李爭榮，侯克鵬，馮興隆，劉華武

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司，云南 迪慶 674400；2.昆明理工大學，云南 昆明 650093)

自然崩落采礦底柱穩(wěn)定性[1]因布置密集的放礦漏斗、通風、卸礦硐室等工程而受到削弱。隨著拉底爆破、放礦等采礦誘導動壓作用，底柱巷道穩(wěn)定性變差，特別是多斷層復雜構造附近巷道變形破壞嚴重，返修安全隱患大、費用高。一旦支護不當，斷層復雜構造地段巷道最先垮塌，在地壓作用影響下甚至導致“多米諾骨牌”效應式的災害，再難采用其他采礦方式采礦，造成大量資源損失[2-6]。為此，國內外學者往往重視自然崩落法工藝應用的前期研究[7-9]，而對采礦過程中的穩(wěn)定性研究較少。本文以自然崩落法某銅礦山為例，結合斷層交匯帶已支護巷道受拉底爆破、放礦等采礦活動交變荷載的作用，統計底柱巷道的開裂點和頻次，分析底柱巷道開裂變形的破壞機理，提出合理的地壓控制措施和加固支護方式，以解決底柱巷道頻繁垮塌，保證礦山安全穩(wěn)定生產，為類似的礦山開采提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

某銅礦礦山探獲銅金屬量400多萬t，主礦體長2 300 m，垂深17～800 m，礦體呈大透鏡狀，空間上呈北西向展布“馬鞍”狀。礦體在平面上為不規(guī)則的“多節(jié)葫蘆”形，南部寬度300～600 m，北部寬度120～500 m。礦體呈北西走向，傾向北東，傾角65°，礦體中心礦化連續(xù)，中部礦體品位高，向四周逐漸變低。礦體含礦巖石主要為石英二長班巖和石英閃長玢巖。礦體含Cu平均品位0.43%，伴生有金、銀、鉬等金屬元素。礦山采用自然崩落法開采。

1.2 斷層及節(jié)理

礦區(qū)斷層、節(jié)理裂隙等構造發(fā)育，隨著部分巷道工程的揭露，探明開采區(qū)域內5條縱橫交錯的斷層(圖1)，斷層巖體破碎(表1)、呈粉狀散體結構，無自穩(wěn)能力。 經坑道節(jié)理產狀統計，礦區(qū)存在三組主要優(yōu)勢節(jié)理，傾向均值分別為163.85°、214.27°、341.66°，傾角分別為65°、70°、52°，礦區(qū)節(jié)理裂隙構造密集發(fā)育。

圖1 開采區(qū)域斷層分布圖Fig.1 Distribution of faults in the mining area

表1 開采區(qū)域主要斷層性質Table 1 Major fault properties of the mining area

1.3 巖體質量評價

通過礦山的RMR評價體系礦巖工程質量評價，選取完整巖石強度、巖芯質量指標(RQD)、節(jié)理間距、節(jié)理條件和地下水條件等指標，綜合評價結果見表2，巖體質量為Ⅲ類。礦區(qū)內地層巖性較單一，巖體結構類型以塊狀結構為主，以堅硬巖石為主，局部破碎帶較發(fā)育。 礦山工程地質復雜程度為中等類型。

表2 巖體質量評分表Table 2 Rock mass quality score sheet

1.4 底部結構巷道支護設計

根據礦體開采技術條件，結合最新破碎巷道和卸礦硐室的支護理論[1]，以及自然崩落法的應用情況[5-9]，設計出礦巷道采用雙層噴錨網+長錨索支護，即每層支護厚度100 mm，混凝土強度等級為C25。錨桿選用Ф22 mm長3 m的三級螺紋鋼，孔內砂漿全長錨固，錨桿間距0.8 m×0.8 m，托板為200 mm×200 mm×10 mm的鋼板。 金屬網Ф6.5 mm鋼筋制作，網度150 mm×150 mm。錨索(由兩根Ф15.20 mm的1×7標準型鋼絞線組成)的間距1.5 m，排距1.5 m，拱頂錨索長8 m，墻壁錨索長6 m，灰砂比為2∶1的砂漿全長黏結。

2 復雜多斷層段底柱巷道隨崩落出礦過程的變形狀況

礦山以2 500 m2/月的拉底速度推進，已完成拉底面積超過6萬m2，共200多個出礦點。隨著拉底爆破、出礦沖擊等采礦作業(yè)的進行，地壓顯現日益突出，拉底推進線附近的出礦巷道出現頂板下沉、底鼓、兩幫收斂等劇烈變形，特別是多斷層交匯段出礦巷道變形開裂嚴重，見圖2(a)。 微震監(jiān)測事件數值變化明顯(圖2(b))，巷道頂板下沉速度高達50 mm/d，監(jiān)測的應力值超過10 MPa。出礦巷道嚴重變形導致出礦設備運行困難，巷道支護維護頻繁，生產管理難度大，礦山安全隱患大。

3 底部結構巷道破壞變形機理

結合自然崩落法的采礦特點，分析采礦作業(yè)過程中的底柱巷道受力規(guī)律，其變形破壞原因主要有以下幾種情況。

3.1 拉底峰前應力激化斷層錯動，巖柱或巖墻加劇巷道破壞

隨著生產出礦工作的推進，拉底面積擴大，礦體崩落向上發(fā)展，拉底推進線(拱腳)處出現應力集中。經現場微震、巷道收斂計和應力計等綜合監(jiān)測結果顯示，拉底推進線前后25 m間的底部結構變形明顯，微震事件數多、應力值大、巷道收斂，拉底推進線前20 m區(qū)域屬于危險區(qū)域，其應力值最大。崩通地表后，拱腳處應力雖得到一些釋放，但仍屬于應力集中區(qū)。拉底推進線前方的應力范圍和大小，主要取決于拉底方式、速度以及上覆巖層的厚度等。當斷層交匯位置的支護型式不合理或長期未持續(xù)松動出礦時，峰前應力值極易超過巖體和支護體的極限承載力，沿斷層或軟弱面發(fā)生流變破壞，逐漸出現密集斷裂紋，不及時支護將造成巷道垮塌。另外，開采區(qū)的5條縱橫交錯的斷層將礦體切割成大小不均的10多個礦塊，巖體整體破碎，拉底爆破控制不好易形成巖墻、巖柱等爆破質量問題。巖墻、巖柱等處理不及時，會積聚巨大應力，隨著拉底面積擴大導致其影響范圍內的巷道長期應力集中，加劇巷道的破壞。

3.2 西側巖體放礦滑動，多應力作用加劇底柱巷道變形

地表塌陷區(qū)范圍由礦體賦存特點、礦巖可崩性、地質構造等因素決定，理想無斷層礦體崩落往往是沿邊部放礦口向拉底區(qū)域內某一角度向上發(fā)展，地表塌陷外圈形狀與井下拉底區(qū)域形狀為相似圖形，形成“倒八”或“正八”形狀的塌陷區(qū)。

結合放礦理論和塌陷形狀相似性分析，地表理論塌陷區(qū)形狀(細實線圈)應與拉底推進線(虛線圈)形狀相似，但實際形狀出入較大(圖3)。 由圖3(a)中東側的粗細實線重合，推測塌陷區(qū)東側邊界與拉底基本一致，而西側實際塌陷邊界(粗實線)超出理論邊界(細實線)間距約100 m，結合西高東低的地形地貌特點分析，認為地勢高的西側地表散體向地勢低凹的東側下滑，見圖3(b)。 結合格里菲斯節(jié)理面破壞理論分析，位于坡頂段西側破碎礦體(楔形體)在斷層和節(jié)理作用下被切割，隨著拉底、出礦等采礦影響下逐步貫通形成優(yōu)勢滑動面，受重力作用逐漸向下移動，初步分析西側下滑楔形體體積約250萬m3。底部結構巷道受西側楔形體下滑作用力，經過模擬，其下滑作用力高達11.3 MPa，受到剪切破壞。

圖3 理論崩落與實際崩落范圍對照圖Fig.3 Theoretical collapse and actual collapse range

3.3 斷層構造結構面的存在，削弱巷道支護體強度

結合現場斷層情況，采用FLAC3D軟件模擬底柱已進行噴錨網+長錨索聯合支護巷道在穿過厚1.5 m，傾角65°的斷層段的受力情況分析，模擬時礦山巖體力學參數見表3，巷道支護體力學參數見表4，斷層構造段巷道模擬的應力特征和位移特征模擬情況見圖4。模擬分析認為，過斷層處的底柱巷道在采用了噴錨網+長錨索聯合支護后的豎向位移和最大主應力減小，穩(wěn)定性有一定改善，但在斷層方向仍存在一定的塑性區(qū)，存在不穩(wěn)定性。

圖4 過斷層段的雙層噴錨網支護巷道模擬圖Fig.4 Simulation diagram of double-layer spray anchor net support roadway through fault section

表3 巖體力學參數Table 3 Rock mass mechanical parameters

3.4 崩落中放礦橢球體變化，反復加、卸底部結構應力

崩落面與散體面能始終保持有7～8 m的間隙是最適宜的放礦控制管理高度。放礦速度過快，易突發(fā)沖擊波；放礦速度過慢，崩落礦石易被壓實，出現板結。周杭[5]認為，漏斗放礦時因散體內主應力的改變會出現高動態(tài)應力現象。另外，礦石粒徑影響放礦橢球體的直徑，松散和顆粒較小的礦石容易形成瘦長型的橢球體，反之形成胖橢球體。同樣的放礦速度，斷層附近的礦石顆粒相對其他區(qū)域較小，形成瘦長型橢球體，而在底部結構間距不變的情況下，容易使橢球體影響區(qū)域不能覆蓋到相鄰穿脈區(qū)域或不能與相鄰放礦橢球體相交，則在出礦穿脈上形成放礦殘余脊柱(圖5)，長期的脊柱壓力的存在，造成應力集中，不利于底部結構穩(wěn)定。

圖5 放礦點間距和放礦帶關系圖Fig.5 Relationship between the spacing of the ore deposits and the ore zone

4 地壓控制及支護措施

4.1 底部結構地壓控制措施

1) 加快斷層附近的拉底速度，減小前鋒應力滯留時間。隨著崩落面積擴大，作用于底部結構的拱腳應力增大，一旦有斷層穿過，巷道的整體強度變弱，時間一長巷道將沿著斷層的薄弱處開裂變形破壞。依據巖體蠕變理論，過斷層地段或破碎地段應加快拉底速度，縮短峰前應力的滯留時間。

2) 堅持超前拉底，減少底部結構應力作用。超前拉底的方式，出礦水平的聚礦槽施工始終處于已拉底爆破應力卸壓區(qū)，一定程度降低了拉底峰前應力對出礦巷道的作用。梁江波等[7]、劉華武等[8]認為超前拉底方式有助于底部結構中巷道的應力釋放，有利于聚礦槽和出礦巷道的穩(wěn)定。堅持拉底超前聚礦槽施工20～30 m，避開拱腳的最大應力作用和拉底爆破震動的反復沖擊，減小底部結構變形破壞幾率。

3) 巷道支護體壁后斷層段注漿，墻壁增加鋼管混凝土立柱。結合前面支護模擬分析，斷層段雙層錨網和長錨索巷道支護體仍然存在一定應力集中和塑性變形區(qū)。為改善斷層破碎狀態(tài)和提高斷層段巷道的強度和完整性，采用巷道支護體壁后注漿，實現斷層段巷道的穩(wěn)定，同時在斷層下沉地段巷道墻壁增加鋼管砼立柱，主動與被動相結合，以抑制頂板下沉和巷道變形。

4) 適當增加滑體下盤的出礦量，降低下滑體對底柱的沖擊。斷層交匯段的西側拉底線附近區(qū)域壓力較大，混凝土多處開裂嚴重，由圖4(a)分析認為西側礦體區(qū)域受斷層影響，形成礦塊下滑沖擊剪切，導致底部結構受多重應力疊加作用破壞。為此，加快西南部區(qū)域(及下滑體下盤)拉底推進速度，盡快出礦作業(yè)，破壞西側塊體下滑接觸面，減少斷層交匯段滑體沖擊作用力。

5) 加強拉底爆破質量管控，杜絕巖墻、巖柱等不良礦柱的存在。自然崩落法拉底爆破的質量是控制地壓的關鍵，爆破參數設計不合理，容易形成巖墻、巖柱、樓板等爆破不良事件，處理不及時將成為應力集中點。結合斷層炮孔容易破壞變形特點，合理優(yōu)化拉底和聚礦槽中深孔的爆破設計，實時跟蹤檢查，保證每次爆破效果，一經發(fā)現爆破的不良礦柱，采取措施及時消除。

6) 合理控制放礦，減少底柱的地壓作用。合理有效放礦不僅能控制礦石損失貧化指標，還能避免底部結構斷層地段產生高應力集中點。已設計的放礦點間距和底部結構參數，結合礦石流動性、黏結性等特點，合理控制放礦橢球體的“胖瘦”，即做到相鄰出礦點的放礦橢球恰好疊加，避免形成脊部礦石柱的高壓應力。

7) 完善微震等綜合地壓監(jiān)測，建立底柱變形監(jiān)測預報。近2年的微震、應力等綜合地壓監(jiān)測分析，能有效監(jiān)測底部結構巷道變形情況，提升巷道加固時機的可靠性，較好指導井下采礦作業(yè)。由于微震信號受斷層影響衰減較快，隨拉底面積的增加，需進一步優(yōu)化監(jiān)測，建立底柱變形自動預報系統。優(yōu)化微震、應力與應變等綜合監(jiān)測點，實時自動采集底部結構巖體隨生產的破裂、應力變化等信息，動態(tài)開展穩(wěn)定性關聯分析，及時掌握生產過程動態(tài)變化規(guī)律，及時提供適宜的加固時機。

4.2 斷層段巷道補強加固支護

由模擬分析可知，斷層段巷道的雙層噴錨網+長錨索聯合支護體還存在一定的塑性區(qū)，為提高支護體內部的破碎礦巖的整體性，巷道支護體壁后斷層用超細水泥注漿，斷層部位或牛鼻子等暴露面積較大位置增加鋼管混凝土立柱(圖6)?；炷亮⒅捎莽?00～500 mm的鋼管(徑厚比≤20，高徑比≤20)制作安裝，間距1.5 m，鋼管底托板采用600 mm×600 mm×20 mm鋼板。

圖6 斷層附近巷道支護后穩(wěn)定情況Fig.6 Stability after roadway support near fault

5 采取措施及加固支護后巷道使用效果

通過上述的控制管理措施及加固方式，斷層帶巷道變形緩慢，實施后幾個月的監(jiān)測數據分析結果顯示，巷道收斂變形速度由采取措施前的20 mm/d降至0 mm/d，微震事件數由500個降至50個以下(圖7)。其他監(jiān)測數值亦有類似明顯減少的變化趨勢，表明底部結構巷道逐步趨于穩(wěn)定。

圖7 采取措施后微震監(jiān)測情況Fig.7 Microseismic monitoring after taking measures

6 結 論

1) 布置有密集工程的16 m高的底柱整體性較弱，加之多條縱橫交錯斷層的存在，其底柱中巷道的穩(wěn)定性差。再受拉底峰前集中應力、放礦應力和爆破震動等采動活動形成的動載荷作用，底柱巷道極易出現兩幫擠壓錯動、頂沉底鼓等變形破壞現象。

2) 通過對底柱巷道變形破壞機理的分析，提出斷層交匯段加快拉底、合理控制放礦速度、優(yōu)化爆破設計以避免形成不良巖柱等的控制管理措施，實施后對減少巷道變形破壞有著明顯效果。

3) 穿過斷層段巷道采用噴錨網+長錨索支護+超細水泥壁后注漿，同時斷層下盤巷道墻壁適當增補鋼管混凝土立柱，實現主被動支護相結合，能有效抑制底柱出礦巷道變形，保障了礦山安全持續(xù)采礦工作。