田 孟 李廣濤 張 希 陳 濤 楊天雨 羅方偉

(1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；2.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪651300)

深部界定的標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)間和國(guó)家地域空間的變化而變化，“深部”的概念不能簡(jiǎn)單以深度為指標(biāo)定義，而是區(qū)別于淺部的非線性力學(xué)系統(tǒng)[1]，結(jié)合深部地應(yīng)力水平、應(yīng)力狀態(tài)和圍巖性質(zhì)共同決定的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境狀態(tài)[2]。我國(guó)《采礦手冊(cè)》(第四卷)把600～2 000 m的開(kāi)采深度劃為深部開(kāi)采[3]，而“十五”期間金屬礦山深部開(kāi)采劃分改為800、1 000 m。古德生等[4]認(rèn)為金屬礦深部的界定深度為800 m，從“三高”綜合影響深部開(kāi)采及災(zāi)害控制分析。大紅山銅礦285中段生產(chǎn)區(qū)域開(kāi)采深度已超過(guò)800 m，且主應(yīng)力量級(jí)達(dá)到30～37 MPa，在此及以下區(qū)域呈現(xiàn)高地溫等現(xiàn)象，由此可以判定，大紅山銅礦已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采礦山行列。大紅山銅礦深部緩傾斜厚大礦體采場(chǎng)采用高階段、大直徑深孔落礦兩步驟連續(xù)回采，在285中段巷道掘進(jìn)以及大盤(pán)區(qū)切頂層硐室內(nèi)局部地壓顯現(xiàn)，頂板和硐室出現(xiàn)冒頂、片幫現(xiàn)象，硐室間礦柱發(fā)生不同程度的破壞，破壞較大時(shí)直接失去承載能力。趙國(guó)彥等[5]基于普氏理論計(jì)算出房柱法里正方形礦柱的合理強(qiáng)度尺寸，并采用數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證；陳順滿等[6]和宋衛(wèi)東等[7]建立了礦柱的安全系數(shù)計(jì)算公式，采用正交極差分析理論分析影響因素的敏感性；姜立春等[8]考慮覆巖、爆破振動(dòng)等協(xié)同作用建立礦柱的安全系數(shù)。研究者們都忽略了切頂聯(lián)道、切割槽對(duì)礦柱的影響。合理的切頂層結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于控制采場(chǎng)穩(wěn)定性，降低圍巖擾動(dòng)范圍以及多次應(yīng)力平衡導(dǎo)致的集中現(xiàn)象。在鑿巖硐室寬度確定條件下，若留設(shè)條柱寬度較小，上覆載荷、巷道掘進(jìn)及爆破振動(dòng)等多種載荷易讓礦柱失穩(wěn)，若條柱寬度過(guò)寬，條柱兩側(cè)孔網(wǎng)參數(shù)增大，爆破的消耗變大，大塊率也增大，帶來(lái)礦石的貧損和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。淺部原切頂層結(jié)構(gòu)參數(shù)已不適應(yīng)當(dāng)前深部地應(yīng)力環(huán)境采場(chǎng)，已無(wú)法提供安全的作業(yè)環(huán)境，存在極大的安全隱患。這不僅與地應(yīng)力環(huán)境有關(guān)，還與切頂層的切頂聯(lián)道、切割槽的布置方式及鑿巖硐室、條柱尺寸有關(guān)。

本文以大紅山銅礦工程實(shí)際為例，在已有礦巖穩(wěn)定性分級(jí)的成果上，運(yùn)用面積載荷理論分析不同硐室、條柱尺寸安全系數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析采區(qū)內(nèi)隨回采步驟的塑性區(qū)分布情況，分析采準(zhǔn)切割和爆破回采時(shí)不同尺寸的條柱穩(wěn)定性，確定切頂硐室的尺寸和切頂工程布置方式，優(yōu)化采場(chǎng)切頂層結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 工程概況

1.1 礦山概況

大紅山銅礦屬海底火山噴發(fā)沉積變質(zhì)礦床，礦體呈緩傾斜-傾斜銅鐵多層平行產(chǎn)出，礦體厚度薄—中厚—厚大，形態(tài)與傾角變化較大，礦體及圍巖中等穩(wěn)固，圍巖構(gòu)造節(jié)理層理較發(fā)育。大紅山緩傾斜厚大礦體采用大盤(pán)區(qū)空?qǐng)鏊煤蟪涮顑刹襟E連續(xù)采礦法[9]，該法在階段上將礦體劃分為礦房和礦柱，階段之間不留設(shè)礦柱、礦塊間不留設(shè)間柱，兩步驟連續(xù)全面回采。一步驟超前回采礦柱并膠結(jié)充填形成支撐框架，支撐再造礦房回采環(huán)境，并二步回采礦房嗣后尾砂非膠結(jié)充填以節(jié)約成本。采場(chǎng)沿礦體走向布置，采準(zhǔn)系統(tǒng)采用上盤(pán)頂部切頂層切頂，沿礦體走向在礦體下盤(pán)布置塹溝，下盤(pán)底部出礦的分段布置模式(圖1)。采場(chǎng)頂部切頂層以鑿巖工程為主，上盤(pán)切頂聯(lián)道分段聯(lián)絡(luò)，礦房頂部沿礦體傾向上布置切頂硐室，兩個(gè)硐室之間寬度為切頂條柱寬度。

圖1 沿走向布置的空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法Fig.1 Open stope subsequent filling mining method arranged along the strike

1.2 切頂布置

階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄔ陧敳壳许攲硬贾们许斅?lián)道、切頂硐室、鑿巖切割等工程，切頂層的穩(wěn)定性對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與采場(chǎng)十分重要。切頂層鑿巖硐室布置大直徑深孔炮孔，為了保證鑿巖硐室的安全穩(wěn)定性，在切頂層內(nèi)留礦柱、留條柱和留點(diǎn)柱3種形式[10]。留設(shè)形式有沿礦塊長(zhǎng)度方向的“一字型”礦柱、沿寬度方向“梳型礦柱”和“點(diǎn)柱”礦柱[11]。大紅山礦房頂部切頂布置長(zhǎng)條式梳型礦柱(圖2)，切頂層高度3.3 m，硐室寬度3 m。鑿巖設(shè)備采用銅陵產(chǎn)的T150型鑿巖臺(tái)車(chē)，鉆165 mm孔徑垂直下向的大直徑深孔，條柱寬度設(shè)計(jì)為3 m。現(xiàn)285中段某一礦房施工頂部鑿巖硐室時(shí)，頂部切頂層條柱失穩(wěn)(圖3)?，F(xiàn)在的切頂工程布置與深部采場(chǎng)不匹配，在原有采場(chǎng)參數(shù)上，對(duì)礦房頂部切頂層的參數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，用面積載荷理論計(jì)算和數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證。

1—充填巷；2—切頂聯(lián)道；3—切頂硐室；4—下向孔；5—硐室間條柱；6—切割槽硐室；7—切割天井；8—盤(pán)區(qū)礦柱；9—充填小井；10—充填小聯(lián)道；11—扇形孔；12—扇形孔與下向孔交界處；13—采準(zhǔn)干線；14—出礦進(jìn)路；15—塹溝圖2 切頂工程與塹溝布置Fig.2 Top cutting engineering and trench layout

圖3 礦房條柱破壞形式Fig.3 Failure mode of chamber pillar

2 礦柱穩(wěn)定性分析

2.1 礦柱載荷

礦柱面積承載理論現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用于礦柱的穩(wěn)定性分析，該機(jī)理認(rèn)為礦柱所承受的載荷為開(kāi)采影響范圍內(nèi)塑性區(qū)上覆巖體重力，結(jié)合大紅山銅礦采場(chǎng)切頂層條柱的布置方式(圖4)，即條柱載荷為單一條柱自身的面積和分?jǐn)偟拈_(kāi)采空區(qū)面積之和：

σpWpWL=(W0+WP)WPz

(1)

式中：σp為條柱軸向平均應(yīng)力，MPa；Pz為開(kāi)采范圍塑性區(qū)上覆巖體厚度的垂直應(yīng)力，MPa；W0為鑿巖硐室的寬度，m；WP為條柱的寬度，m；W為采場(chǎng)的跨度，m；WL為沿礦體走向條柱的長(zhǎng)度，m。

圖4 條柱承載計(jì)算示意圖Fig.4 Schematic diagram of column load calculation

鑿巖硐室與切頂聯(lián)道掘進(jìn)后，鑿巖硐室上方頂板圍巖形成一個(gè)小的普氏拱，發(fā)展到一定程度后，相鄰空間上方較小的平衡拱逐漸合并形成一個(gè)大的平衡拱(圖5)，即在切頂工程上部形成半徑為RP的塑性區(qū)的拱。結(jié)合解卡斯特納方程[12]，可得到切頂層上方塑性區(qū)的半徑RP：

圖5 條柱承載機(jī)理分布Fig.5 Bearing mechanism distribution of columns

(2)

式中：R0為開(kāi)挖半徑，m；P0為開(kāi)挖處的垂直自重應(yīng)力，MPa；c為巖體內(nèi)聚力，MPa；φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)。

計(jì)算時(shí)等效開(kāi)挖半徑可近似替換開(kāi)挖半徑，即不同斷面形狀的外接圓半徑替換：

(3)

式中：h為條柱高度，m；L為采場(chǎng)長(zhǎng)度，m。由大紅山深部地應(yīng)力研究結(jié)果可知，開(kāi)挖處的垂直自重應(yīng)力P0為σv=0.0271H-0.0514；H為采場(chǎng)埋深，m。

根據(jù)上述分析，PZ為開(kāi)采范圍圍巖塑性區(qū)內(nèi)巖體自重對(duì)條柱的壓力，而與塑性區(qū)外其他巖體無(wú)關(guān)。將半徑RP塑性區(qū)的圓簡(jiǎn)化為高RP矩形，PZ=γ(RP-h/2)，聯(lián)系上式可知條柱的軸向平均應(yīng)力：

(4)

2.2 礦柱承載強(qiáng)度

礦柱的穩(wěn)定性，不僅與礦柱本身的斷面面積有關(guān)，也與礦柱的高厚比密切相關(guān)?？紤]礦柱的尺寸效應(yīng)，在厚度不變的條件下，高度越高，強(qiáng)度就越低。1967年OBERT和WANG[11]基于彈性力學(xué)理論提出了寬高比1～8的礦柱強(qiáng)度公式：

(5)

式中：σm為原位臨界立方體單軸強(qiáng)度，MPa；SP為礦柱強(qiáng)度，MPa；Wp為礦柱寬度，m；h為礦柱高度，m。

安全系數(shù)是礦柱的承載極限強(qiáng)度與礦柱的抗壓力之比：

(6)

3 合理礦柱尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)礦柱安全系數(shù)因素進(jìn)行分析，影響礦柱的因素有礦柱的軸向平均抗壓強(qiáng)度、沿礦體走向采場(chǎng)長(zhǎng)度、采場(chǎng)跨度、采場(chǎng)埋深、鑿巖硐室寬度、條柱高度、條柱寬度等，在大紅山深部285采場(chǎng)，礦房沿采場(chǎng)走向布置，采場(chǎng)走向70 m，跨度25 m，礦房高度70 m，結(jié)合表1巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)二步驟采場(chǎng)選取不同的條柱寬度進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，可得條柱寬度的安全系數(shù)表2。若鑿巖硐室寬度3 m，爆破參數(shù)：排距3～6 m，孔距4～6 m，條柱大于4 m時(shí)爆破效果差，大塊率增大。在深部地應(yīng)力等條件下將鑿巖硐室寬度設(shè)計(jì)為3.5 m，調(diào)整爆破的排距與孔距，切割槽內(nèi)拉槽孔孔網(wǎng)參數(shù)孔距和排距都為2 m，減少對(duì)條柱的破壞，故同時(shí)條柱邊孔施工鑿巖42 mm炮孔，孔距1 m，采用大抵抗線、小孔距的光面爆破。礦房底部V形塹溝中采用SIMBAR1354施工垂直扇形孔布置，孔深控制在20 m內(nèi)，孔底距1.6～2.2 m。由于切頂聯(lián)道布置在礦房中間與端部的斷面是一致的，安全系數(shù)不能驗(yàn)算聯(lián)道布置方式的影響，進(jìn)而確定切割槽拉槽后一次爆破和分次爆破回采對(duì)條柱的影響，采用數(shù)值模擬對(duì)不同切頂層布置方式下的采場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

表1 計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)選取結(jié)果表

表2 深部不同條柱的安全系數(shù)

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 模擬方案

在大紅山銅礦深部高應(yīng)力環(huán)境下，鑿巖硐室寬度3.5 m，對(duì)大盤(pán)區(qū)頂部切頂層條柱寬度在3.5、4、4.5 m參數(shù)下進(jìn)行數(shù)值分析與驗(yàn)證，改變切割槽及切頂聯(lián)道布設(shè)方式，形成數(shù)值模擬方案(表3)，利用控制變量法分析不同方案中條柱在礦房回采過(guò)程中的破壞形式及范圍，對(duì)切頂層條柱的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，在保證作業(yè)安全及滿足設(shè)備作業(yè)條件的基礎(chǔ)上，提出切頂層的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、切割槽及切頂聯(lián)道合理布設(shè)位置。

表3 切頂層工程優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬方案

4.2 模型構(gòu)建

采場(chǎng)幾何模型長(zhǎng)度70 m，寬度25 m，高度70 m，顯示切頂層布置已完成和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示?？紤]采場(chǎng)開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響，根據(jù)圣維南原理，周邊及底部按盤(pán)區(qū)尺寸的三倍建圍巖，頂部距離地表800 m，按照比例1∶1建立長(zhǎng)×寬×高為490 m×175 m×1 080 m的計(jì)算模型。本次模擬分多步驟開(kāi)挖，分為采準(zhǔn)、切割拉槽、側(cè)崩回采3個(gè)階段。

圖6 采場(chǎng)數(shù)值模型Fig.6 Numerical model of stope

4.3 賦值條件

4.3.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)

數(shù)值模擬的應(yīng)力按照大紅山銅礦深部地應(yīng)力進(jìn)行賦值，地應(yīng)力的大小與埋藏深度成正相關(guān)，最大水平主應(yīng)力σhmax、最小水平主應(yīng)力σhmin和垂直主應(yīng)力σv隨深度呈近似線性增長(zhǎng)關(guān)系，擬合回歸關(guān)系式如式(7)所示：

σhmax=0.0586H-0.0223

σhmin=0.0393H-1.0035

σv=0.0271H-0.0514

(7)

式中：H為測(cè)點(diǎn)埋深，m。

4.3.2 模型邊界條件

本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb為巖體的破壞準(zhǔn)則，模型底部和四周固定速度約束，切頂聯(lián)道、切頂硐室和回采考慮為空模型，計(jì)算時(shí)直接開(kāi)挖。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)于大盤(pán)區(qū)空?qǐng)鏊煤蟪涮顑刹襟E連續(xù)采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，只改變上部切頂層布置方式與結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，故計(jì)算模型外形尺寸一致。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，主要針對(duì)采準(zhǔn)切頂拉槽和爆破回采兩方面的條柱穩(wěn)定性分析：上部切頂聯(lián)道和切頂硐室形成時(shí)，切頂層各條柱是否能夠提供安全的鑿巖爆破作業(yè)環(huán)境；當(dāng)切頂工程施工結(jié)束，下部盤(pán)區(qū)進(jìn)行部分爆破，剩余的各條柱能否繼續(xù)提供安全穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境直至整個(gè)盤(pán)區(qū)完全爆破。由于篇幅有限，未將所有方案隨回采時(shí)條柱數(shù)值模擬結(jié)果一一列出，僅列舉各個(gè)方案切頂工程已形成，且四周邊界為圍巖及礦體時(shí)礦房第一次回采開(kāi)挖時(shí)的條柱穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬結(jié)果布置。

4.4.1 切頂鑿巖硐室最優(yōu)參數(shù)

鑿巖硐室跨度3.5 m、切割槽位于西側(cè)(一側(cè))、切頂聯(lián)道位于南側(cè)(一側(cè))，根據(jù)不同條柱寬度的礦房第一次回采條柱塑性區(qū)分布與不同寬度條柱隨回采步驟的塑性區(qū)占比可知(圖7)：礦房切割槽拉槽后，條柱寬度3.5 m時(shí)臨近采空區(qū)的兩條柱已破壞，條柱寬度4 m與4.5 m時(shí)臨近采空區(qū)的一條柱破壞失去承載能力；隨著礦房回采的推進(jìn)，條柱寬度4 m時(shí)塑性區(qū)占比已高達(dá)94%，而條柱4.5 m時(shí)的塑性區(qū)占比不超過(guò)48%。條柱寬度越寬，條柱穩(wěn)定性越好，若繼續(xù)增大條柱的寬度，條柱兩側(cè)孔網(wǎng)參數(shù)隨之增大，大塊率隨之升高。在條柱4.5 m的情況下，有效承載寬度達(dá)到2.7 m，可保證采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

圖7 條柱寬度綜合對(duì)比分析Fig.7 Comprehensive comparative analysis of column widths

4.4.2 切頂聯(lián)道最佳布置

條柱寬度4.5 m只改變切頂聯(lián)道布置方式時(shí)的條柱安全系數(shù)是相同的，切頂聯(lián)道位于礦房中間(方案4)與同尺寸、切頂聯(lián)道位于礦房南側(cè)(方案3)相比(圖8、圖9)：切頂聯(lián)道布置在礦房中間的

圖8 切頂聯(lián)道位置綜合分析Fig.8 Comprehensive analysis on the position of top cutting Lane

圖9 切頂聯(lián)道位置塑性區(qū)占比分析Fig.9 Analysis of plastic zone ratio at the position of top cutting lane

條柱暴露面積幾乎增大一倍，且塑性區(qū)占比隨回采步驟推進(jìn)也普遍變大。當(dāng)切頂聯(lián)道位于礦房一側(cè)時(shí)，切頂層條柱穩(wěn)定性較好。

4.4.3 切割槽最佳布置

在條柱寬度4.5 m只改變切割槽布置的情況下，切割槽在礦房的中部(方案5)與同尺寸、切割槽位于礦房端部(方案3)相比(圖10、圖11)：礦房由中間向兩側(cè)回采時(shí)，礦房?jī)?nèi)有兩個(gè)暴露面，切割槽布設(shè)在礦房中部的臨近采空區(qū)的破壞條柱數(shù)量增大一倍，且隨著回采步驟的條柱暴露側(cè)的塑性區(qū)占比也增大一倍。當(dāng)切割槽布設(shè)于礦房端部時(shí)，切頂層條柱穩(wěn)定性較好。

圖10 切割槽位置塑性區(qū)占比分析Fig.10 Analysis of proportion of plastic zone in cutting groove position

圖11 切割槽位置綜合分析Fig.11 Comprehensive analysis of cutting groove position

5 結(jié)論

本文以大紅山銅礦深部高階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)頂部切頂鑿巖硐室穩(wěn)定性為研究背景，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，取得以下研究成果：

1)深部回采力學(xué)環(huán)境下，大紅山銅礦高階段采場(chǎng)頂部按原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)布置切頂鑿巖工程，硐室兩側(cè)條柱破壞嚴(yán)重，有效支撐寬度較小，硐室安全性較差，不滿足安全生產(chǎn)的要求。

2)理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，硐室寬度滿足鑿巖臺(tái)車(chē)作業(yè)寬度3.5 m條件下，條柱寬度應(yīng)設(shè)計(jì)為4.5 m，既保證了條柱及硐室的穩(wěn)定性，又將條柱兩側(cè)炮孔排距控制在最小抵抗線以內(nèi)。

3)切頂聯(lián)道布置在礦房中部，增大了硐室開(kāi)口處頂板的暴露面積，同時(shí)同排條柱增加了一個(gè)暴露面，不利于硐室和條柱的穩(wěn)定，宜將其布置在礦房寬度方向的端部。

4)切割槽布置在礦房中部，自切割槽形成后，臨近采空區(qū)條柱數(shù)量增加，且條柱穩(wěn)定性較差，對(duì)臨近采空區(qū)鑿巖硐室影響較大，宜將切割槽布置在礦房長(zhǎng)度方向的端部。

5)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)踐表明，按上述結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的切頂鑿巖工程，在深部高地應(yīng)力環(huán)境下滿足安全作業(yè)的要求。