復(fù)雜環(huán)境下懸臂梁殘礦體安全回采論證與實(shí)踐

劉博 ，王賢偉，石青，張智博

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012；3.湖南省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境再造工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410012；4.內(nèi)蒙古萬城商務(wù)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏拉特后旗 015500)

充填采礦法在礦山開采應(yīng)用中的占比越來越大，如何實(shí)現(xiàn)利用充填體置換高價(jià)值礦體，安全高效地回收殘礦或礦柱，最大限度地降低損失率和貧化率，提高礦山資源綜合利用能力是礦山面臨的重要課題之一。由于歷史原因，國內(nèi)很多開采年限較長的礦山留下的礦柱往往形態(tài)和結(jié)構(gòu)異形，導(dǎo)致礦柱的存在不但不能對控制地壓和支撐采場起到有效作用，甚至本身由于結(jié)構(gòu)問題而成為危險(xiǎn)源。為此，在殘礦或礦柱安全回采方面，不少學(xué)者做了大量的工作。汪小平等[1]采用數(shù)值模擬方法研究了水平保安礦柱與開采深度間的關(guān)系，當(dāng)?shù)V柱尺寸較小時(shí)，則會(huì)遭到破壞，無法提供支撐作用。李湘洋等[2]通過 Ⅴoronoi圖法和礦柱強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式確定礦柱安全系數(shù)，通過人工假柱置換礦柱的方式評價(jià)空區(qū)穩(wěn)定情況，從而實(shí)現(xiàn)礦柱回采。黨建東等[3]根據(jù)冬瓜山銅礦盤區(qū)開采遺留的大量隔離礦柱，根據(jù)地壓監(jiān)測情況，提出由中間厚大部位向兩翼退采回收盤區(qū)礦柱的采礦方法實(shí)現(xiàn)地壓可控的礦柱回采。楊順等[4]通過礦柱開裂調(diào)查與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比，獲得了可靠的巖體力學(xué)參數(shù)，繼而對礦柱回采可行性進(jìn)行了模擬論證，并成功回采高價(jià)值礦柱資源。

本文在對支撐礦柱進(jìn)行工程調(diào)查的基礎(chǔ)上，提出減少對礦柱和充填體擾動(dòng)的懸臂梁殘礦體一次性回采方案，并通過準(zhǔn)確的數(shù)值模擬論證該方案的可行性，既實(shí)現(xiàn)了資源高效回收，又消除了懸臂梁異形殘礦體帶來的安全隱患，可為礦山類似問題提供借鑒。

1 工程概況

1.1 礦山開采概況

某鉛鋅礦采用分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法采礦，由于歷史開采原因，未保留頂?shù)字?，礦房采空區(qū)上下中段間貫通，并逐漸從東往西依次形成了7線，11線，15線和19線4個(gè)高大礦柱，標(biāo)高835～984 m。礦柱間自然隔離出3-1，3-2，3-3，3-4和3-5五個(gè)空區(qū)。其中3-1，3-3和3-4礦房內(nèi)已經(jīng)充填完畢，3-5空區(qū)在最西側(cè)，暫未充填。3-2空區(qū)的充填分為兩個(gè)部分，靠近 11線礦柱一側(cè)空區(qū)已經(jīng)充填完畢，靠近7線礦柱的一側(cè)空區(qū)在890 m水平以上已經(jīng)充填完畢，在873～890 m水平尚有部分礦體未回采，873分段以下為空區(qū)，空區(qū)延續(xù)至850～835 m水平。

1.2 殘礦回采工程技術(shù)條件

由于歷史原因，3-2礦房殘礦體內(nèi)有穿脈巷道，巷道底板可能已經(jīng)垮落，無法探明，巷道原始高度約2.3～2.4 m；礦體右側(cè)與7線礦柱連接，且分別與上下盤圍巖連接；殘礦體與中間夾制凸出充填體形成了類似懸臂梁的異形結(jié)構(gòu)（見圖1），懸臂梁支點(diǎn)為7線礦柱連接處，懸臂另一端與3-2礦房西側(cè)充填體不穩(wěn)固接觸； 礦體下部為3-2礦房空區(qū)，空區(qū)體積3.9萬m3，但空區(qū)內(nèi)有數(shù)量不明的存窿礦，礦堆最高點(diǎn)距離礦體底板約5～6 m。殘留的3-2礦房東側(cè)殘礦體被分割成為兩塊不規(guī)則六面體，六面體中三面接觸充填體，一面接觸上盤圍巖或下盤圍巖，一面接觸7線高大礦柱，僅有底部臨空。如此賦存結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要靠與圍巖或礦體的接觸部分黏結(jié)生根，給下部中段的生產(chǎn)帶來了很大的安全威脅。

圖1 懸臂梁殘礦體位置

1.3 殘礦回采方案

根據(jù)調(diào)查，懸臂梁殘礦體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，為了減少對周邊充填體的擾動(dòng)，確定殘礦一次性回采的方案。整體爆破方案為以3-2礦房873 m分段下方空區(qū)為自由面，在7線礦柱內(nèi)873分段至890中段間施工鑿巖硐室，利用鑿巖硐室施工似水平上向扇形孔（上傾角度3°～15°），整體下向逐排崩礦，利用835 m中段的底部出礦結(jié)構(gòu)出礦。經(jīng)計(jì)算，3-2礦房殘礦總體積約 2.7萬 m3，下部空區(qū)體積 3.9萬m3，按碎巖膨脹系數(shù)1.4計(jì)算，以現(xiàn)有的下部空區(qū)體積即可滿足崩落補(bǔ)償空間的要求。通過外科手術(shù)式切割殘礦體與圍巖及充填體的聯(lián)系，控制采礦動(dòng)力擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安全回收。

2 殘礦回采數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立與參數(shù)賦值

采用測線法對4根高大礦柱進(jìn)行了節(jié)理裂隙調(diào)查，根據(jù)巴頓和RMR巖體質(zhì)量參數(shù)分級法獲得巖體質(zhì)量評價(jià)[5-7]，同時(shí)根據(jù)礦山充填站的灰砂配比，充填體力學(xué)參數(shù)參考類似試驗(yàn)[8]研究確定。礦體、巖體和充填體巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。采用位移邊界條件，固定模型底部z方向的變形，同時(shí)固定模型四周對應(yīng)法向方向的變形，頂部為自由邊界。

圖2 殘礦體模型

2.2 數(shù)值計(jì)算工況介紹

經(jīng)過方案討論分析，873～890 m殘留的懸臂梁礦體應(yīng)一次性回采，便于控制損失率和貧化率，同時(shí)也能降低在炮孔和硐室施工等對懸臂梁礦體的擾動(dòng)。因此設(shè)置兩個(gè)工況進(jìn)行分析，將兩個(gè)工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，從而論證懸臂梁殘礦體回采的可行性。

工況①：主要是對當(dāng)前現(xiàn)狀進(jìn)行歷史回溯模擬。首先是3-1與3-2礦房的開挖，其中3-2礦房殘留礦體及其正下方的礦體保留，然后進(jìn)行空區(qū)充填，再進(jìn)行殘留礦體下方873 m至842 m礦體的回采?；夭珊筮M(jìn)行應(yīng)力平衡，最后計(jì)算殘留礦體現(xiàn)狀的力學(xué)模擬結(jié)果。

工況②：在工況①的基礎(chǔ)上，將873 m至890 m殘留礦體進(jìn)行一次性大爆破崩落回采，對回采后的萬7線礦柱、周邊膠結(jié)充填體等力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。殘礦體一次性回采示意見圖3。

圖3 殘礦體一次性回收示意

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

利用 FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件[11-13]對上述兩種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，按圖1中A、B和西溝1選取模型區(qū)域分析剖面，對兩種工況的應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)進(jìn)行分析。

2.3.1 應(yīng)力場分析

圖4（a）和圖4（b）計(jì)算結(jié)果表明：在懸臂梁礦體回采后，模型區(qū)域內(nèi)的巖體拉應(yīng)力有所降低，最大拉應(yīng)力由1.74 MPa降低到1.53 MPa；7線礦柱內(nèi)最大主應(yīng)力降低了8.3%，7線應(yīng)力狀態(tài)有所改善。圖4（c）和圖4（d）計(jì)算結(jié)果表明：最大拉應(yīng)力由1.80 MPa降低到1.66 MPa；7線礦柱內(nèi)壓應(yīng)力降低了5.5%，7線應(yīng)力狀態(tài)有所改善。圖4（e）和圖4（f）計(jì)算結(jié)果表明：殘礦體回采后，最大拉應(yīng)力由2.06 MPa降低到1.35 MPa；膠結(jié)充填體內(nèi)最大拉應(yīng)力值范圍在0～0.5 MPa，中間凸出的充填體垮落的可能性較大。

圖4 兩種工況最大主應(yīng)力情況對比

在懸臂梁礦體回采后，懸臂梁礦體受到的拉應(yīng)力區(qū)隨之不復(fù)存在；同時(shí)解除了和7線礦柱的連接后，7線礦柱的應(yīng)力狀態(tài)有所改善；殘礦體上部的充填體區(qū)域由于底部暴露新增拉應(yīng)力，最大值不超過0.5 MPa。

2.3.2 位移場分析

圖5（a）和圖5（b）計(jì)算結(jié)果表明：懸臂梁殘礦體回采后，模型區(qū)域內(nèi)位移無明顯變化，模型最大豎向位移由46 mm降低到45 mm；殘礦體周邊充填體的最大位移約為20 mm。圖5（c）和圖5（d）計(jì)算結(jié)果表明：最大豎向位移由 38 mm降低到37mm；殘留礦體周邊充填體的位移約為20 mm。圖5（e）和圖5（f）計(jì)算結(jié)果表明：最大豎向位移由21.6 mm降低到21.3 mm；殘留礦體正上方充填體的位移約為20 mm；其中豎向位移在10～20 mm范圍內(nèi)的區(qū)域有所擴(kuò)展。

圖5 兩種工況豎向位移情況對比

在懸臂梁礦體回采后，模型區(qū)域內(nèi)位移無明顯變化，僅殘礦體上部充填體由于下部支撐作用的消失，有一定的豎向位移，中間凸出充填體在殘礦體回采后垮落的可能性較大。

2.3.3 塑性區(qū)分析

圖6（a）和圖6（b）計(jì)算結(jié)果表明：殘留礦體與7線礦柱的原生連接面處于彈性狀態(tài)；殘留礦體的下端面部分處于塑性區(qū)；懸臂梁殘礦體回采后，7線礦柱內(nèi)塑性區(qū)體積增加不明顯；殘礦體左側(cè)充填體未產(chǎn)生大面積塑性區(qū)；殘礦體上方充填體也無新增塑性區(qū)。圖6（c）和圖6（d）計(jì)算結(jié)果與A剖面類似，在7線礦柱左側(cè)增加部分塑性區(qū)。圖6（e）和圖6（f）計(jì)算結(jié)果表明：殘礦體正上方充填體無新增塑性區(qū)，但在礦體下盤新增少量塑性區(qū)。

圖6 兩種工況塑性區(qū)情況對比

懸臂梁殘礦體回采后，對目前的7線礦柱、左側(cè)和上方充填體未產(chǎn)生太多影響，區(qū)域模型塑性區(qū)面積和體積變化不大。

不同剖面不同工況下，模型區(qū)域的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)變化情況見表2。

表2 不同剖面不同工況下模型區(qū)域應(yīng)力、位移和塑性區(qū)統(tǒng)計(jì)

3 殘礦爆破回采工程實(shí)踐

3.1 爆破方案

殘礦體整體爆破方案為以3-2礦房873 m分段下方空區(qū)為自由面，由于殘留礦體被充填體分割為上盤和下盤兩部分，因此在7線礦柱內(nèi)的873 m分段至890 m中段施工3條人行天井，然后分別施工聯(lián)絡(luò)道，再掘進(jìn)上、中、下鑿巖硐室，利用鑿巖硐室施工似水平上向扇形孔（上傾角度 3°～15°），排距為2.5～3 m，最大孔距3.5 m。礦體左側(cè)炮孔孔底距離充填體 1.5 m，礦體頂部距離上部充填體1.8 m，作為控制貧化的隔離層，如圖7所示。

圖7 殘礦體回采爆破方案

采用單排內(nèi)多孔維度不耦合裝藥，在一個(gè)分段內(nèi)有 9個(gè)爆區(qū)，爆破網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆索-導(dǎo)爆管復(fù)合網(wǎng)絡(luò)[14-15]，多爆區(qū)齊次起爆，孔內(nèi)延期雷管控制起爆順序，整體下向逐排崩礦，利用835 m中段的底部結(jié)構(gòu)出礦，如圖8所示。

圖8 炮孔起爆網(wǎng)絡(luò)

3.2 爆破效果分析

本次爆破炮孔數(shù)量394個(gè)，爆破方量26 400 m3，消耗炸藥量30.4 t，爆破礦石量96 400 t，炸藥單耗1.15 kg/m3。經(jīng)爆破后檢查，殘礦體一次性落礦，除中間夾制的凸出充填體外，其余充填體未發(fā)現(xiàn)垮塌，7線礦柱也未受到明顯損傷。

由于爆區(qū)附近存在 4#盲斜井、2#豎井、850 m主運(yùn)輸巷等設(shè)施，同時(shí)爆區(qū)上方地表有辦公樓和工業(yè)設(shè)施，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》關(guān)于爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和安全距離的規(guī)定，校核上述區(qū)域的安全性，結(jié)果見表3。

表3 不同設(shè)施的爆破安全指標(biāo)校核

4 結(jié)論

（1）異形結(jié)構(gòu)殘礦體影響礦山空區(qū)充填體和礦柱的支撐結(jié)構(gòu)，安全回收殘礦體既是保證礦山安全生產(chǎn)的重要舉措，又可以提高資源綜合利用水平。

（2）利用數(shù)值計(jì)算軟件首先對現(xiàn)狀形成原因進(jìn)行歷史回溯，然后再進(jìn)行回采方案的模擬推演，由此進(jìn)行的殘礦安全回采論證，表明方案是可行和安全的。

（3）根據(jù)異形懸臂梁殘礦體的安全回采論證，設(shè)計(jì)多孔維度不耦合裝藥和多爆區(qū)齊次起爆方案，有效降低了采動(dòng)對周邊環(huán)境的影響，從而實(shí)現(xiàn)了單次十萬噸級的殘礦回采工程實(shí)踐。