普朗銅礦自然崩落法采礦底部結構穩定性研究

2019-03-01 12:27:06曾憲濤

中國礦山工程 2019年1期

曾憲濤

(1.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083; 2.金誠信礦業管理股份公司, 北京 101500)

1 前言

自然崩落法是指礦體依靠自身的軟弱結構面、自重應力及次生構造應力等作用，逐漸失穩脫落，并通過底部巷道采出的過程，具體示意圖如圖1所示。普朗銅礦是國內最大的自然崩落法采礦運營基地，已于2016年底在金誠信礦業管理股份有限公司的管理下成功投入運營，該項目可為我國井下大規模開采關鍵技術研究，提高工藝和裝備的技術水平，實現高效、安全、低成本開采提供成功的范例[1-2]，也為我國的銅資源的生產提供重要保障。

作為一種技術要求較高的采礦方法，自然崩落法在應用過程中需要解決采礦設計參數、生產工藝布局、采動應力分布以及底部結構穩定性等復雜問題，而其中最重要的問題就是保障首采區底部結構及拉底層巷道的穩定和安全，盡可能使底部結構在服務期間保持完好，這不僅關系到該方法能否成功應用，而且關系到整個礦區的人員、設備的安全性。因此，開展普朗銅礦自然崩落法出礦拉底巷道穩定性研究是必要的。

2 工程背景

2.1 礦山基本情況

普朗銅礦位于云南省西北部，迪慶藏族自治州香格里拉市東北部，距香格里拉市區72km。

該礦一期采選主要內容：以首采區KT1礦體(7～20線)為開采對象，首期開采3 720m以上的礦體，后期開采3 720m以下礦體，具體模型如圖2所示。

圖1 自然崩落法采礦示意圖

圖2 普朗礦區鉆孔及KT1礦體空間模型

2.2 開采條件

普朗銅礦礦體受巖體和構造裂隙、圍巖蝕變控制，賦礦部位及礦體頂、底板巖性標志明顯，其礦體的含礦部位、形狀、巖性標志是劃分和對比連接礦體的主要依據[3-5]。

普朗Ⅰ號斑巖體核部的鉀化硅化帶→邊部的絹英巖化帶，依次產出大透鏡狀的KT1→條帶狀的KT2、KT3→大脈狀的KT4- KT6礦體。控制礦體長2 240m，垂深2.23～766.35m。礦體南部寬450～700m，中部寬80～260m，北部寬300～400m；北西走向，傾向北東，傾角一般35°～70°，總體約65°。

礦區內地層巖性較單一，為塊狀巖類，巖石硬度以堅硬為主，局部破碎帶較發育，巖石較破碎；巖體結構類型以塊狀結構為主。設計開采范圍為普朗銅礦KT1礦體7～20線，首采區域3 720m以上N4～S9之間的礦體。

2.3 采礦方法

礦體屬于厚大礦體，連續性較好，可以形成連續的崩落，因此，選擇了自然崩落法為礦山的采礦方法。根據礦體的傾角和厚度、產狀、礦巖的物理力學性質等因素綜合考慮，確定普朗銅礦一期首采中段3 720m以上礦體采用單中段回采連續崩落方案，礦體最大崩落高度為370m，平均崩落高度200m。

普朗銅礦首采中段設有4個主要水平，從下至上分別為3 660m有軌運輸水平、3 700m回風水平、3 720m出礦水平以及3 736m拉底水平，上下水平高差分別為30m、20m和16m。出礦水平和有軌運輸水平之間高差為60m，拉底水平和出礦水平之間高差為16m。

3 普朗銅礦地應力分布特征及巖石力學評價

影響底部結構穩定性的因素較多，其中地應力分布和巖石力學特征是最基礎的影響因素，以下對這些因素進行重點分析。

3.1 普朗銅礦地應力反演

研究表明：三維地應力對采礦和巖土工程的設計、施工和生產具有十分重要的意義。為了對各種巖土工程進行科學合理的開挖設計和施工，就必須對其進行重點分析[6]。普朗銅礦的地應力測量結果見表1。

通過對6個測點的地應力分析，結合數值型，對普朗銅礦進行了地應力反演，反演結果如圖3所示。

表1 各測點應力分量計算結果表 MPa

圖3 普朗銅礦地應力反演結果

(1)礦區的水平應力存在明顯的方向性，6個測點東西向的水平應力分量均大于南北向應力分量，最大水平主應力是最小水平主應力的1.42～2.29倍。

(2)所測區域范圍內的最大水平主應力與垂直應力之比(稱為側壓系數)，較為平均(除6#測點外，可能與該點附近隱含的特殊地質構造有關)，比值在2左右波動，這與我國大陸區域地壓的側壓系數分布規律基本一致。

(3)所有測點均表現出水平應力分量大于垂直應力分量的特征，說明該區域總體上以水平構造應力為主；但量值上總體都不算大，仍屬于中等應力狀態。

(4)在3 540m中段的5、6#測點的應力分量中存在較大的剪應力，按照莫爾—庫侖理論，巖體的破壞通常是由于剪切破壞引起的，所以在開采設計及巷道支護中引起一定的重視。

3.2 普朗銅礦巖石力學分析

巖石力學參數是采礦設計施工、巖石力學數值分析及底部結構穩定性評價等相關研究的基礎數據[7-10]，普朗銅礦的巖石力學參數見表2。

表2 云南普朗銅礦巖石物理力學參數測試結果匯總表

3.3 普朗銅礦巖石可崩性總體評價

根據勘探資料給出的報告表明：普朗銅礦采區巖石可崩性在Ⅱ～Ⅴ之間，其中總體在Ⅲ級左右，占比72.23%，屬于自然崩落法適合的巖體，具體見表3。

除此之外，在下盤3 770m水平，16行到20行勘探線間局部存在較大范圍屬于Ⅱ類的穩定巖體，已出現大塊現象；而在礦體的3 600m水平，4行到10行勘探線間局部存在屬于Ⅳ類的不穩定巖體，掘進和采礦過程要注意防止局部大面積塌陷。

表3 普朗銅礦巖石可崩性總體評價表

通過對普朗銅礦地應力反演，巖石力學分析及可崩性評價可以看出：

(1)該礦區受到構造應力影響：最大應力方向為東西向水平應力，最大水平主應力與垂直應力之比較高，比值在2左右波動。

(2)該礦區主要巖體為石英、二長斑巖及閃長玢巖，其主要巖體力學參數相差不大，主要表現為抗壓強度及抗剪強度較高，但抗拉強度較低。

(3)整體可崩性較好，適合自然崩落法采礦，但是局部易出現大塊及不穩定巖體，施工中應該在相應區域重點考慮。

4 普朗銅礦前期底部結構穩定性實例分析

底部結構破壞主要有結構穩定性破壞和材料破壞兩種形式，其中結構穩定性破壞主要是由于設計原因導致底部結構出現整體失穩現象和由于局部的材料破壞導致整體結構失穩。前者是設計因素，出現的概率較小，工程實踐中大部分結構失穩現象都是由于后者。而材料破壞一般是巖體材料破壞，其通常破壞形式主要有受壓破壞，受剪破壞和受拉破壞等。

通過對普朗銅礦底部礦柱結構的受力特征的分析，結合在采礦初期對3 720m水平N3～S3區域進行的現場調研，總結出了底部結構可能的破壞形式主要有以下幾種。

4.1 礦柱的沿垂直方向受壓破壞

礦柱的沿垂直方向受壓破壞現象常見于礦區的中心區域，如圖4所示。

圖4 普朗銅礦礦柱受垂直應力作用下破壞示意圖

圖5所示為7#、8#測點的應力變化情況，其中7#測點在出礦過程中應力呈明顯增加趨勢。從巖石力學角度分析，主要是因為在回采初期，周邊支撐巖體的相繼采出，此時礦柱受東西向的主應力將逐步消失，而上部礦體未及時放出，上部巖體的垂直應力仍然較大，造成孤島效應。實際上巖體處于單軸壓縮狀態，此時礦柱易造成應力集中，產生受壓破壞，破裂面沿通常沿45°平行分布，嚴重時擴展至整個礦柱。其中圖6所示為底部礦柱受力及塑性破壞區分布圖，從圖中可以看出，在礦柱出現豎向應力集中區，并發生了一定程度的塑性破壞。

圖5 7#、8#應力與S2穿脈E11～E15出礦進路間出礦量關系對比圖

圖6 底部礦柱受力及塑性破壞區分布圖

該種情況下，主要的工程處理思路是減少外部荷載，增加礦柱自身的承載能力，主要的應對方法有以下幾點：

(1)適當增加出礦速度，減少礦柱受到的上部荷載。

(2)每天觀察裂紋的發展速度，特別是平行裂紋的增加量和斜裂紋的擴展長度。

(3)對破裂面貫穿礦柱的現象要打入錨索，防治裂紋進一步擴展。

4.2 圍壓側壁受到沖擊破壞

圍壓側壁受到沖擊破壞的主要表現為巖體呈不規則的交叉裂紋現象，具體如圖7所示：主要出現在上部巖體穩定性較差，聚礦槽出礦速度較快的巷道附近。

圖8 4次放礦時各測點放礦口左側壁所受沖擊力示意圖

圖7 不規則裂紋破壞示意圖

圖8所示為PFC3d模擬的4次放礦條件下放礦口左側壁所受沖擊力示意圖，可以看出每一次出礦，礦體對于出礦口都有一定程度的沖擊力峰值。該種現象是由較快的出礦速度對礦柱側向沖擊與上部荷載共同作用導致的：放礦過程為上部荷載的垂直應力逐漸轉化為側向沖擊作用，所以礦柱受力方向隨著改變，裂紋易呈現不規則現象。

這種情況下，主要的工程處理思路是在上部較為破碎的區域，適當減小放礦速度，在允許的情況下，適當增加礦柱的側向厚度，這樣不僅可以使礦柱抵御側向沖擊能力增強，還可以從一定程度上減小側向沖擊作用。

4.3 巖體受結構面影響破壞

巖體沿結構面破壞的現象一般出現在有較為明顯的結構面存在的區域，而且可能從頂板延長至下一個礦柱，巖石的破裂面一般不成45°分布,具體如圖9所示。

圖9 普朗銅礦沿構造面破壞示意圖

圖10、圖11所示分別為巷道所處不同傾角斷層的最大主應力及塑性破壞區，可以看出結構面的出現導致了巷道的應力分布發生了重大變化，并產生了局部應力集中區，進而引起塑性破壞，產生該種現象的原因是因為結構面的連接體黏結性較差，在采動應力作用下，結構面兩側巖體易發生相對位移。該裂紋一定程度上可以削弱礦柱的承載能力，有可能導致整個區域發生失穩性破壞。這種破壞方式比較復雜，主要的工程處理思路是結合地質情況對重要的結構面進行重點觀察，對于已形成裂紋的區域，應進行巖石力學應力應變監測，主要監測裂紋的延伸和裂紋張開程度，如果裂紋進一步張開，則采取工程加固措施，來提高礦柱結構的整體承載能力。