李季陽(yáng) 譚卓英 陳首學(xué) 李 文

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

以最安全的方式和最低的成本獲取礦產(chǎn)資源，產(chǎn)生最大化的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這是礦業(yè)工程追求的目標(biāo)。隨著露天資源枯竭，地下開采深度的增加，礦產(chǎn)資源賦存的環(huán)境更加復(fù)雜，采場(chǎng)及巷道更容易受采礦開挖活動(dòng)的擾動(dòng)，常發(fā)生冒頂、大變形等，造成回收殘礦困難，成為影響生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的最大阻礙［1］。

古德生［2］院士和周科平［3］教授等分析了礦山工程系統(tǒng)復(fù)雜性，基于礦業(yè)工程的可持續(xù)發(fā)展，提出了采礦科學(xué)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)——“采礦環(huán)境再造”這一科學(xué)命題。Brady 和Brown［4］認(rèn)為，充填體對(duì)采場(chǎng)圍巖的支撐作用包括對(duì)巖塊產(chǎn)生側(cè)壓，支護(hù)破碎巖，抵抗圍巖閉合等情況。王新民和肖衛(wèi)國(guó)［5］在對(duì)充填的大量研究與總結(jié)中，提出充填體良好的支護(hù)效果取決于充填體自身的穩(wěn)定性以及充填體與圍巖(或未開挖礦體)結(jié)合程度2 個(gè)方面。董金奎等［6］基于修正的Mathews 穩(wěn)定圖法和臨界跨度設(shè)計(jì)法，對(duì)采場(chǎng)暴露面尺寸和最大跨度進(jìn)行優(yōu)化。Chern J C 等［7］針對(duì)南非大量地下開采條件下的充填體作用機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為充填體在維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定方面的作用是多種多樣的，這些多種作用的積累總和維護(hù)了采場(chǎng)的穩(wěn)定性。

然而，不同的工程活動(dòng)對(duì)充填體和圍巖的整體性具有很大的影響，地下采場(chǎng)存在2 大難點(diǎn):第一，充填體底部掘進(jìn)復(fù)雜出礦巷道，其安全性和合理性未知;第二，充填后回采礦房，充填體及底部巷道的穩(wěn)定性如何，采場(chǎng)是否穩(wěn)定亟待研究。為保證礦山露天—地下聯(lián)合開采的安全，進(jìn)行地下采場(chǎng)穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化顯得尤為重要。本研究主要針對(duì)某大型銅礦地下工程地質(zhì)條件，根據(jù)現(xiàn)有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提出多個(gè)充填方案，并采用數(shù)值模擬方法分析地下采場(chǎng)充填體底部掘進(jìn)巷道的安全性以及整個(gè)回采采場(chǎng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為銅礦安全高效地下開采提供科學(xué)依據(jù)，為類似露天轉(zhuǎn)地下礦山提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某大型銅礦為露天—地下聯(lián)合開采礦山，地下開采采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，先回采礦柱，嗣后充填，在充填體底部掘進(jìn)出礦橫巷及出礦進(jìn)路，后回采礦房。現(xiàn)有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為礦柱寬12 m，礦房寬18 m，階段高50 m，3 個(gè)分段高分別為20 m、17 m 和13 m，在充填體底部依次掘進(jìn)出礦橫巷和出礦進(jìn)路。根據(jù)原有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，待充填體凝固后，在充填體底部掘進(jìn)出礦橫巷和出礦進(jìn)路，具有掘進(jìn)難度大、擾動(dòng)充填體礦柱整體性等缺陷。

2 結(jié)構(gòu)協(xié)同及參數(shù)優(yōu)化

2.1 協(xié)同作用機(jī)理

協(xié)同理念［8］是20 世紀(jì)60 年代H. Haken 提出的，該理念基于非線性穩(wěn)定理論［9］。協(xié)同學(xué)認(rèn)為，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng)是一種進(jìn)化的自組織系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)協(xié)同的目的就是減輕結(jié)構(gòu)的負(fù)效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載性能。結(jié)構(gòu)協(xié)同為解決隱患資源開采中采空區(qū)變形與穩(wěn)定的矛盾提出了一個(gè)新的思路。劉寧等［10］指出地下開挖破壞原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，地下采場(chǎng)無(wú)論最終是平衡還是破壞，無(wú)論是否設(shè)立人工穩(wěn)定的承載或維護(hù)結(jié)構(gòu)，巖土體內(nèi)部的應(yīng)力重分布行為都會(huì)發(fā)生，這是地下巖石自行組織穩(wěn)定的過程，因此地下空間的開挖過程符合協(xié)同學(xué)中規(guī)定的自組織，可以用協(xié)同學(xué)中的相關(guān)理論來(lái)研究地下開挖的過程。

地下采場(chǎng)存在空間力轉(zhuǎn)化過程，符合結(jié)構(gòu)協(xié)同思想。在地下采場(chǎng)中，礦房、礦柱、充填體假柱組成了一個(gè)系統(tǒng)，隨時(shí)間變化，存在協(xié)同演化的過程。它們之間的協(xié)同關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系，因?yàn)樗鼈冎g有相互影響、相互制約的關(guān)系，并最終共同對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。在不考慮巖性的情況下，可以認(rèn)為，結(jié)構(gòu)的尺寸是影響采場(chǎng)穩(wěn)定最根本、最重要的因素，但不是說礦柱結(jié)構(gòu)尺寸小，采場(chǎng)就一定處于不穩(wěn)定狀態(tài)。地下采空區(qū)圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)破壞的發(fā)生是彼此相互作用的地質(zhì)體組成的力學(xué)系統(tǒng)非線性變形的結(jié)果。在礦房、礦柱以及充填體假柱變形失穩(wěn)破壞的研究方面，僅僅研究礦房、礦柱本身簡(jiǎn)化為巖石的變形破壞，而不考慮礦房－礦柱－充填體假柱系統(tǒng)之間相互作用的影響偏離了工程實(shí)際。地下采場(chǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題都是建立在一定的工程地質(zhì)條件上，作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性行為進(jìn)行分析研究。采空區(qū)系統(tǒng)作為一個(gè)不斷變化著的開放系統(tǒng)，通過外界獲取的負(fù)熵而達(dá)到從無(wú)序向有序開放的不可逆的耗散系統(tǒng)。系統(tǒng)間各子系統(tǒng)、各層次之間在非線性相互作用下，通過相互影響和正負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)耦合，這種非線性系統(tǒng)在時(shí)間推進(jìn)下進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能的適應(yīng)，完成系統(tǒng)的“自組織”過程。以上所述，即是地下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的機(jī)理。

在較大面積的地下采場(chǎng)中，未開采前，礦房和礦柱共同起支撐作用;首步回采礦柱從開始至結(jié)束，相鄰的礦房逐漸起單獨(dú)支撐作用;在礦柱回采完成后，待充填體固結(jié)完成，與礦房組成系統(tǒng)，共同起支撐作用;回采礦房時(shí)，充填體逐漸起單獨(dú)支撐作用。整個(gè)回采過程，各個(gè)物體內(nèi)的應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移，起支撐作用的物理量也在過程中變換，達(dá)到支撐采場(chǎng)巖體的效果［11］。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)

不論在礦房還是充填體中掘進(jìn)出礦巷道和出礦進(jìn)路，都會(huì)減少采場(chǎng)支撐體底部承載面積，使底部應(yīng)力水平提高，更易發(fā)生塑性變形和破壞。本研究通過改進(jìn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，取消在礦房和充填體中掘進(jìn)出礦巷道和出礦進(jìn)路，以保持支撐體底部面積不變，并采用后退回采出礦，使出礦巷道布置與鑿巖巷道重合。出礦機(jī)械進(jìn)入采空區(qū)裝礦石時(shí)，需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，為此加大了整條鑿巖巷道(出礦巷道)截面尺寸，方便2 個(gè)方向設(shè)備同時(shí)進(jìn)出，同時(shí)減少回采向下炮孔的偏移，提高爆破效果。

在地下采場(chǎng)中，其基本賦存應(yīng)力大環(huán)境基本一致，未發(fā)生改變，不同時(shí)段的總支撐力基本一致，其底部應(yīng)力水平等于總支撐力除以底部面積。一般認(rèn)為，充填體的剛度小于原有礦體的剛度，為保持充填體應(yīng)力水平過大，應(yīng)增大充填體的寬度，為此，選用相等的礦房和礦柱寬度，均為15 m。

在該礦原有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，回采過程的鑿巖巷道截面較小(4 m×4.1 m)，因而必須在相鄰礦體或充填體中掘進(jìn)出礦巷道和出礦進(jìn)路，導(dǎo)致采用炮孔偏移的階段水平爆破效果不好，同時(shí)采場(chǎng)鑿巖、出礦機(jī)械活動(dòng)空間狹小，影響作業(yè)性能。為了改善礦山采場(chǎng)的運(yùn)輸條件和爆破效果，在保證采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，可以加大鑿巖巷道截面尺寸，即大采礦橫巷擴(kuò)底方案，繼而可以取消相鄰礦體或充填體內(nèi)的出礦巷道和出礦進(jìn)路，從而減少掘進(jìn)作業(yè)量，提高底部爆破效果。因此，根據(jù)礦山生產(chǎn)能力要求以及已有設(shè)備的運(yùn)輸性能參數(shù)(如轉(zhuǎn)彎半徑)，確定選擇擴(kuò)底方案的截面尺寸為9 m×4.1 m(簡(jiǎn)稱為9 m 擴(kuò)底方案)。

3 9 m 擴(kuò)底方案數(shù)值分析

3.1 確定開采方案

根據(jù)該銅礦露天轉(zhuǎn)地下采礦初步設(shè)計(jì)，礦柱回采完之后，要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填［12］，底部10 m 采用較高灰砂比(1 ∶4)的膠結(jié)充填，上部采用較低灰砂比(1 ∶8)的膠結(jié)充填。該銅礦地下采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸較大，充填體礦柱在回采礦房中起到支撐頂板和圍巖的作用，其剛度和強(qiáng)度要求較高，為此，本次采用3 種充填體開采方案來(lái)分析不同充填體底部掘進(jìn)長(zhǎng)巷和回采采場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性:方案1 為原設(shè)計(jì)的充填方案;方案2 為底部采用塊石膠結(jié)充填體，上部采用尾砂膠結(jié)充填體;方案3 為全部塊石膠結(jié)充填體。見表1。

表1 充填開采方案Table 1 The backfill mining scheme

3.2 建立模型

選?。?7 m 水平的采場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，基于充填體對(duì)回采采場(chǎng)的穩(wěn)定性影響較大，采用3 種方案進(jìn)行擴(kuò)底改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案分析，其中擴(kuò)底方案中，鑿巖巷道和出礦巷道重合布置，尺寸為9 m×4.1 m，礦房、礦柱的寬度均為15 m。不論回采礦柱、礦房，都不在相鄰礦體或充填體內(nèi)掘進(jìn)出礦巷道，在原有的鑿巖巷道布置出礦巷道，形成9 m 擴(kuò)底采場(chǎng)模型，見圖1。在ANSYS 中建立模型，材料分組，劃分單元，導(dǎo)入到FLAC3D，重新分組，形成改進(jìn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案，共劃分160 080 個(gè)單元，172 074 個(gè)節(jié)點(diǎn)，出礦橫巷布置在礦房中。

圖1 擴(kuò)底模型Fig.1 The belled stope model

在分析地下采場(chǎng)、充填體及巷道穩(wěn)定性、研究地表移動(dòng)時(shí)，不論是采用數(shù)值計(jì)算方法，還是采用理論分析方法，其結(jié)果的可靠性取決于對(duì)地下條件的把握度，更確切地說是巖體力學(xué)參數(shù)選擇的可靠性和準(zhǔn)確性。巖樣取自露天坑底部，即相對(duì)應(yīng)地下采場(chǎng)，通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了不同巖石的力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks

3.3 位移分析

在完成礦柱回采，充填礦柱采空區(qū)后，可在充填體還未完全凝固時(shí)，就開始掘進(jìn)礦體底部的巷道，這樣可以縮短回采周期。在3 個(gè)不同的充填方案中，礦體底部掘進(jìn)9 m×4.1 m 的大尺寸巷道變形較小，其巷道頂部位移分別為3.8、3.2、3.0 mm，不同剛度的充填材料對(duì)相鄰礦房底部掘進(jìn)巷道基本沒有影響。

在礦房底部完成掘進(jìn)出礦巷道后，開始回采礦房，同樣上部分段超前于下部分段。按同時(shí)回采分析采場(chǎng)的穩(wěn)定性?；夭缮喜糠侄?，方案1 和方案2 上部分段材料都是1 ∶8 的尾砂膠結(jié)充填體，其頂板的位移較大，分別為1.2、1.19 cm，方案3 上部分段材料是塊石膠結(jié)充填體，其頂板位移為4.5 mm，充填體的強(qiáng)度和剛度對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性影響較大。同時(shí)充填體本身的內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，表現(xiàn)出不同程度的應(yīng)變，剛度低的充填體材料發(fā)生較大豎向位移。中段底部礦體內(nèi)的巷道變形很小。3 個(gè)方案中，在上部分段回采后，下部礦體上界面都有向上的2 mm 變形，屬于應(yīng)力重分布的結(jié)果。

回采下部分段時(shí)，3 個(gè)方案的頂板都有不同程度的位移，分別為8、4、0.6 mm。開挖過程中應(yīng)力重分布，開挖區(qū)前方礦體受開挖的影響，底部巷道出現(xiàn)變形，巷道頂?shù)奈灰品謩e為6、3、0.8 mm，是未開挖的礦體應(yīng)力增大變形的結(jié)果。充填體剛度低的方案中，充填體分壓小，未開挖的礦體分壓大，應(yīng)變較其他方案大。回采下部分段，應(yīng)力擾動(dòng)繼續(xù)，充填體內(nèi)部的應(yīng)力增大，發(fā)生不同程度的變形，位移較大的還是集中在低剛度的充填體中，如方案1 的上部充填體。由于充填體底部沒有巷道，其整體變形較均勻。

3.4 塑性區(qū)分析

回采下部分段完成，開挖區(qū)域的材料發(fā)生變形，部分應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，材料發(fā)生塑性變形。3 個(gè)方案中，受開挖擾動(dòng)，開挖區(qū)前方的礦體部分區(qū)域發(fā)生塑性變形，上部分段巷道周邊和下部中段巷道周邊原本就是應(yīng)力集中區(qū)，發(fā)生塑性變形的區(qū)域與充填體剛度相關(guān)，充填體剛度高的，礦體內(nèi)部應(yīng)力水平較低，發(fā)生塑性變形的區(qū)域較小，反之亦然。塑性區(qū)反應(yīng)了采場(chǎng)的整體性，采場(chǎng)的完整性:方案3＞方案2＞方案1。

4 與原設(shè)計(jì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

原設(shè)計(jì)方案在充填中掘進(jìn)出礦橫巷和出礦進(jìn)路，擾動(dòng)充填體穩(wěn)定，掘進(jìn)時(shí)間周期長(zhǎng);改進(jìn)采場(chǎng)方案中，在相鄰礦體掘進(jìn)大尺寸出礦巷道，能增強(qiáng)爆破效果，減少回采礦量損失，同時(shí)避免擾動(dòng)充填體的整體性。

從表3 中對(duì)比分析，掘進(jìn)巷道過程與回采礦體時(shí)，底部巷道穩(wěn)定性成為關(guān)鍵性因素，是保證回采工作安全的重點(diǎn)。掘進(jìn)巷道時(shí)，巷道所處的環(huán)境不同，尺寸也不同巷道頂變形也有較大的差異，高剛度充填方案，巷道變形小，9 m 擴(kuò)底采場(chǎng)的3 個(gè)充填方案的巷道位移均勻?；夭缮喜糠侄蔚V體時(shí)，巷道距開采區(qū)有一定距離，巷道變形較小;回采下部分段礦體時(shí)，巷道變形較大，巷道穩(wěn)定將成為制約回采工作的重要因素。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，9 m 擴(kuò)底方案的變形總體上小于原設(shè)計(jì)方案。

通過表4 對(duì)比分析，在回采礦體時(shí)，充填體逐漸成為頂板的主要承載體，頂板支撐體系發(fā)生變化，頂板出現(xiàn)懸空，產(chǎn)生位移，距開挖區(qū)域較近的出礦巷道變形較大?；夭缮喜糠侄蔚V體時(shí)，巷道距開挖區(qū)較遠(yuǎn)，巷道變形很小;回采下部分段礦體時(shí)，巷道距開挖區(qū)較近，巷道變形較大。在1 ∶9 m 擴(kuò)底采場(chǎng)方案中，對(duì)降低回采上部分段礦體頂板的位移作用不大，對(duì)減低回采下部分段頂板位移作用較大，達(dá)75%。

表3 底部巷道頂位移Table 3 The roadway roof displacement at bottommm

表4 巷道頂板位移Table 4 The roadway roof displacement mm

5 結(jié) 論

(1)充填材料的剛度是影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的重要因素，一味提高充填體的剛度至高強(qiáng)，其采場(chǎng)穩(wěn)定性很好，但其充填成本比較高，工藝要求嚴(yán)格，操作比較困難;充填體的剛度較低，采場(chǎng)穩(wěn)定性較差，對(duì)回采安全不利;充填體的剛度高低結(jié)合，采場(chǎng)應(yīng)變位移較理想，底部塊石膠結(jié)、上部尾砂膠結(jié)充填應(yīng)是地下采場(chǎng)的首選方案。

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)協(xié)同理念，地下采場(chǎng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提出改進(jìn)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，即大采礦橫巷9 m 擴(kuò)底采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案，取消了充填體底部巷道，將出礦巷道布置在待回采礦體中，采用后退式回采。分析表明，回采過程中，采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性提高了，同時(shí)出礦巷道的變形較小、保持穩(wěn)定，該改進(jìn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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