曾憲濤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083; 2.金誠信礦業(yè)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(jié)構(gòu)面、自重應(yīng)力及次生構(gòu)造應(yīng)力等作用，逐漸失穩(wěn)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(nèi)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(yè)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(guī)模開采關(guān)鍵技術(shù)研究，提高工藝和裝備的技術(shù)水平，實現(xiàn)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(chǎn)提供重要保障。

作為一種技術(shù)要求較高的采礦方法，自然崩落法在應(yīng)用過程中需要解決采礦設(shè)計參數(shù)、生產(chǎn)工藝布局、采動應(yīng)力分布以及底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等復(fù)雜問題，而其中最重要的問題就是保障首采區(qū)底部結(jié)構(gòu)及拉底層巷道的穩(wěn)定和安全，盡可能使底部結(jié)構(gòu)在服務(wù)期間保持完好，這不僅關(guān)系到該方法能否成功應(yīng)用，而且關(guān)系到整個礦區(qū)的人員、設(shè)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(wěn)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(qū)72km。

該礦一期采選主要內(nèi)容：以首采區(qū)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(qū)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(gòu)造裂隙、圍巖蝕變控制，賦礦部位及礦體頂、底板巖性標(biāo)志明顯，其礦體的含礦部位、形狀、巖性標(biāo)志是劃分和對比連接礦體的主要依據(jù)[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(chǎn)出大透鏡狀的KT1→條帶狀的KT2、KT3→大脈狀的KT4- KT6礦體?？刂频V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(qū)內(nèi)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(fā)育，巖石較破碎；巖體結(jié)構(gòu)類型以塊狀結(jié)構(gòu)為主。設(shè)計開采范圍為普朗銅礦KT1礦體7～20線，首采區(qū)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(xù)性較好，可以形成連續(xù)的崩落，因此，選擇了自然崩落法為礦山的采礦方法。根據(jù)礦體的傾角和厚度、產(chǎn)狀、礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)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(xù)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(shè)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(fēng)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(yīng)力分布特征及巖石力學(xué)評價

影響底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素較多，其中地應(yīng)力分布和巖石力學(xué)特征是最基礎(chǔ)的影響因素，以下對這些因素進(jìn)行重點分析。

3.1 普朗銅礦地應(yīng)力反演

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

通過對6個測點的地應(yīng)力分析，結(jié)合數(shù)值型，對普朗銅礦進(jìn)行了地應(yīng)力反演，反演結(jié)果如圖3所示。

表1 各測點應(yīng)力分量計算結(jié)果表 MPa

圖3 普朗銅礦地應(yīng)力反演結(jié)果

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

(2)所測區(qū)域范圍內(nèi)的最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比(稱為側(cè)壓系數(shù))，較為平均(除6#測點外，可能與該點附近隱含的特殊地質(zhì)構(gòu)造有關(guān))，比值在2左右波動，這與我國大陸區(qū)域地壓的側(cè)壓系數(shù)分布規(guī)律基本一致。

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

(4)在3 540m中段的5、6#測點的應(yīng)力分量中存在較大的剪應(yīng)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(shè)計及巷道支護(hù)中引起一定的重視。

3.2 普朗銅礦巖石力學(xué)分析

巖石力學(xué)參數(shù)是采礦設(shè)計施工、巖石力學(xué)數(shù)值分析及底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價等相關(guān)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7-10]，普朗銅礦的巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 云南普朗銅礦巖石物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果匯總表

3.3 普朗銅礦巖石可崩性總體評價

根據(jù)勘探資料給出的報告表明：普朗銅礦采區(qū)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(wěn)定巖體，已出現(xiàn)大塊現(xiàn)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(wěn)定巖體，掘進(jìn)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(yīng)力反演，巖石力學(xué)分析及可崩性評價可以看出：

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

(2)該礦區(qū)主要巖體為石英、二長斑巖及閃長玢巖，其主要巖體力學(xué)參數(shù)相差不大，主要表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)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(xiàn)大塊及不穩(wěn)定巖體，施工中應(yīng)該在相應(yīng)區(qū)域重點考慮。

4 普朗銅礦前期底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實例分析

底部結(jié)構(gòu)破壞主要有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞和材料破壞兩種形式，其中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞主要是由于設(shè)計原因?qū)е碌撞拷Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象和由于局部的材料破壞導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。前者是設(shè)計因素，出現(xiàn)的概率較小，工程實踐中大部分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的受力特征的分析，結(jié)合在采礦初期對3 720m水平N3～S3區(qū)域進(jìn)行的現(xiàn)場調(diào)研，總結(jié)出了底部結(jié)構(gòu)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(xiàn)象常見于礦區(qū)的中心區(qū)域，如圖4所示。

圖4 普朗銅礦礦柱受垂直應(yīng)力作用下破壞示意圖

圖5所示為7#、8#測點的應(yīng)力變化情況，其中7#測點在出礦過程中應(yīng)力呈明顯增加趨勢。從巖石力學(xué)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(yīng)力將逐步消失，而上部礦體未及時放出，上部巖體的垂直應(yīng)力仍然較大，造成孤島效應(yīng)。實際上巖體處于單軸壓縮狀態(tài)，此時礦柱易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生受壓破壞，破裂面沿通常沿45°平行分布，嚴(yán)重時擴(kuò)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(qū)分布圖，從圖中可以看出，在礦柱出現(xiàn)豎向應(yīng)力集中區(qū)，并發(fā)生了一定程度的塑性破壞。

圖5 7#、8#應(yīng)力與S2穿脈E11～E15出礦進(jìn)路間出礦量關(guān)系對比圖

圖6 底部礦柱受力及塑性破壞區(qū)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(yīng)對方法有以下幾點：

(1)適當(dāng)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(fā)展速度，特別是平行裂紋的增加量和斜裂紋的擴(kuò)展長度。

(3)對破裂面貫穿礦柱的現(xiàn)象要打入錨索，防治裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

4.2 圍壓側(cè)壁受到?jīng)_擊破壞

圍壓側(cè)壁受到?jīng)_擊破壞的主要表現(xiàn)為巖體呈不規(guī)則的交叉裂紋現(xiàn)象，具體如圖7所示：主要出現(xiàn)在上部巖體穩(wěn)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(cè)壁所受沖擊力示意圖

圖7 不規(guī)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(cè)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(xiàn)象是由較快的出礦速度對礦柱側(cè)向沖擊與上部荷載共同作用導(dǎo)致的：放礦過程為上部荷載的垂直應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為側(cè)向沖擊作用，所以礦柱受力方向隨著改變，裂紋易呈現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)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(qū)域，適當(dāng)減小放礦速度，在允許的情況下，適當(dāng)增加礦柱的側(cè)向厚度，這樣不僅可以使礦柱抵御側(cè)向沖擊能力增強(qiáng)，還可以從一定程度上減小側(cè)向沖擊作用。

4.3 巖體受結(jié)構(gòu)面影響破壞

巖體沿結(jié)構(gòu)面破壞的現(xiàn)象一般出現(xiàn)在有較為明顯的結(jié)構(gòu)面存在的區(qū)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(gòu)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(yīng)力及塑性破壞區(qū)，可以看出結(jié)構(gòu)面的出現(xiàn)導(dǎo)致了巷道的應(yīng)力分布發(fā)生了重大變化，并產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而引起塑性破壞，產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因是因為結(jié)構(gòu)面的連接體黏結(jié)性較差，在采動應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體易發(fā)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(dǎo)致整個區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)性破壞。這種破壞方式比較復(fù)雜，主要的工程處理思路是結(jié)合地質(zhì)情況對重要的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行重點觀察，對于已形成裂紋的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行巖石力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，主要監(jiān)測裂紋的延伸和裂紋張開程度，如果裂紋進(jìn)一步張開，則采取工程加固措施，來提高礦柱結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

圖10 斷層不同傾角的最大主應(yīng)力圖

圖11 斷層不同傾角的塑性區(qū)圖

4.4 外圍混凝土保護(hù)層破壞

外圍混凝土保護(hù)層破壞現(xiàn)象如圖12所示：該種破壞方式主要是由于混凝土與巖體彈性模量不同，在相同受力作用下，產(chǎn)生不同的形變導(dǎo)致的，表現(xiàn)出的現(xiàn)象為節(jié)理面混凝土外圍出現(xiàn)裂紋或混凝土剝落，而混凝土內(nèi)部巖石穩(wěn)定性較好。

圖12 普朗銅礦混凝土破壞示意圖

由于此情況下支撐礦柱并無明顯失穩(wěn)特征，所以破壞程度較低，主要處理方法是按照設(shè)計要求重新噴射混凝土保護(hù)層。

通過現(xiàn)場調(diào)研得出了以下結(jié)論：

(1)在自然崩落法采礦初期，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重大安全隱患。

(2)底部結(jié)構(gòu)破壞主要有礦柱受到垂直應(yīng)力壓縮破壞，圍壓側(cè)壁受到?jīng)_擊破壞，巖體受到結(jié)構(gòu)面影響破壞及混凝土保護(hù)層受到不均勻變形破壞等4種形式。

(3)底部結(jié)構(gòu)破壞形式受到采礦方法、巖石力學(xué)性質(zhì)、礦體可崩性特征及構(gòu)造特征等因素影響較為明顯，需要根據(jù)具體的破壞特征因地制宜采取相應(yīng)的工程方法進(jìn)行防治。

(4)有必要結(jié)合工程實際對礦區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)測、巖石力學(xué)數(shù)值分析，并提出工程應(yīng)對預(yù)案。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程勘察資料、地應(yīng)力反演及巖石力學(xué)分析，結(jié)合對普朗銅礦底部結(jié)構(gòu)的實際調(diào)研得出了以下結(jié)論：

(1)普朗銅礦最大應(yīng)力方向為東西向水平應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比較高，應(yīng)力比為2左右。

(2)該礦區(qū)主要巖體表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)度較低的顯著特征；整體可崩性較好，適合自然崩落法采礦，但是局部易出現(xiàn)大塊及不穩(wěn)定巖體，施工中應(yīng)該在相應(yīng)區(qū)域重點考慮。

(3)在自然崩落法采礦初期，底部結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重大安全隱患。

(4)底部結(jié)構(gòu)破壞特征受到采礦方法、巖石力學(xué)性質(zhì)、礦體可崩性特征及構(gòu)造特征等因素影響較為明顯，需要根據(jù)具體的破壞特征因地制宜采取相應(yīng)的工程方法進(jìn)行防治。