)力集中與釋放區(qū)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(cè)后退式回采。采用前進(jìn)式拉底方式，即先完成拉底工作，然后再進(jìn)行出礦巷道、出礦點(diǎn)、聚礦槽的施工。此拉底方式，出礦水平的施工都是在拉底應(yīng)力釋放后進(jìn)行的，因此更有利于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2 拉底過程中底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

拉底工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，拉底形狀、順序、推進(jìn)速度、高度等對(duì)自然崩落法的成敗起著關(guān)鍵作用，反過來崩落與出礦對(duì)拉底也會(huì)產(chǎn)生反作用。本項(xiàng)目主要研究不同拉底長(zhǎng)度時(shí)，底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)變化情況。

底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)主要受拉底過程控制，距離拉底推進(jìn)線不同位置的底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)隨之變化。總的變化規(guī)律是：當(dāng)拉底推進(jìn)線到距離底部結(jié)構(gòu)一定距離內(nèi)時(shí)，后者的應(yīng)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(shù)值模擬軟件，計(jì)算分析在拉底寬度固定的條件下，9種不同拉底推進(jìn)尺寸，底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，最大主應(yīng)力云圖示意見圖1。

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

從圖1中可以看出，進(jìn)行拉底工作后，拉底空間頂、底4個(gè)角的位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)拉底推進(jìn)尺寸小于40 m，即拉底長(zhǎng)度小于80 m時(shí)，應(yīng)力得不到充分釋放，底部結(jié)構(gòu)整體處于一個(gè)較高的應(yīng)力區(qū)，這時(shí)如果開挖聚礦槽，不利于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。隨著推進(jìn)尺寸的增大，拉底底部在距離推進(jìn)線一定范圍外應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失，因此認(rèn)為在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聚礦槽的施工是相對(duì)有利的。通過圖上測(cè)量得出，這個(gè)距離大約在30 m左右。因此，可以得出聚礦槽的施工應(yīng)該滯后于拉底推進(jìn)線30 m左右。

3 不同構(gòu)造應(yīng)力條件下底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

巖體中包含的各種軟弱結(jié)構(gòu)面是巖體發(fā)生崩落的自然因素，而地應(yīng)力及其作用方式則是實(shí)施巖體崩落的決定性動(dòng)力條件[5]。因此，研究地應(yīng)力對(duì)底部結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)后續(xù)礦體的高效、安全開采具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

通過現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力實(shí)測(cè)測(cè)量，得知該礦山構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主。出礦水平最大主應(yīng)力值為17.69 MPa，近似水平且垂直于礦體走向，中間主應(yīng)力值為11.85 MPa，水平方向與礦體走向平行，最小主應(yīng)力為垂直應(yīng)力。

在上述模型的基礎(chǔ)上，研究以下4種不同構(gòu)造應(yīng)力條件下拉底區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)：①無構(gòu)造應(yīng)力；②構(gòu)造應(yīng)力為實(shí)測(cè)值的1/2；③構(gòu)造應(yīng)力為實(shí)測(cè)值；④構(gòu)造應(yīng)力為實(shí)測(cè)值的1.33倍。模型先開挖出礦穿脈、拉底巷道、裝礦進(jìn)路3種巷道，待上述巷道開挖完后再進(jìn)行拉底和聚礦槽的施工。

3.1 最大主應(yīng)力

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

當(dāng)不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力和考慮水平構(gòu)造應(yīng)力為實(shí)測(cè)值的1/2時(shí)，拉底頂部及底部都有明顯的應(yīng)力釋放區(qū)域，不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的釋放區(qū)域較考慮水平構(gòu)造應(yīng)力為實(shí)測(cè)值的1/2時(shí)的大。當(dāng)考慮實(shí)測(cè)水平構(gòu)造應(yīng)力及考慮水平構(gòu)造應(yīng)力為實(shí)測(cè)值的1.33倍時(shí)，拉底底部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離底部結(jié)構(gòu)。

圖2 不同水平構(gòu)造應(yīng)力底部結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力圖Fig.2 Maximum principal stress of the bottom structure with different horizontal tectonic stress

因此，當(dāng)垂直應(yīng)力較水平力大時(shí)，有利于礦石的崩落，而當(dāng)兩者相差不多時(shí)，有利于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.2 最小主應(yīng)力

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

拉底空間形成后，頂板將會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，拉底底部則出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)域。隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大，拉低頂板拉應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，拉底底部應(yīng)力釋放區(qū)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(shí)，自重應(yīng)力與水平構(gòu)造應(yīng)力之間的大小關(guān)系，將對(duì)礦石的崩落與底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響。

圖3 不同水平構(gòu)造應(yīng)力底部結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力圖Fig.3 Minimum principal stress of the bottom structure with different horizontal tectonic stress

4 結(jié) 論

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)普朗銅礦自然崩落法拉底過程及不同構(gòu)造應(yīng)力條件下，底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)距離拉底推進(jìn)線30 m的范圍外底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放，此時(shí)有利于聚礦槽的施工。

(2)當(dāng)垂直應(yīng)力較水平力大時(shí)，有利于礦石的崩落，而當(dāng)兩者相差不多時(shí)，有利于底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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