錫林浩特螢石礦副井保安礦柱穩固技術研究

張東杰 任鳳玉 曹建立 劉 鵬

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

錫林浩特螢石礦為中低溫熱液型礦床，礦體傾角為80～90°，厚度為2.5～6 m，礦體沿走向長約450 m，屬于典型的急傾斜薄到中厚礦體，礦山采用兩翼豎井開拓，留礦法采礦［1］，中段高度40 m，中段間留有10 m厚頂柱，隨著空區暴露時間的增長，部分頂柱已經塌落，通過四中段的穿脈巷可以觀察到五中段頂柱塌落后貫通的采空區，見圖1。

目前，礦山采用優化后的保安礦柱［2］來圈定副井受保護范圍，開采中發現圈定范圍內的部分保安礦柱已經遭受采動破壞，隨著開采的延深，副井位于采動巖移范圍內，并且開采形成的部分采空區已經冒透地表，引起的巖移向副井方向發展。為了確保副井免受采動巖移危害，亟需采取保護措施。

1 保安礦柱受采動破壞范圍

以副井為中心，按照優化后的保安礦柱對五中段礦體進行圈定，發現有長約67 m的礦體進入保安礦柱界限內（圖2），而該部分礦體在井筒保護期內不能開采。

此外，在圖2中通過D線作剖面圖，得出2#副井、礦體及保安礦柱三者的剖面位置關系見圖3。結合現場實測得出采空區與保安礦柱的關系見圖4。

針對目前的開采現狀，通過現場調研測量得出三、四、五中段的保安礦柱內開采破壞角分別為17°、15°與17°，位于3個中段范圍內的保安礦柱均遭受了不同程度的采動破壞，降低了保安礦柱的穩定性［3］，可能對豎井安全運行構成威脅。各中段保安礦柱采動破壞范圍見圖5。

2 數值模擬分析

2.1 數值模型構建

錫林浩特螢石礦二采區副井的圍巖主要為礫巖和角礫巖，較為穩固。根據礦山副井附近的實際地質條件建立FLAC 3D模型［4-6］，對副井周圍巖體的應力與位移進行分析，以此來評估副井受采動影響的破壞風險。

考慮模型的邊界效應，在模擬過程中根據圣維南原理，巖體的開挖只在一定范圍內產生明顯影響，在距離采空區較遠的地方，其影響可以忽略不計。模型具有足夠大的尺寸，根據現場實際情況，整體模型長×寬×高尺寸為360 m×120 m×553 m；礦體整體尺寸為90 m×4 m×120 m（每個中段40 m）；平均厚度4 m；副井直徑4 m；副井與礦體最短距離為27 m。模型中垂直方向的應力基本上等于覆蓋巖層自重，隨著深度的增加而逐漸增大，其增大率與各分層巖體重度成正比。模型左側和右側邊界約束水平方向的位移；前、后兩邊界約束Z方向的位移；底部約束垂直、水平以及Z3個方向的位移。

數值模型如圖6所示，模型共479 187個塊，55 584個節點。所建模型的空區所對應的地表標高為1 060 m。此模型建立主要根據巷道當前的實際情況，并針對三、四、五中段的不同情況進行建模與開挖。其中三中段回采結束時間較長，內部具體情況無法詳細探明，故作為空區考慮，開挖主要針對四、五中段進行模擬。考慮最短距離效應，建立開挖部分選用距離2#副井最近處截取模塊進行分析。圍巖和礦體的力學參數由巖石力學試驗和經驗折減獲得［7-8］，見表1。

2.2 數值計算結果與分析

通過對四、五中段保安礦柱建模數值分析，得到四、五中段開挖后與充填后圍巖最大主應力云圖與最小主應力云圖以及四、五中段開挖與充填后位移云圖見圖7和圖8。

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從圖7看出，四、五中段礦體開挖后，使得空區四周出現很高的應力集中現象，最大應力已達到5 MPa，而副井附近的最大主應力也持續升高，五中段開挖區域附近的應力集中區不斷擴大，應力集中強度增加，最高達2 MPa。空區四周的剪應力也在不斷增大，最大剪應力出現在五中段底板位置，最大可達4 MPa，已經發生剪切變形。根據位移分析結果，四、五中段被開采礦體附近位移明顯增大，破壞區域四周位移為5～7 mm，同時副井附近的位移也明顯增大，最大位移已達到4～5 mm。四、五中段保安礦柱附近較大約為6～7 mm，可知保安礦柱的不穩定已經嚴重威脅副井的安全運行。

從圖8看出，將四、五中段開挖后形成的采空區充填后，副井與保安礦柱附近的應力集中現象都明顯降低，副井附近的最大主應力減小為1 MPa左右，最小主應力減小為0.5 MPa左右，應力集中強度減小明顯。充填散體可有效限制巖體的移動變形，保安礦柱四五中段附近位移減小到0.4 mm，副井附近位移減小到0.3 mm左右，副井附近已經沒有明顯威脅。由此可見，采用充填的方式治理四、五中段保安礦柱破壞范圍內的采空區，可有效增強保安礦柱的穩定性，起到保護副井的作用。

3 副井保安礦柱穩固措施

結合現場保安礦柱破壞范圍與數值分析結果，要實現保安礦柱的穩定功能，最可行的方法在于對已破壞范圍內的空區進行填充增強，利用充填散體的側向承載能力來增加保安礦柱的穩定性［9］。基于此，研究提出將預留在四中段的14 m厚頂柱與五中段的10 m厚頂柱順次崩落，崩落順序為，先五中段后四中段，使散體覆蓋層下移充填下部采空區，其中包括保安礦柱圈定范圍內的采空區，同步充填地表塌陷坑來保障臨界散體柱高度不下移，利用臨界散體柱下部散體的支撐作用阻止保安礦柱范圍內的邊壁巖體發生側向片落，控制巖移向2#副井方向發展，以此來增強保安礦柱的穩定性。

3.1 頂柱處理方法

目前位于三中段的穿脈巷均已被上部冒落散體或者上下盤片落的圍巖封堵，通過在穿脈巷內封堵散體堆外側邊緣斜向下鉆鑿平面扇形炮孔及豎直扇形炮孔的方式來處理位于四中段的14 m厚頂柱，將頂柱上方的大規模散體覆蓋層引下來，充填整個采空區。

結合礦體開采現狀，將14 m厚頂柱邊界（稱為頂柱回采界限）投影到三中段工程平面圖中，以此邊界為起點，沿礦體走向依次在穿脈巷內布置處理頂柱的扇形炮孔（圖9），鉆鑿下斜扇形炮孔時，注意位于平面位置的第1排炮孔應避免打到穿脈巷的廢石散體堆中，確保每排炮孔的成孔質量。同時，根據穿脈巷間實際距離來調整平面炮孔的布置個數及角度，設計每個排面布置3～4個炮孔，孔底距為1.8 m。

豎直面上，在穿脈巷道內布置傾斜向下的扇形炮孔，炮孔邊孔角20°，最小抵抗線1.8 m，孔底距1.8 m，排面角為90°，最長炮孔長度約為18 m（圖10），裝藥至礦巖接觸面即可，炮孔裝藥長度根據礦體的具體厚度來定，以每個穿脈巷內的炮排為一組，分組順次爆破，崩落四中段所留14 m厚的頂柱。

3.2 空區充填方法

頂柱處理完成后，上部原積壓的大量充填及冒落散體隨著崩落的礦石（頂柱）向下移動，充填位于四中段與五中段的采空區，充填效果見圖11。

受充填廢石散體自然安息角的影響，發現位于四中段與三中段保安礦柱范圍內的部分空區無法完全充填，因此，需要采取措施保證被破壞的保安礦柱范圍盡量滿足完全充填。研究提出利用位于副井附近的二中段與三中段的穿脈巷對剩余空區進行二次補充充填，充填材料來源于井下采出的廢石，充填順序為先三中段，后二中段，充填后的效果見圖12。這樣一方面增強了保安礦柱的穩定性，另一方面井下廢石得到再利用，節約成本的同時，保護了豎井安全運行。

通過上述副井保安礦柱穩固措施。其一，能夠有效保護豎井的穩定性；其二，可以解決各中段頂柱上方因積壓大量冒落散體，一旦發生大規模整體垮落形成沖擊氣浪，嚴重威脅井下作業人員安全問題；其三，地表塌陷坑內的大量充填散體的側向承載力有效限制了地表塌陷范圍的擴大，保護了草原環境。為礦山實現安全、綠色、高效開采提供了有力保障。

4 結論

（1）通過現場保安礦柱破壞角測定，得到三中段至五中段的保安礦柱均遭受了不同程度的破壞，破壞角變化范圍為15～17°，隨著深部采礦的進行，保安礦柱破壞范圍將進一步擴大，副井受采動威脅風險增加。

（2）數值模擬結果表明，隨著四、五中段保安礦柱范圍內的礦體遭受采動破壞，副井附近的應力集中強度及位移變形量均顯著增加，副井運行嚴重受到威脅；而通過對破壞范圍進行充填，可有效增加保安礦柱的穩定性，數值結果為后續保安礦柱穩固措施提供支撐。

（3）豎井能否安全運行取決于保安礦柱的穩固性，利用井下崩落頂柱與地表塌陷坑廢石充填相結合的技術措施，通過充填散體的側向承載力，可有效增強保安礦柱的穩定性，為礦山實現安全、綠色、高效開采提供了有力保障。