王 翼，李 珍，尹圣凱，梁瑞軍，漆東生

(甘肅建投礦業(yè)有限公司，甘肅 永靖 731611)

溜井-平硐開拓作為一種運(yùn)輸方式常應(yīng)用于煤礦、金屬礦等地下礦山，隨著砂石行業(yè)大型化、集約化的發(fā)展趨勢(shì)，溜井-平硐開拓逐漸運(yùn)用到砂石行業(yè)中，已成為砂石礦山生產(chǎn)選擇與設(shè)計(jì)的重要方式[1]。但由于礦山采場(chǎng)降段導(dǎo)致海拔高度降低，溜井降段爆破及采礦活動(dòng)引起的震動(dòng)會(huì)對(duì)砂石礦溜井井底或平硐的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[2]，采場(chǎng)采面越低，爆破降段振動(dòng)波對(duì)溜井底部巷道硐室的影響越明顯，導(dǎo)致達(dá)到某間距后降段過程無法繼續(xù)。因此，研究某凝灰?guī)r砂石骨料礦山溜井降段過程對(duì)礦山的生產(chǎn)安全具有重要意義。

目前，溜井降段對(duì)溜井穩(wěn)定性的影響研究大多基于煤礦或金屬礦[3-7]，而對(duì)于砂石礦山溜井穩(wěn)定性的研究寥寥無幾。凝灰?guī)r露天礦隨開采臺(tái)階下降必須進(jìn)行溜井平臺(tái)降段，降段一定間距后，由于爆破等產(chǎn)生的強(qiáng)振動(dòng)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成的影響會(huì)迫使開拓方式發(fā)生改變，以提高礦石資源采出率，保證安全生產(chǎn)。本文以某凝灰?guī)r砂石骨料礦山為例，基于FLAC3D軟件溜井降段基本模型，對(duì)溜井爆破降段進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算，通過量化動(dòng)應(yīng)力變化及圍巖損傷破壞程度，計(jì)算出溜井爆破降段間距臨值，探究溜井爆破降段及采掘活動(dòng)對(duì)溜井穩(wěn)定性的影響。

1 礦山概況

該凝灰?guī)r露天礦位于高山區(qū)，屬于高山地貌，海拔在2 000～2 500 m之間，礦區(qū)溝谷發(fā)育，溝壑縱橫，形成兩山夾兩溝的地貌特征。爆破后的原礦由自卸卡車經(jīng)運(yùn)輸?shù)缆钒徇\(yùn)至溜井，剝離的廢土及廢渣由自卸汽車運(yùn)至永久排土場(chǎng)堆排。采場(chǎng)內(nèi)布置1條直徑6 m、井深185 m、井口標(biāo)高+2 210 m、采用鋼筋混凝土內(nèi)襯50 mm厚錳鋼釬永久支護(hù)的溜井，主要依賴重力流動(dòng)保證開采平臺(tái)到破碎硐室的原礦溜入井底，經(jīng)井下粗碎硐室內(nèi)的PG42-65型旋回破碎機(jī)破碎后，通過膠帶機(jī)平硐運(yùn)輸至半成品庫臨時(shí)堆存，凝灰?guī)r礦溜破系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 凝灰?guī)r礦溜破系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of slip breaking in tuff mine

2 溜井降段方法選擇

該凝灰?guī)r露天礦溜井布置在采場(chǎng)內(nèi)，隨著采場(chǎng)平臺(tái)海拔高度的下降，為溜井放礦創(chuàng)造更加便捷的條件，保證了溜井放礦及安全生產(chǎn)，溜井井口標(biāo)高相應(yīng)降段。每個(gè)階段溜井降段后，必須保證降段水平以下溜井壁及溜井圍巖的影響可以忽略不計(jì)，要求與原礦成分不相關(guān)的其余材料(如支護(hù)材料CF30錳鋼釬維混凝土)均不能落入溜井底部或者混入溜井原礦中，以免影響加工系統(tǒng)設(shè)備整體的優(yōu)良性能。

結(jié)合降段技術(shù)要求，通過貯礦降段法和直接爆破法的對(duì)比研究，可以減緩礦石流直接沖擊井壁，最重要的是還可以降低礦石自由下落高度，減輕對(duì)溜井中礦石的夯實(shí)度及礦石因自重而產(chǎn)生的額外碎礦，從而減少溜井堵塞的機(jī)會(huì)[8]。貯礦降段法能有效降低溜礦段的距離，有效防止原礦對(duì)溜井內(nèi)壁的沖擊作用，再者可以綜合運(yùn)用多種爆破技術(shù)，結(jié)合露天礦不同的爆破方法[9]，同時(shí)改變爆破參數(shù)[10-13]，靈活結(jié)合多種技術(shù)與環(huán)境因素[14]，采用貯礦降段法，最終實(shí)現(xiàn)溜井整體爆破降段。

3 模型構(gòu)建及模擬分析

FLAC3D軟件能夠模擬三維巖土達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)的破壞流變、塑性破壞、地震動(dòng)應(yīng)力、受荷載抗壓樁等力學(xué)變形行為。依據(jù)該礦山的實(shí)際情況，在模型左右邊界施加水平地應(yīng)力，且初始位移為零。溜井圍巖體是理想彈塑性體，符合model mohr準(zhǔn)則且地層中含有少量砂質(zhì)泥巖夾層，另外，由于該礦山膠帶機(jī)平硐水平與溜井首采平臺(tái)(+2 210 m)間距不大，模型高度為185 m，模型上部無承重地應(yīng)力，僅自身受到重力作用，表現(xiàn)為山間山體相互擠壓產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力或水平地壓，因此穩(wěn)定性分析需同時(shí)考慮自重應(yīng)力和水平山體擠壓力的影響。

3.1 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

基于FLAC3D軟件，通過對(duì)該礦山基本巖層條件對(duì)比及其三維數(shù)值分析，確定幾何參數(shù)為80 m×80 m×210 m的溜井爆破降段基本模擬模型(圖2)，溜井的貫通施工會(huì)對(duì)溜井圍巖產(chǎn)生工程性擾動(dòng)，而距離溜井半徑范圍內(nèi)較遠(yuǎn)的巖體基本不受影響，溜井內(nèi)部以彈性材料弱參數(shù)物充填，模擬貯礦降段法降段爆破，建立的模型應(yīng)盡量包含受溜井施工作業(yè)，貫通開挖擾動(dòng)影響的所有巖層或巖體，忽略該礦山運(yùn)輸平硐及膠帶機(jī)平硐開挖施工與溜井貫通過程中的影響，研究溜井(豎井)在降段爆破作業(yè)過程中溜井爆破降段影響的位移場(chǎng)及塑性分布情況，以便模擬溜井圍巖位移及塑性特征[15]，進(jìn)而對(duì)該礦溜井爆破降段整體進(jìn)行模擬。

圖2 溜井降段基本模型Fig.2 Basic model of descending section in chute

3.2 邊界條件確定

根據(jù)該礦山溜井圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，選取地質(zhì)報(bào)告中的相關(guān)參數(shù)及地質(zhì)概況作為溜井降段爆破分析的巖體力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力受力情況模擬值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的凝灰?guī)r基本參數(shù)見表1。 以此為基礎(chǔ)，確定模型的邊界條件為：對(duì)模型周圍的四面設(shè)置水平位移約束，施加水平地應(yīng)力場(chǎng)(壓應(yīng)力場(chǎng))進(jìn)行計(jì)算，以FLAC命令ini xdis=0、ydis=0、zdis=0；ini xvel=0、yvel=0、zvel=0，將初始化后的位移和速率清零，模型底部滿足并施加剛度約束，同時(shí)采用命令set gravity 0 0 10.0，對(duì)整個(gè)模型自上表面至最底部施加自重應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)該礦山巖層地質(zhì)條件確定邊界條件基本模型如圖3所示。

表1 凝灰?guī)r基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of tuff samples

圖3 邊界條件基本模型Fig.3 Basic model of boundary conditions

3.3 模擬結(jié)果分析

露天礦山溜井降段爆破過程中主要影響因素是避爆點(diǎn)與溜井水平距離較低和開采平臺(tái)的降段爆破，導(dǎo)致開采平盤逐漸降低，開采平臺(tái)與溜井底部平硐的間距逐漸縮小，動(dòng)載源對(duì)溜井的沖擊拉伸影響不斷增大[16-17]。因此，研究降段過程有助于溜井穩(wěn)定性的分析，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，對(duì)確保砂石行業(yè)露天礦山安全爆破及溜破安全生產(chǎn)具有重要意義。

3.3.1 水平位移場(chǎng)分析

在同一爆破能量、不同水平距離的條件下，增大露天爆破動(dòng)載源與溜井間的距離，可以研究爆破沖擊振動(dòng)波對(duì)溜井及其圍巖影響的逐漸變化過程[18]，研究距離范圍對(duì)溜井損傷的破壞及其發(fā)生機(jī)理。通過爆破沖擊震動(dòng)能量與溜井井壁距離分別為8 m、20 m、50 m不同沖擊下的位移圖像及損傷程度。在降段爆破動(dòng)載源能量大小相同的情況下，監(jiān)測(cè)溜井井底井壁位移變化規(guī)律。根據(jù)該礦山實(shí)際情況，溜井降段爆破動(dòng)載源距溜井不同距離的位移模擬云圖如圖4所示。

圖4 不同水平距離模擬云圖Fig.4 Simulated cloud images of different horizontal distance

根據(jù)圖4繪出溜井井底位移趨勢(shì)圖(圖5)，假設(shè)每次溜井降段爆破炸藥量一定，即爆炸產(chǎn)生的震源大小為定值。 當(dāng)降段爆破動(dòng)載源與溜井距離分別為3 m、24 m、50 m時(shí)，以History功能監(jiān)測(cè)溜井底部內(nèi)壁位移量[19]，動(dòng)載源水平距離24 m時(shí)，位移量為1.07 mm左右，水平距離50 m時(shí)，位移量為0.76 mm，由此可見，爆破對(duì)溜井井頸與溜井底部溜破系統(tǒng)的影響依次減小，水平距離由24 m增至50 m 時(shí)，位移減小量可達(dá)40.78%，結(jié)果證明爆破點(diǎn)到溜井的距離大于50～60 m時(shí)，溜井底部圍巖位移量斜率的變化率越來越小，塑性區(qū)域面積也相應(yīng)減小，爆破動(dòng)載沖擊對(duì)溜井圍巖的擾動(dòng)影響也會(huì)明顯降低。

圖5 溜井井底位移趨勢(shì)圖Fig.5 Displacement trend diagram of chute

3.3.2 豎直位移場(chǎng)分析

隨著開采工作平臺(tái)逐步下降，溜井平臺(tái)要經(jīng)常進(jìn)行爆破降段，采場(chǎng)溜井平臺(tái)與井底標(biāo)高+2 025 m之間的間距會(huì)逐漸減小，爆破動(dòng)載對(duì)硐室巷道圍巖的擾動(dòng)程度也會(huì)隨之變化，溜井降段爆破過程會(huì)對(duì)溜井穩(wěn)定性造成影響。 在溜井降段間距分別為12 m、48 m、96 m、144 m、168 m、180 m時(shí)，再次進(jìn)行爆破降段，以降段爆破等產(chǎn)生的動(dòng)載對(duì)溜井底部及圍巖受力變化進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示：當(dāng)降段距離下降首個(gè)溜井平臺(tái)時(shí)，溜井內(nèi)壁圍巖位移最大是0.90 mm；降段間距達(dá)到168 m時(shí)，溜井井底井壁最大位移量7.02 mm；降段間距達(dá)到180 m，最大位移增至17.83 mm；降段距離下降至144 m左右時(shí)，溜井井壁最大位移量明顯增高，達(dá)到3.90 mm左右。根據(jù)圖5可知，采場(chǎng)平臺(tái)與溜井底部平硐的間距縮小，即連續(xù)低采面爆破降段，造成溜井圍巖或平硐失穩(wěn)，其主要原因是降段爆破動(dòng)載過大，因此必須采取降震減震技術(shù)措施，避免出現(xiàn)錨噴支護(hù)、噴射砼支護(hù)掉塊或平硐和配電室出現(xiàn)水平向貫通剪切裂縫或豎向拉伸裂縫等現(xiàn)象。

圖6為溜井降段不同間距位移模擬云圖。由圖6可知，采場(chǎng)溜井平臺(tái)越降越低，降段爆破動(dòng)載對(duì)溜井的影響逐漸增大。開采初期，開采平臺(tái)較高，動(dòng)載對(duì)溜井造成的影響較小，但是生產(chǎn)中后期，采深增加，采面降低，持續(xù)對(duì)溜井進(jìn)行再爆破再降段，形成露天開采盆地型低采面，爆破動(dòng)載對(duì)溜井底部的圍巖塑性疲勞形變?cè)龃?圖7和圖8)，從時(shí)間變化數(shù)值模擬演變的塑性區(qū)域面積來看，降段間距越大，動(dòng)應(yīng)力對(duì)溜井圍巖的持續(xù)累加作用明顯；從不同降段間距下的同步動(dòng)畫演示可以看出，降段間距越大，采面越低，受動(dòng)應(yīng)力影響的溜井圍巖塑性區(qū)斷面面積不斷增大，垮塌風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)逐漸上升[20]。根據(jù)圖6繪制出豎直位移場(chǎng)中不同降段間距下位移趨勢(shì)圖(圖9)，由圖9可知，180 m以后最大位移發(fā)生突變，證明在動(dòng)載源與溜井圍巖距離較小的情況下，振動(dòng)波在一定范圍內(nèi)對(duì)圍巖的損傷是一種不可逆的大形變突變行為。

圖6 溜井降段不同間距位移模擬云圖Fig.6 Displacement simulation cloud diagrams of different spacing in descending section of chute

圖7 連續(xù)降段至96 m溜井?dāng)嗝鎳鷰r破壞過程Fig.7 Failure process of surrounding rock of chute section from continuous descending section to 96 m

圖8 連續(xù)降段至144 m溜井?dāng)嗝鎳鷰r破壞過程Fig.8 Failure process of surrounding rock of chute section from continuous descending section to 144 m

圖9 不同降段間距下位移趨勢(shì)圖Fig.9 Displacement trend diagram at differentdescending section

3.3.3 討論

根據(jù)以上建模分析，假設(shè)每次爆破所用炸藥量一定，即爆破動(dòng)載不變，溜井降段間距越大且動(dòng)載源至溜井的水平距離越小，溜井對(duì)動(dòng)應(yīng)力的影響越明顯，溜井圍巖塑性區(qū)面積越大。 隨著溜井降段采面越降越低，實(shí)際生產(chǎn)中后期降段距離達(dá)到144～168 m時(shí)，應(yīng)該采取安全技術(shù)措施，加強(qiáng)微震監(jiān)測(cè)，提高平硐頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰茰y(cè)量和監(jiān)測(cè)頻次，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采取相應(yīng)措施，保證人機(jī)安全。

依據(jù)模擬效果及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，按照每個(gè)臺(tái)階高度為12 m計(jì)算，溜井降段間距≤168 m就進(jìn)行開拓運(yùn)輸方式的改變，改變后剩余礦石資源保有量過大，溜井爆破降段間距>168 m時(shí)，爆破振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與靜載產(chǎn)生疊加作用，迫使硐室圍巖發(fā)生形變。因此，當(dāng)降段間距達(dá)到168 m時(shí)，自井底至采場(chǎng)水平礦段剩余高度間距為17 m，意味著一方面當(dāng)采場(chǎng)中深孔爆破發(fā)生在臨近溜井和平硐覆巖上表層時(shí)，降段爆破前必須采取安全技術(shù)措施，對(duì)平硐溜井系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析；另一方面綜合運(yùn)用多種露天礦控制爆破技術(shù)，保證溜井井壁和平硐、粗碎硐室的穩(wěn)定安全，當(dāng)溜井降段持續(xù)加強(qiáng)支護(hù)使得硐室上覆巖體間距達(dá)到極限護(hù)頂厚度5 m時(shí)，需采取公路開拓運(yùn)輸方式替代現(xiàn)有的開拓方式，開采剩余待降礦體，提高礦石資源采出率，保證溜井服務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

1) 模擬發(fā)現(xiàn)起爆瞬間，當(dāng)溜井降段爆破產(chǎn)生的巨大動(dòng)應(yīng)力震源與溜井平臺(tái)避爆點(diǎn)距離越小，動(dòng)載對(duì)溜井產(chǎn)生的沖擊破壞或疲勞損傷越大，并且動(dòng)載源距離避爆點(diǎn)50～60 m外，砂石骨料凝灰?guī)r露天礦采場(chǎng)構(gòu)筑物或者巖體的震動(dòng)頻率會(huì)明顯降低。

2) 爆破動(dòng)載的存在打破了原本穩(wěn)定的平硐溜井系統(tǒng)，導(dǎo)致原有的自重應(yīng)力場(chǎng)與采場(chǎng)爆破產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力疊加，產(chǎn)生動(dòng)靜載疊加作用。特別是溜井降段間距達(dá)到168～180 m時(shí)，動(dòng)載瞬間，巷道硐室內(nèi)表面產(chǎn)生的振動(dòng)速度值越來越高，且溜井井底內(nèi)壁將出現(xiàn)拉應(yīng)力值將超過硐室圍巖或支護(hù)材料CF30錳鋼釬維混凝土的抗拉強(qiáng)度，此情況下粗碎硐室或聯(lián)絡(luò)巷道將出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象。因此，在溜井爆破降段過程中，在爆破活動(dòng)靠近硐室巷道時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)溜破系統(tǒng)附屬聯(lián)絡(luò)巷及平硐硐室的動(dòng)應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3) 溜井爆破降段間距越大，溜井對(duì)爆破動(dòng)載的響應(yīng)程度越來越高，主要表現(xiàn)在溜井井底圍巖最大位移增長速率越來越快，從不同降段間距位移趨勢(shì)可知，斜率越來越大，斜率變化率也越來越高，圍巖最大位移量從7.02 mm突增至17.83 mm，位移增量比為153.99%。