深部金屬礦山卸壓開采研究

李學鋒 黃海斌 謝柚生 劉夢希

(廣西大學資源與冶金學院，廣西 南寧 530000)

隨著國民經濟的發展，礦產資源需求量不斷增加，淺部資源的逐漸枯竭迫使更多礦山轉入深部礦床開采，然而，深部資源的安全高效經濟開采一直是礦業界一個急需解決而又未能很好解決的關鍵問題[1-2]。礦山進入深部開采后，地應力明顯升高，給地下工程開拓、維護、控制提出了一系列嚴峻的挑戰[3]。隨著開采深度增大，地應力由淺部的線性向深部的非線性轉變，淺部重力場地應力向深部構造應力場轉變，已有的彈塑性力學理論不再適應深部地下工程[3]。深部圍巖特殊性將導致深部巖體在強度與變形的性質上與淺部顯著不同，圍巖內賦存的高地應力與圍巖低強度之間矛盾更加地突出，地下工程開挖之后圍巖發生猛烈的巖爆頻率增加，采場大面積失穩破壞迅速增加。

廣西某礦業公司深部105號礦體的安全開采，可有效緩解目前國際國內市場上錫、銻等金屬緊缺的局面，對發展我國的有色金屬工業有相當重要的意義，但要安全有效地開采105號礦體，目前面臨著一大采礦技術問題，即105號礦體在地質應力環境與巖體結構方面都具備發生巖爆的條件，在開采的過程中有發生巖爆的可能。本研究根據105號礦體的巖爆傾向性結果及礦區巖石力學參數、地應力水平等條件，提出了4種卸壓方案，并利用FLAC3D及Plot Digitizer軟件對各方案的卸壓效果進行模擬分析，最后確定最佳卸壓方案，從而解決開采過程中有可能出現的巖爆問題。

1 礦區深部礦體開采技術條件

1.1 礦床特征

該礦區105號深部礦體已控制部分距地表約800～1 200 m，控制標高為-79～-285 m，礦體規模達到大—特大型，礦體類型屬錫石—硫鹽—硫化物型礦石，主要有益成分有錫、鋅、鉛、銻、銅等，均達到礦床的工業要求，伴生組分銦、鎘、鎵達到綜合利用要求。礦體走向近于南北，以-151 m水平為界，上部總體傾向東，下部北段傾向西，下部南段傾向南東，控制礦體長459 m，水平寬139 m，延伸大于206 m。

1.2 礦區地應力

根據長沙湖廣礦山技術服務有限公司采用國際巖石力學學會(ISRM)試驗專業委員會規范規定的《巖石應力測定的建議方法》中的空心包體應變法，通過中科院研制的空心包體應力計測出的該礦105號礦體-200 m水平地應力結果，結合在該礦區+250～+300 m標高間測得原巖地應力結果預測深部地應力，以原巖地應力與深度線性相關方式預測的開采深度達1 500 m、2 000 m原巖地應力結果見表1。

表1 預測開采深度達1 500m、2 000 m原巖地應力Table 1 Original rock ground stress of prediction miningdepth at 1 500 m and 2 000 m

1.3 巖石力學參數

對礦區深部礦體部分區域的巖石力學參數測試，由中南大學現代分析測試中心力學實驗室采用INSTRON1342型和1346型材料壓力試驗機完成，其最終測定結果見表2。

表2 礦區105號礦體巖石力學參數Table 2 Rock mechanics parameters forNo.105 orebody in mining area

1.4 礦區巖爆傾向性評估結果[4]

根據礦區測得原巖地應力與巖石力學參數，分別按強度脆性系數法、最大儲存彈性應變能法、彈性能量指數判別法、沖擊能量判別法評估礦區巖爆傾向結果見表3。

表3 礦區巖爆傾向評估結果Table 3 Evaluation results of rock burst tendency in mining area

注：R為強度脆性系數(單軸抗拉強度與抗拉強度的比值)；Es為最大儲存彈性應變能，MJ/m3；WET為彈性變形能量儲能與塑性變形耗散能比值，也即彈性變形能與塑性變形能的比值；WCF為沖擊能量指數(巖石峰前應力—應變曲線與橫軸所成面積與峰后應力—應變曲線與橫軸所成面積比值)。

由表3可得出：礦區105號礦體錫礦石具有巖爆傾向性，存在巖爆發生內因；礁灰巖基本不具有巖爆傾向性。

2 具有巖爆性礦井卸壓方案

在原巖應力測試中確定了礦區整體應力方位與大小，如具體應用到采場卸壓方案中仍需轉換計算。根據轉換后的水平及垂直方向的應力分量，在設計布置采場過程中，采場的長軸方位為0°，作用在兩端的應力為39.56 MPa；采場的上盤、下盤法向即東西方位，作用其上的應力為29.23 MPa；作用在垂直方向上應力為16.96 MPa。結合已有的應力拱卸壓方式研究，綜合考慮礦區地應力主要為水平構造應力，采場周邊應力σ1、σ2與σ3比值分別為2.33∶1、1.72∶1，在設計卸壓方案時主要考慮水平構造應力，因此，本研究提出了4種卸壓方案：

方案一：采場兩側布置卸壓槽[5]。在礦塊的兩側分別布置1條6 m卸壓槽，見圖1。

圖1 兩側布置卸壓槽卸壓方案Fig.1 Pressure release program with reliefgroove laying on both sides

方案二：切頂和拉底布置卸壓槽[5]。在礦塊的頂板與底板分別布置1條4 m卸壓槽，見圖2。

圖2 切頂和拉底布置卸壓槽方案Fig.2 Arrangement scheme of relief groove layingon roof cutting and undercutting

方案三：上盤深孔卸壓爆破。深孔卸壓爆破主要利用藥壺裝藥爆破，松動巖體，爆破產生的裂隙使上盤圍巖與采場形成一個應力隔離帶，從而降低采場應力。爆破過程中，炮孔周圍依次形成爆腔、破碎區、裂隙帶，破碎區與裂隙帶起卸壓作用，爆腔提供了應力閉合空間。根據理論計算，當炮孔半徑取45 mm時，爆破后裂隙帶近2 m，在上盤布置的卸壓孔在爆破裂隙形成之后相當于存在4 m寬的卸壓帶。深孔爆破卸壓方案見圖3。

圖3 深孔爆破卸壓方案Fig.3 Deep-hole blasting relief program

方案四：礦體分步回采。此方案把礦塊分成兩步進行回采，一步驟采用充填法回采接近上盤的部分礦體，空區膠結充填；二步驟采用上向分層(尾砂)充填法回采剩余寬度礦體，見圖4。

圖4 礦體分步回采方案Fig.4 Orebody sub-step stopping program

3 數值建模

3.1 巖體力學參數確定

采礦工程數值模擬過程中巖體力學參數選取很大一部分決定了數值模擬準確性和適用性。本次數值模擬巖體力學參數主要根據室內巖石力學實驗、工程經驗與rocklab軟件計算等綜合估計計算模型各巖體的基本巖體力學參數，見表4。

表4 巖體力學參數Table 4 Mechanical parameters of rock mass

3.2 計算邊界條件

根據礦區105號礦體的礦區地質、礦體地質及上向分層充填法方案的特點，為完成模擬方案卸壓效果，以礦區地質平面圖、剖面圖為建模的基礎資料，根據105號礦體工程地質巖性、采場布置等情況，建成三維結構體，所形成的FLAC3D模擬分析模型三視圖見圖5。

圖5 模擬計算模型圖Fig.5 Simulation calculations model diagram

圖中礦巖模型單元為119 808個，節點為129 195個。考慮到原巖地應力特點，忽略重力作用。模型頂部(y方向)施加16.96 MPa恒應力，在模型的兩側(x方向)施加29.23 MPa恒應力，在模型的前后施加39.56 MPa恒應力。計算模型范圍x=280 m(垂直礦體走向方向)，z=360 m(沿礦體走向方向)，y= 200 m(垂直方向)。

收斂采用自動控制時間步來求解模型，直到最大不平衡力為1×10-5為止。模型邊界約束采用位移約束(在FLAC3D中實質就是速度約束)的邊界條件。底部所有節點取x、y、z3個方向上的約束；對x方向上的邊界取x方向固定，y、z方向自由；對z方向的邊界取z方向固定，x、y方向自由，即模型的左右邊界、前后邊界和底部邊界均施加位移約束條件，上邊界(y方向)為自由邊界。選用Mohr-Coulomb本構模型做為本次數值模擬的力學判據。

4 卸壓效果數值模擬分析

在多種巖爆預測分析中，采場周邊的最大主應力被視為一個重要指標，如最大強度理論、最大剪切應力理論(超剪切應力ESS)等，因此在以下分析卸壓效果中，主要分析采場周邊最大主應力變化，并以此為方案優劣的判據。

4.1 方案一卸壓效果分析

在礦塊兩端布置卸壓槽后，卸壓槽沿礦體走向(最大主應力方向)邊應力增大到57.5 MPa，而垂直礦體走向邊減小到5 MPa，在礦體內應力得到一定的減少，其值減小到35 MPa，降低大概5 MPa。總體來看方案一卸壓效果不明顯，把采場周邊平均應力降低到了原巖應力的85.2%，礦體周邊未能形成有效的卸壓拱，主因是最大主應力方向沿礦體走向，卸壓槽形成的空間僅轉移了周邊小范圍內巖體應力，無法轉移采場遠場應力。方案一最大主應力等值線見圖6，方案一礦體周邊最大主應力曲線見圖7。

圖6 方案一最大主應力等值線(單位：MPa)

4.2 方案二卸壓效果分析

布置完切頂與拉底卸壓槽后，卸壓槽周邊應力變化較大，應力得到減小。但在礦體某些部位上應力達到34.5 MPa，這部分應力與第二主應力(垂直礦體方向，29.23 MPa)相比實際增大了約5 MPa，主因是卸壓槽周邊減小的應力轉移到了卸壓槽下部，這部分應力致使礦體上應力增大，只有卸壓槽附近區域出現卸壓效果。方案二最大主應力等值線見圖8，方案二礦體周邊最大應力曲線見圖9。

圖7 方案一礦體周邊最大主應力曲線Fig.7 Maximum principal stress curve of theorebody surrounding in the program one

圖8 方案二最大主應力等值線(單位：MPa)

圖9 方案二礦體周邊最大主應力曲線Fig.9 Maximum principal stress curve of the orebodysurrounding in the program two

4.3 方案三卸壓效果分析

根據深孔爆破形成的4 m裂隙帶將改變上盤圍巖裂隙帶彈性模量的原理，把該區域彈性模量由 4 411 MPa調至1 102.75 MPa，可實現該方案的數值分析。在礦體上盤實施爆破卸壓后，礦體周邊應力明顯降低，爆破裂隙帶周邊應力為10 MPa；在裂隙帶外第1個卸壓拱應力降為20 MPa，第2個卸壓拱應力降為30 MPa；應力增大區在裂隙帶的兩端較小區域，應力最大增到106.3 MPa。相比原巖應力，預期卸壓帶應力降低幅度較大，卸壓影響范圍較廣，能形成有效的卸壓拱。方案三采場周邊主應力等值曲線見圖10，方案三礦體周邊最大應力曲線見圖11。

圖10 方案三最大主應力等值線(單位：MPa)

圖11 方案三礦體周邊最大應力曲線Fig.11 Maximum principal stress curve of theorebody surrounding in the program three

4.4 方案四卸壓效果分析

礦體的一步驟回采后，在二步驟礦體的上盤與圍巖間形成了真正意義上的應力隔離帶，應力顯著降低。充填體的抗壓強度設置為4 MPa，圍巖彈性模量為4 410 MPa，在充填體充填到空區后，它們之間存在一個力學上的“界面”，充填體有自己的應力狀態和力學體系，不會馬上受到上盤應力作用。二步驟礦體上盤界線應力降為5 MPa左右；第1個卸壓拱應力降為20 MPa，第2個卸壓拱應力降為30 MPa；應力增大區在一步驟采場的兩端較小區域，應力最大增到119.89 MPa，但是該區域對二步驟安全回采影響不大。方案四最大主應力等值線見圖12，方案四礦體周邊最大應力曲線見圖13。

圖12 方案四最大主應力等值線(單位：MPa)

4.5 卸壓方案優劣性分析

數值模擬分析表明，方案四在分步回采礦塊后，剩余的二步驟礦體與上盤形成了一個真正意義上的應力隔離帶，卸壓效果顯著，影響范圍廣，為擬推薦卸壓方案。4個方案比較結果見表5。

圖13 方案四礦體周邊最大應力曲線Fig.13 Maximum principal stress curve of the orebodysurrounding in the program four

表5 4個方案卸壓效果比較Table 5 Comparison of pressure relief effect of 4 programs

5 結 論

(1)根據礦區105號礦體及圍巖的巖爆傾向性結論及礦區開采技術條件與開采工藝、地應力水平與巖體力學參數，結合已有的應力拱卸壓方式的研究，共提出4種卸壓方案：采場兩側布置卸壓槽；切頂和拉底布置卸壓槽；在上盤深孔卸壓爆破；礦塊分步回采。

(2)通過數值模擬分析，得出結論：采場兩側布置卸壓槽卸壓方案使采場周邊應力降低14.8%；切頂和拉底布置卸壓槽卸壓方案卸壓不成功；在上盤深孔卸壓爆破卸壓方案使采場周邊應力降低50.4%，在礦體與圍巖之間能形成真正意義上有效的應力隔離帶；礦塊分步回采方案卸壓效果顯著，范圍廣，在其一步驟回采完成后，二步驟礦體上的應力下降顯著，應力降低63.6%。最終通過最大主應力比較分析確定礦塊分步回采為最優卸壓方案。

[1] 古德生.金屬礦床深部開采中的科學問題[C]∥香山科學會議主編：科學前沿與未來(第六集).北京:中國環境科學出版社,2002：192-201.

Gu Desheng.Scientific problems in deep mining of metallic deposits[C]∥Chief Editor of the Science Conference of Xiangshan： Scientific Frontier and Future (Part 6).Beijing:China Environmental Science Press,2002：192-201.

[2] 何滿潮,謝和平,彭蘇萍,等.理論研究深部開采巖體力學及工程災害控制研究[J].煤礦支護，2007,1(3):1-14．

He Manchao,Xie Heping,Peng Suping,et al..Theoretical research of deep mining rock mechanics and engineering disaster control research[J].Coal Mine Support,2007,1 (3):1-14.

[3] 劉泉聲，高 瑋，袁 亮.煤礦深部巖巷穩定控制理論與支護技術及應用[M].北京：科學出版社，2010.

Liu Quansheng,Gao Wei,Yuan Liang.Theory and Support Technology and Application of Stability Control of Deep Rock Roadway in Coal Mines[M].Beijing:Science Press,2010.

[4] 鄧金燦，羅一忠，謝學斌.大廠105號礦體深井開采巖爆傾向性研究[J].有色金屬：礦山部分，2009，61(5)：37-39.

Deng Jincan,Luo Yizhong,Xie Xuebin.Study on rockburst proneness of No.105 Orebody of Dachang in deep mining[J].Nonferrous Metals：Mining Section,2009,61(5):37-39.

[5] 李學鋒，李向東，周愛民.凡口鉛鋅礦深部礦體開采順序研究[J].金屬礦山，2004(12)：12-18.

Li Xuefeng,Li Xiangdong,Zhou Aimin.Study on the mining sequence of deep mines of Fankou Lead-Zinc Deposit[J].Metal Mine,2004 (12):12-18.