張德全，張煜暉，寇子順

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

某鈾礦床有9號、7號2個主要成礦帶，在已開拓的-150 m中段以上7號帶資源量充足；但因礦體破碎，如果采用現(xiàn)有的水平分層干式充填采礦法采礦，面臨脈內(nèi)巷道掘進困難、頂板不穩(wěn)定、采掘作業(yè)安全性差、回采效率低等問題，導(dǎo)致目前還未開采7號帶破碎礦體。

高效連續(xù)開采技術(shù)是目前地下開采的發(fā)展方向之一，該礦床7號帶產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，平均厚度為2.94 m，經(jīng)研究采用無間柱分段深孔連續(xù)開采技術(shù)進行開采，以提高采場生產(chǎn)能力、降低采礦成本[1]。深孔的成孔質(zhì)量是保證鑿巖速度、深孔爆破崩落效果的前提；但該礦床在開拓、生產(chǎn)中因礦體破碎，落礦炮孔施工難度大，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔塌落、堵塞和卡鉆現(xiàn)象。在深孔爆破落礦過程中，無法保證合理的裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥質(zhì)量，導(dǎo)致鉆孔底部礦石無法充分爆破，產(chǎn)生隔墻及大塊，影響爆破、出礦效率，增大礦石損失貧化，浪費資源[2]。

針對該礦床破碎礦體開采技術(shù)難題，開展破碎礦體深孔成孔控制技術(shù)研究。

1 破碎礦體的鉆孔破壞分析

鉆孔破壞主要受地應(yīng)力、礦巖性質(zhì)、礦巖結(jié)構(gòu)、鉆孔成孔工藝及回采爆破振動等因素綜合作用，呈現(xiàn)鉆孔坍塌、堵孔、卡鉆或者錯孔等形式。鉆孔破壞致使鉆孔報廢，無法裝藥爆破。

1.1 鉆孔破壞形式

7號帶礦體呈脈狀，產(chǎn)狀為(249°～270°)∠(72°～90°)，賦存標(biāo)高為200～-326 m，平均厚度為2.94 m，含礦巖性為硅化碎裂巖、蝕變碎裂花崗巖，上、下盤圍巖相對較穩(wěn)定；但礦體破碎，局部地段容易冒落。沿脈巷道掘進，多次發(fā)生片幫冒頂現(xiàn)象。生產(chǎn)探礦掘進的脈內(nèi)巷穩(wěn)定性差，在-50 m、0 m及50 m中段施工的穿脈及脈內(nèi)巷，多處發(fā)生片幫冒落，在局部破碎地段冒落達7～8 m以上，并斷續(xù)向上冒落，致使生產(chǎn)不能正常進行。

據(jù)該礦床開拓、生產(chǎn)、探礦調(diào)查統(tǒng)計，因礦體破碎，裂隙節(jié)理發(fā)育，鑿巖施工難度大，在破碎嚴(yán)重的地段容易發(fā)生卡鉆；遇破碎礦體鉆孔容易發(fā)生塌孔、堵孔、錯孔等問題。

1.2 鉆孔破壞影響因素

鉆孔破壞影響因素主要有：1)7號帶礦體破碎、裂隙節(jié)理發(fā)育，其圍巖力學(xué)強度較低，易發(fā)生松動、形變，碎裂礦巖吸水易發(fā)生膨脹擠孔，導(dǎo)致出現(xiàn)塌孔、堵孔等現(xiàn)象；2)破碎礦體受自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的疊加作用，隨回采巷道、采場開挖推進，在井下采礦工程圍巖內(nèi)形成松動圈，鉆孔施工通過松動圈時孔壁巖體所受應(yīng)力不斷變化，圍巖剪切滑移導(dǎo)致錯孔破壞[3]；3)回采爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波、地震波和地應(yīng)力疊加作用會對鉆孔產(chǎn)生持續(xù)破壞，礦巖強度被削弱，鉆孔易發(fā)生張拉或剪切破壞[4]；4)破碎礦巖通常呈現(xiàn)較強的流變特性，隨著鉆孔空置時間增加，鉆孔周圍礦巖變形不斷增長，塑性區(qū)不斷擴大，礦巖強度逐漸降低，同時受回采爆破、采動應(yīng)力頻繁作用影響[5]；5)受回采應(yīng)力場轉(zhuǎn)移、水的侵蝕破壞、爆破沖擊應(yīng)力的半波損失拉應(yīng)力作用，易產(chǎn)生鉆孔破壞[6]。

2 破碎巖體深孔變形破壞數(shù)值模擬分析

針對該破碎礦體鉆孔破壞的回采爆破、鉆孔空置時間影響因素，可以采取毫秒延時爆破、盡早裝藥爆破措施，降低甚至避免對鉆孔破壞的影響。綜合考慮該巖體既不是連續(xù)介質(zhì)，又不是松散介質(zhì)，而是一種特殊復(fù)雜的地質(zhì)體，用一般的固體力學(xué)理論尚不能圓滿解決巖體工程中的所有問題。為此，借助FLAC3D從礦巖性質(zhì)和應(yīng)力場作用方面對鉆孔變形破壞進行數(shù)值模擬[7]。考慮現(xiàn)場情況，兼顧7號礦帶的整體回采順序，選擇50～-50 m中段7號帶破碎礦體內(nèi)的鉆孔為模擬分析對象；通過模擬不同鉆孔埋深、不同鉆孔直徑、不同地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)對鉆孔周圍礦巖應(yīng)力、位移及破壞分布特征，獲取這類因素對鉆孔穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以制定相應(yīng)的控制措施。

破碎巖體深孔變形破壞數(shù)值模擬選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[8]，建立網(wǎng)格模型尺寸長×寬×高為1.0 m×2.0 m×2.0 m，模型材料參數(shù)見表1。鉆孔處于模型中心部位，采用Null Model模擬成孔，建立的網(wǎng)格模型如圖1所示[9]。

表1 計算模型材料參數(shù)

圖1 鉆孔變形失穩(wěn)計算模型及單元劃分

2.1 鉆孔埋深對其穩(wěn)定性的影響

考慮到鉆孔直徑、鉆孔長度相較于礦體埋深來說較小，假設(shè)沿鉆孔軸向方向上，圍巖應(yīng)力變化條件一致；在垂直于鉆孔軸向的剖面上，鉆孔圍巖應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)范圍均對稱分布于鉆孔兩側(cè)。為便于建立模型和計算，模型鉆孔建為水平鉆孔，模擬鉆孔位于50 m、0 m、-50 m中段時鉆孔周圍礦巖應(yīng)力、位移及破壞分布特征，分析鉆孔埋深對其穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 鉆孔位于0 m中段時模擬結(jié)果

圖3 鉆孔位于不同中段位置時位移變化

圖4 鉆孔位于不同中段位置時塑性區(qū)體積變化

從圖2～4可看出：破碎礦體內(nèi)鉆孔的變形、塑性區(qū)范圍隨鉆孔埋深的增大而增大，鉆孔周圍的垂直應(yīng)力與埋深呈正相關(guān)；垂直應(yīng)力場對稱分布于鉆孔兩側(cè)，但最大垂直應(yīng)力距離孔壁有一定距離，并不是直接作用于孔壁，此距離同樣隨埋深增加而不斷增大。

2.2 鉆孔直徑對其穩(wěn)定性的影響

模擬孔徑為65、70、75、80、85 mm時鉆孔周圍的礦巖應(yīng)力、位移及破壞分布，如圖5～7所示。

圖5 不同鉆孔直徑時塑性區(qū)體積變化

圖6 不同鉆孔直徑下位移變化

圖7 不同鉆孔直徑下塑性區(qū)分布

由圖5～7可知，隨鉆孔直徑增大，破碎礦體內(nèi)的鉆孔圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)范圍都呈增大趨勢；鉆孔變形受直徑大小的直接影響，鉆孔圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)范圍、最大位移隨直徑增大而增大，且最大垂直位移、塑性區(qū)范圍的增加速率在孔徑超過80 mm后明顯加大。

2.3 地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)對鉆孔穩(wěn)定性的影響

在不同地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)時，鉆孔周圍礦巖應(yīng)力、位移及破壞分布如圖8～9所示?？梢钥闯觯S著側(cè)壓系數(shù)的增大，鉆孔圍巖位移增大，頂?shù)装宓淖畲笃茐姆秶苍龃?。這說明在構(gòu)造應(yīng)力、動壓作用下，承壓區(qū)內(nèi)的鉆孔更易發(fā)生破壞。

圖8 不同側(cè)壓系數(shù)下位移變化

圖9 不同地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)時塑性區(qū)體積變化

3 破碎礦體深孔成孔控制措施及現(xiàn)場試驗

3.1 破碎礦體深孔成孔控制措施

根據(jù)鉆孔破壞形式及原因分析，結(jié)合深孔變形破壞數(shù)值模擬分析結(jié)果，得出控制鉆孔破壞可以采取的措施。

3.1.1 適當(dāng)增大鉆孔直徑

增大鉆孔直徑，可以減小鉆頭、鉆桿被散落碎渣卡死的可能性。雖然應(yīng)力、位移及塑性區(qū)范圍均隨直徑增大呈增加趨勢，但鉆孔直徑小于80 mm時，增加幅度較小，因此鉆孔直徑可以適當(dāng)增大到75 mm。

3.1.2 縮短鉆孔空置時間

采取合理的采場回采順序，縮短鉆孔鉆進成孔時間以及成孔后裝藥爆破時間，降低空置時間導(dǎo)致鉆孔破壞的幾率及程度[10]。

3.1.3 采用毫秒延時爆破

采用毫秒延時爆破，降低同段爆破炸藥量，從而降低爆破震動。

3.1.4 加強支護

針對破碎區(qū)段采取支護措施，改變破碎礦巖的應(yīng)力狀態(tài)，破碎段巷道掘進實行光面爆破，保證巷道穩(wěn)定性，降低鉆孔破壞的幾率[11]。

3.2 破碎礦體深孔成孔現(xiàn)場試驗

采用毫秒延時爆破降低爆破振動，主要是使鉆孔成孔后保持穩(wěn)定，以滿足合理裝藥，實現(xiàn)有效爆破；采取加強支護，主要是提高圍巖強度及巷道穩(wěn)定性。相較于這2項措施，適當(dāng)增大鉆孔直徑和縮短鉆孔時間更便于實施。

現(xiàn)場試驗主要是通過在破碎礦體中以不同直徑、不同型式的鉆頭施工鉆孔，考查鉆機的施工效率、成孔效果及工作穩(wěn)定性。對比不同直徑、不同型式的鉆頭的施工效率、成孔效果，選取合適的鉆頭；通過補充探明礦體邊界、品位等信息，合理確定破碎礦體采場布置。

試驗鉆孔設(shè)計布置在0 m中段9MY-1平巷內(nèi)，鉆孔呈上向扇形布置，試驗鉆孔設(shè)計參數(shù)見表2。采用JP90D型圓盤式鉆機，分別采用直徑65、70、75 mm的端面平型和端面凸型鉆頭施工，統(tǒng)計不同深度鉆孔的平均鉆進速度及后續(xù)測量的孔內(nèi)坍塌、堵孔等導(dǎo)致的鉆孔破壞平均長度，結(jié)果如圖10～11所示。

表2 試驗鉆孔參數(shù)

圖10 不同規(guī)格鉆頭在不同深度的平均鉆進速度

圖11 不同規(guī)格鉆孔在不同空置時間的平均破壞長度

綜合圖10與試驗記錄可知：總體上端面凸型鉆頭的鉆進速度大于端面平型鉆頭的鉆進速度；小直徑鉆頭的鉆進速度大于大直徑鉆頭的鉆進速度；小直徑端面凸型鉆頭的鉆進速度受卡鉆問題影響而起伏較大，直徑70、75 mm的端面凸型鉆頭鉆進速度更為平穩(wěn)，發(fā)生卡鉆幾率小。

從圖11可知，各孔內(nèi)均發(fā)生了不同程度的破壞，破壞長度約為鉆孔長度的10%～15%。破壞發(fā)生于見礦部位時，鉆孔直徑越小，破壞長度越大，直徑65 mm時的后續(xù)破壞程度明顯高于直徑70、75 mm時的鉆孔破壞程度。這也契合了適當(dāng)增大鉆孔直徑可以維護鉆孔穩(wěn)定的數(shù)值計算結(jié)果。對試驗鉆孔破壞深度的測量結(jié)果顯示，鉆孔持續(xù)6天時間內(nèi)最大破壞長度不到30 cm；持續(xù)9天時間，有3個鉆孔的破壞長度超過40 cm。相對于鉆孔深度來說，適當(dāng)增大鉆孔直徑明顯減少了破碎礦體深孔塌孔、堵孔問題。在該礦床破碎礦體深孔爆破采礦過程中，采用直徑75 mm端面凸型鉆頭進行鑿巖，可保證鉆孔施工效率，減少卡鉆情況的發(fā)生，并且可以降低成孔后的變形破壞。

4 結(jié)論

鉆孔變形、塑性區(qū)范圍隨鉆孔埋深的增大而增大，應(yīng)力場對稱分布于鉆孔兩側(cè)，并形成垂直應(yīng)力增高區(qū)，最大垂直應(yīng)力作用在距孔壁一定距離處。應(yīng)力、位移及塑性區(qū)范圍都隨鉆孔直徑增大而呈增加趨勢，最大位移的變化速率隨鉆孔直徑增大而變快，最大垂直位移、塑性區(qū)范圍的增加速率在孔徑超過80 mm后明顯加大。鉆孔位移隨側(cè)壓系數(shù)的增大而增大，增加速率也加快，在構(gòu)造應(yīng)力、動壓作用下承壓區(qū)內(nèi)鉆孔更易發(fā)生破壞。

在破碎礦體深孔成孔中宜采取適當(dāng)增大鉆孔直徑、縮短鉆孔空置時間、實施毫秒延時爆破、加強巷道支護等措施。適當(dāng)增大鉆孔直徑，可有效提高鉆孔成孔質(zhì)量，保證深孔爆破落礦效果。