吳昊燕， 劉育明， 寇永淵， 王志遠， 張愛民， 張少杰

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.金川集團二礦區(qū)， 甘肅 金昌 737100)

1 前言

隨著人類對資源的不斷需求，深井礦山的開采成為必然面對的挑戰(zhàn)。然而深部礦產(chǎn)資源的開采難度不容小覷，其中，深井礦山“三高一擾動”的高地壓問題一直是巖石力學(xué)專家聚焦的熱點研究問題[1]。

2 卸壓開采

高地壓引發(fā)的巖爆、巷道大變形、采場垮塌等問題嚴(yán)重影響礦產(chǎn)開采的正常運行。針對此問題，眾多專家學(xué)者[2-4]提出了不同的卸壓方法，有限元數(shù)值計算方法也逐漸成為卸壓模擬研究的重要手段[5-7]。所謂的卸壓，即為保證礦山深部順利開采或深部巷道掘進，通過應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理，將局部高地應(yīng)力通過一定的卸壓措施轉(zhuǎn)移至四周或深部圍巖，改善巖體應(yīng)力分布狀態(tài)，降低開挖區(qū)應(yīng)力。較為常見的卸壓方法有鉆孔卸壓、水力卸壓、爆破卸壓、卸壓槽/巷道卸壓等。冀國飛[8]用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)對工作面頂板巖體進行預(yù)裂卸壓，巷道圍巖變形得到了有效的控制，保證了回采工作面的安全。于世波等[9]以會澤鉛鋅礦為背景，基于應(yīng)力隔斷帷幕的底柱采場卸荷，使應(yīng)力集中遠離目標(biāo)開采區(qū)域，從而實現(xiàn)了對目標(biāo)開采區(qū)域的“卸荷”，應(yīng)力隔斷帷幕的實施大幅度降低了底柱的巖爆應(yīng)力風(fēng)險指標(biāo)。于世波等[10]通過深部區(qū)域采礦時序的地壓調(diào)控，即通過調(diào)整回采時序來實現(xiàn)開采作業(yè)區(qū)域附近巖體的效卸荷。

3 金川二礦區(qū)回采模擬研究

3.1 工程背景

金川鎳礦是世界著名的多金屬共生的大型硫化銅鎳礦床之一，發(fā)現(xiàn)于1958年，集中分布在龍首山下長6.5 km、寬500 m的范圍內(nèi)，具體如圖1所示，金川礦床以東西走向分別為Ⅳ、Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ礦區(qū)。其中Ⅱ礦區(qū)最大的主產(chǎn)礦山，二礦區(qū)中1號(富礦為主)、2號(貧礦為主)礦體占儲量的99.31%。1號礦體為礦區(qū)最大礦體，占鎳金屬量全礦區(qū)總資源儲量的56.8%，分布于Ⅰ礦區(qū)4行至Ⅱ礦區(qū)29行間的巖體深部，全長1 844 m。礦體形態(tài)較規(guī)則，呈“似層狀”產(chǎn)出，產(chǎn)狀與下部巖體基本一致，傾向南西，傾角25°～75°。1號礦體長約1 600 m，厚10～200 m，以富礦為主。2號礦體長約1 300 m，平均厚度118 m，以貧礦為主。

圖1 金川各礦區(qū)劃分

金川礦區(qū)由于地質(zhì)歷史時期受過多次構(gòu)造運動影響，斷裂、節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，加之本區(qū)現(xiàn)今仍處于構(gòu)造活動期，這就為地面和地下工程的穩(wěn)定帶來極為不利的影響。金川鎳礦的巖石力學(xué)問題突出，幾十年來一直受到國內(nèi)外學(xué)者專家的關(guān)注。尤其進入深部開采后，隨著深部地應(yīng)力的增加，礦山地質(zhì)條件復(fù)雜化進一步加劇，構(gòu)造發(fā)育，礦巖破碎，巷道圍巖碎脹蠕變明顯，巖體整體性、穩(wěn)定性極差，深部巷道和采場失穩(wěn)問題愈加嚴(yán)重，巷道變形如圖2所示。通過長達近10年的采礦方法探索與試驗研究，二礦區(qū)最終選擇了大面積無間柱連續(xù)機械化下向水平分層充填采礦方法。當(dāng)前開拓系統(tǒng)最深至650 m水平，最大采深826 m水平。

圖2 金川二礦區(qū)巷道變形實例

3.2 金川二礦數(shù)值模型

將二礦區(qū)地質(zhì)模型導(dǎo)入FLAC3D，并劃分上盤圍巖、下盤圍巖、超基性巖、貧礦、富礦分組。模型尺寸為礦體傾向方向x軸2 000 m，沿礦體走向y軸3 600 m，垂直方向z軸2 000 m，共生成約160萬個網(wǎng)格單元。模型情況如圖3所示。其中，綠色表示圍巖，黃色表示超基性巖，藍色表示貧礦，粉紅色表示富礦。

圖3 金川二礦區(qū)數(shù)值模型

綜合現(xiàn)有研究報告，富礦、貧礦、圍巖、充填體巖石力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 模型礦巖體力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)金川礦區(qū)最近研究成果，二礦區(qū)最大主應(yīng)力為水平構(gòu)造應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向為北北東向，與礦體走向垂直。模型內(nèi)部施加階梯地應(yīng)力，地應(yīng)力水平隨著埋深增加而增大，礦區(qū)地應(yīng)力計算公式為

σ1=3+0.045H

(1)

σ2=3+0.027H

(2)

σ3=0.077+0.024H

(3)

式中：σ1——最大主應(yīng)力，與礦體走向垂直，MPa；

σ2——最小水平主應(yīng)力，與礦體走向一致，MPa；

σ3——豎直方向主應(yīng)力，MPa；

H——埋深，為從地表至某一點的高程差，m。

初始應(yīng)力模擬如圖4、5、6所示。對比金川礦區(qū)歷史上三次地應(yīng)力測量結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖4 初始應(yīng)力x

圖5 初始應(yīng)力y

圖6 初始應(yīng)力z

3.3 金川二礦區(qū)采充順序

本次研究的主要目的是探討850 m中段以下開采水平礦柱的應(yīng)力演化和穩(wěn)定性分析。根據(jù)礦區(qū)的開采實際，將850 m中段以上簡化采充模擬，每50 m一回采并充填。850 m中段以下細化模擬，每10 m一開采充填。為模擬不同厚度水平礦柱的穩(wěn)定性和應(yīng)力演化，僅對富礦體考慮開挖和充填。具體采充模擬順序設(shè)計見表2。

表2 金川二礦區(qū)采充模擬順序表

4 模擬結(jié)果分析

4.1 不同厚度水平礦柱的最大主應(yīng)力演化

如圖7所示，當(dāng)采充至850 m水平時，最大主應(yīng)力云圖顯示850 m水平以下出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中區(qū)，該應(yīng)力集中區(qū)分布于814 m水平運輸巷道周圍，模擬結(jié)果與現(xiàn)場814 m水平巷道破壞變形嚴(yán)重較為吻合。在未采取任何卸壓措施的條件下，對850～840 m水平和790～780 m水平的礦體同時進行開采。結(jié)果如圖8所示，此時礦柱厚50 m，模型整體應(yīng)力進行重新分布調(diào)整。814 m水平運輸系統(tǒng)附近應(yīng)力得到大范圍減小，中間礦柱部分形成貫通的應(yīng)力降區(qū)域，存在個別應(yīng)力集中較大的區(qū)域。

圖7 采充至850 m水平最大主應(yīng)力

圖8 礦柱50 m厚最大主應(yīng)力

對840～830 m水平和780～770 m水平礦體進行開采，卸壓范圍進一步增大。如圖9所示，此時水平礦柱厚40 m，礦柱卸壓貫通區(qū)面積增大。如圖10所示，對830～820 m水平和770～760 m水平礦體進行開采，30 m厚的礦柱附近卸壓區(qū)幾乎完全貫通。如圖11所示，繼續(xù)開采820～810 m水平和700～690 m水平礦體，此時上部水平礦柱厚20 m，卸壓較為全面。下部760～700 m水平之間礦柱厚60 m，且出現(xiàn)新的卸壓區(qū)貫通。如圖12所示，繼續(xù)開采810～800 m水平和690～680 m水平礦體，上部水平礦柱厚10 m，已形成完全卸壓狀態(tài)。下部礦柱50 m厚，700 m中段以上卸壓貫通范圍增大，應(yīng)力集中區(qū)域減小。應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的區(qū)域處于開采不連續(xù)區(qū)，如左側(cè)50 m寬區(qū)域。此應(yīng)力集中問題在實際開采過程中可以通過合理規(guī)劃納入開采范圍從而形成連續(xù)卸壓開采解決。

圖9 礦柱40 m厚最大主應(yīng)力

圖10 礦柱30 m厚最大主應(yīng)力

圖11 礦柱20 m厚最大主應(yīng)力

圖12 礦柱10 m厚最大主應(yīng)力

4.2 不同水平監(jiān)測點最大主應(yīng)力變化

分別在790 m水平、750 m水平和700 m水平設(shè)置三個應(yīng)力監(jiān)測區(qū)，如下圖紅色、綠色、黑色方塊所示，相應(yīng)最大主應(yīng)力曲線如紅色、綠色、黑色曲線。圖中藍色為貧礦，黃色為超基性巖，粉色為富礦，橙色為充填體，淡綠色為圍巖。

如圖13所示，當(dāng)采充至850 m水平時，應(yīng)力得到重新分布和調(diào)整，三個應(yīng)力監(jiān)測點最大主應(yīng)力均有所增加。其中紅色曲線顯示790 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從最初40.4 MPa增加至約58 MPa，綠色曲線顯示750 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從最初約42 MPa增加至約52 MPa；黑色曲線顯示700 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從最初44 MPa增加至約50 MPa。

圖13 采充至850 m水平

如圖14所示，對850～840 m水平和790～780 m水平礦體進行開采，其中紅色曲線顯示790 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從最初58 MPa驟降至約21 MPa，卸壓效果極其顯著。綠色曲線顯示750 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從52 MPa持續(xù)增加至約75 MPa；黑色曲線顯示700 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從50 MPa增加至約57 MPa。

圖14 開采850～840 m/790～780 m水平

如圖15所示，對840～830 m水平和780～770 m水平礦體進行開采，其中紅色曲線顯示790 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從21 MPa略有增長至22 MPa，綠色曲線顯示750 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從75 MPa降至約40 MPa，稍小于最初應(yīng)力狀態(tài)；黑色曲線顯示700 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從57 MPa增加至約61 MPa。

圖15 開采840～830 m/780～770 m水平

如圖16所示，對830～820 m水平和770～760 m水平礦體進行開采，其中紅色曲線顯示790 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從22 MPa略有增長至23 MPa，綠色曲線顯示750 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從40 MPa繼續(xù)降至約23 MPa，遠小于最初應(yīng)力狀態(tài)；黑色曲線顯示700 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從61 MPa增加至約67 MPa。

圖16 開采830～820 m/770～760 m水平

如圖17所示，對820～810 m水平和690～680 m水平礦體進行開采，其中紅色曲線顯示790 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從23 MPa升至約30 MPa，綠色曲線顯示750 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從23 MPa升至約35 MPa；黑色曲線顯示700 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從67 MPa驟降至約26 MPa。如圖18所示，對810～800 m水平和680～670 m水平礦體進行開采，其中紅色曲線顯示790 m水平監(jiān)測點應(yīng)力從30 MPa降至約25 MPa，綠色曲線顯示750 m水平監(jiān)測點應(yīng)力略有升高；黑色曲線顯示700 m水平監(jiān)測點應(yīng)力略有升高。

圖17 開采820～810 m/690～680 m水平

圖18 開采810～800 m/680～670 m水平

4.3 卸壓影響范圍討論

縱觀圖7～12，采用下向充填開采時，開采水平上下1～2倍采高范圍內(nèi)會形成局部卸壓區(qū)，卸壓區(qū)下部形成應(yīng)力集中區(qū)。多水平同時開采時，兩水平之間的應(yīng)力集中區(qū)通過應(yīng)力重分布成為卸壓區(qū)，水平礦柱隨厚度的減小應(yīng)力逐漸降低。

本次模擬礦體開采嚴(yán)格按照富礦幾何形態(tài)邊界開采，因此存在大量同水平間斷開采，未采區(qū)易發(fā)生較大應(yīng)力集中。因此開采設(shè)計時應(yīng)盡可能保持同水平大范圍連續(xù)開采。

縱觀圖13～18，采用下向充填開采時，卸壓范圍下部應(yīng)力會升高，距離采場越近，應(yīng)力重分布影響越大，應(yīng)力升高越大。隨著開采的進行，卸壓影響范圍內(nèi)的應(yīng)力將驟降，最高可降至初始應(yīng)力的一半。但是多水平開采時隨著應(yīng)力重新分布的調(diào)整，會出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)與卸壓影響區(qū)疊加，因此出現(xiàn)應(yīng)力驟降后再升高。因此通過合理設(shè)計多水平同時開采，可以避免應(yīng)力集中區(qū)與卸壓區(qū)的疊加，保證采場和開拓系統(tǒng)盡可能處于卸壓影響范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

(1) 本文的初步模擬研究表明，金川二礦區(qū)采用的大面積無間柱連續(xù)機械化下向水平分層充填采礦方法屬于卸壓開采設(shè)計。

(2) 模擬結(jié)果顯示，模擬10 m采高時，開采水平上下1～2倍采高范圍內(nèi)(即10～20 m)為卸壓區(qū)，卸壓區(qū)以外下部為應(yīng)力集中區(qū)，距離開采水平越遠，應(yīng)力集中的影響越小。

(3) 多中段開采時的水平礦柱應(yīng)力隨礦柱厚度減小而逐漸減小。開采水平不連續(xù)時在間斷區(qū)易出現(xiàn)較大應(yīng)力集中。

在實際生產(chǎn)過程中，可以借助模擬研究結(jié)果，結(jié)合開拓系統(tǒng)位置，合理設(shè)計多水平同時開采，力求將重要采場和巷道處于卸壓影響范圍內(nèi)，減少處于應(yīng)力集中區(qū)的時間。為達到良好的卸壓效果，必要時應(yīng)盡可能保證同水平連續(xù)開采，避免出現(xiàn)較大應(yīng)力集中。