多层缓倾斜矿床回采沿脉巷道应力分布特征及其卸压方法

施耀斌，叶义成，王其虎，姚 囝

(武汉科技大学资源与环境工程学院，冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081)

多层缓倾斜矿床是采矿界公认的难采矿体，至今存在大量有待解决的理论和技术难题[1]，这类矿床开采的阶段巷道一般采用沿脉布置，受地层层位和岩性的影响，巷道稳定性及其控压能力较差。提高多层缓倾斜矿床沿脉巷道的控压能力及其稳定性，是实现矿山有效安全开采的关键之一。目前，主要采用二次支护、锚杆支护、卸压开采等解决巷道地压问题[2-3]。其中，卸压开采广泛应用于地下矿山开采中，实现围岩应力卸载和应力转移，是缓解地压问题的有效手段。国内外学者和采矿工作者作了大量的研究，总结出了许多卸压的方法[4-7]，在实践中形成了以厚-特厚的倾斜或急倾斜矿床为主要研究对象，结合采矿方法和顶板控制管理的卸压方法及应用，较系统的研究解决相应问题，获得了较好的技术经济效果。

但由于多层缓倾斜矿床矿岩间距和岩性差异性大、采矿引起岩层间相互扰动等特征，适用于这类矿床特性的卸压技术研究和工程应用较少，存在卸压工程布置连续性差、掘进量大、采矿成本较高等不足。本文以上横山多层含钒页岩矿床为研究对象，利用Phase2软件，模拟分析随中段分层回采进行，沿脉巷道应力分布特征，探讨缓倾斜多层矿床回采沿脉巷道应力分布规律、稳定性及其应力卸载技术。

1 地质模型

1.1 工程概述

上横山含钒页岩矿床赋矿标高+92～+245m，矿体多呈层状、似层状平行产出。矿体倾角5～25°；主矿体长615～952m，倾向延深103～223m，厚0.75～7.27m。矿体围岩和夹石主要为炭质页岩、页岩和硅质页岩，薄层状层理及页理极发育，岩石易沿层理剥离，软化系数小于0.75，岩体完整性较差。矿床以岩溶裂隙水为主，矿区水文地质条件较简单。受地质条件和开采技术的限制，沿脉布置的主要巷道的稳定性及其控压能力，对巷道的有效性和回采时巷道的连续安全使用有极大的影响。

1.2 强度破坏准则

基于上横山矿床矿体呈多层排列，矿、岩岩性差异性较大，Phase2地质建模采用广义霍克-布朗强度破坏准则[8]定义模型材料。这是因为摩尔-库仑强度破坏准则只能给出岩土类材料相对准确的破坏强度预测，未考虑中间主应力对材料强度的影响，相对而言是一个保守准则；而霍克-布朗准则在复杂的围压情况下，具有更好的优势性[9-10]。其基本方程式如下所示。

其中

式中，σ1为岩体破坏时的最大主应力；σ3为岩体破坏时的最小主应力；σci为岩块单轴抗压强度；s、a为岩石材料参数的无量量纲；D为应力释放对岩体扰动程度系数；GSI为地质强度指数[11]；SR为岩石结构等级；SCR为结构面表面特征等级。

水平应力和垂直应力之比随深度变化取值范围[12]。

式中，συ为垂直应力；σh，av为水平应力。

1.3 模型材料参数

基于霍克-布朗强度破坏准则，采用3节点单元划分网格，选用上横山含钒页岩矿床典型的4#勘探线建立Phase2地质模型。模型长×高为190m×100m，模型材料参数如表1所示。

表1 上横山矿矿、岩层岩石力学参数

2 矿床回采沿脉巷道应力分布特征

2.1 回采方案

参照文献[13-14]，采用层间交替嗣后充填采矿法模拟回采。首采中段为+155m水平，中段高度30m。在开采范围内总体采用从上向下的回采顺序，中段采用自下向上后退式回采；设计胶结充填体密度1890kg/m3、弹性模量625Mpa，以满足强度2～4MPa的安全要求。

研究+155m中段回采结束，开采+125m中段V3、V4、V5矿体(从下向上排列)回采沿脉巷道应力分布特征。考虑矿、岩厚度和回采条件，设计将V3和V4、V5矿体分别划分两个盘区，盘区长为矿体沿走向长度，宽为矿体沿倾向长度，回采采场布置见图1。

(a) 垂直4#勘探线剖面矿房布置 (b)4#勘探线矿房布置—硅质-炭质页岩互层；—硅质页岩；—炭质页岩；—矿体；—充填体

采场沿矿体走向布置，当矿体垂直厚度大于3.5m，采场高度为矿体高度；当矿体垂直厚度小于3.5m，且相邻围岩厚度较大，则采出全部矿体的同时，掘进一部分围岩，使采场高度为3.5～4m；当矿体垂直厚度小于3.5m，且上层围岩厚度较小(总体厚度小于8～10m)，采场高度为两个矿体和之间夹层垂直厚度之和。矿房沿走向长度50～60m，采用“隔一采一” 后退连续回采矿房，如图1(a)，即先采矿房A和矿房C，再回采矿房B和矿房D，当这一盘区回采结束，再进行下一盘区回采；沿倾向长度15～25m，如图1(b)，在4#勘探线上中段采场总数12个，编号1～12，采用先回采采场1和采场4(第一时步)，再回采采场2和5(第二时步)，接着依次回采3(第三时步)、6(第四时步)、7(第五时步)、…、12(第十时步)的回采时步，共10个时步。

2.2 中段回采对沿脉巷道的影响

设计三心拱巷道宽×高为4000mm×3200mm，巷道开挖后，采用喷锚支护，锚杆长2m，直径40mm(弹性模量20×104MPa)，支护厚度30cm。以图1所示沿脉巷道远矿体侧侧帮底端作为计算起点，各时步沿脉巷道的应力和偏移量见图2。

(a)应力 (b)偏移量

由中段回采沿脉巷道应力分布和偏移变化可以看出(图2)，随着巷道开挖和分盘区回采进行，沿脉巷道应力集中区域集中在顶板和底板两端；顶板应力分布呈“先增后减”的趋势，峰值出现在顶板近矿体侧，且应力较上一回采时步呈增幅0.34%～9.20%的增长趋势；回采造成沿脉巷道向巷道空区内收敛变形现象明显(图2(b))，偏移量宏观上呈增长趋势，增幅1.52%～119.87%；在第二、八、九、十回采时步呈小幅度降低趋势(图3(b))，平均降幅4.04%，中段回采结束总偏移量达48.35～87.61 mm。但在回采巷道正上方7、8、9采场中(第五、六、七回采时步)，顶板出现卸压效果，降幅7.75%～12.27%(图3(a))。

(a)应力变化 (b)偏移变化

同时，沿走向方向沿脉巷道围岩应力随回采进行(图4)，巷道围岩应力较上一步骤变化，具有随矿房长度的周期性和交替的波动性。在同一盘区回采，其下方沿脉巷道围岩应力较其他区域高0.21%～7.98%(平均3.19%)，沿脉巷道应力增高区域出现在回采矿房下方，应力减少区域出现在其相邻矿房下方。

◆—第五时步回采矿房A和C；■—第五时步回采矿房B和D;▲—第七时步回采矿房E和G；●—第七时步回采矿房F和H

2.3 沿脉巷道应力状态

根据《工程岩体分级标准》(GB50218-94))附录B中采用岩石强度应力比(Rc/σmax)，确定应力情况：Rc/σmax=4～7为高应力，Rc/σmax<4为极高应力。矿床回采形成的沿脉巷道应力分布状态见图5。

在不同回采时步，巷道应力分布状态集中表现在顶板和底板高应力影响范围广、时间长。在中段回采中，顶板高应力区达51.61%～58.14%(平均54.65%)，底板高应力区达26.19%～54.54%(平均36.32%)。沿脉巷道这一应力分布状态，势必影响巷道稳定性、有效性和开采的安全高效进行。因此，为保障布置在软化岩石中的沿脉巷道稳定性和提高巷道控压能力，需加强支护的同时，有必要采用一定的工程技术措施卸载围岩的压力。

■—正常应力；□—高应力

3 沿脉巷道卸压方式

沿脉巷道卸压方式离不开矿床回采方式、回采工艺和巷道应力分布状态，很大程度上取决于矿床的卸压开采技术。因此，考虑矿床特性、开采特征和技术经济效果，选择具有掘进量低、采矿成本小等优点的钻孔卸压和卸压短巷卸压。通过模拟分析卸压工程布置对矿床回采沿脉巷道应力和收敛变形的影响，探讨巷道围岩高应力卸载状况，解决应力集中等问题。

3.1 钻孔卸压

由于+125m分段上覆岩层层间距较小，炭质页岩稳定性较差，兼顾上分段采场充填体稳定性和空区等因素，选用中深孔钻孔卸压。设计钻孔直径60mm，长9.0m，与水平夹角70°。

如图6所示，通过钻孔卸压，整个回采过程中沿脉巷道高应力状态较未卸压时有明显的减少。从图6(a)、(b)可知，沿脉巷道在不同回采时步正常应力区域范围为77.05%～80.33%，高应力范围降至13.11%～21.31%；巷道顶板高应力状态基本解决，而出现的高应力和极高应力部位均在底板。由图6(c)、(d)，较未卸压的同一回采时步，钻孔卸压使得巷道正常应力范围增幅为38.86%～72.33%(平均达54.94%)，高应力范围降幅达50.82%～63.11%(平均达56.86%)。这是由于形成的卸压孔，使巷道围岩内的高应力向应力集中区范围以外的钻孔端部岩体深部转移，卸载了沿脉巷道顶板高压应力。同时，沿矿体倾向较垂直矿体倾向布置卸压钻孔对缓解沿脉巷道高应力情况具有较好的效果，其巷道高应力范围差距达1.21%～7.61%(平均6.22%)。

图6 不同回采时步沿脉巷道布置钻孔卸压的应力特征

3.2 卸压短巷卸压

钻孔卸压虽能较好的解决巷道顶板高应力状态，但由于形成的新的工程造成底板极高应力区域增多，且当钻凿较多的钻孔，难以维护巷道的完整性和稳定性，在应力集中明显的局部区域或回采扰动影响大时步可采用此类卸压方法控制沿脉巷道的稳定性。同时考虑区域卸压效用，设计卸压短巷弱化采场应力集中区域应力，减少巷道的扰动影响和提高区域工程的稳定性。设计卸压短巷深4m，宽5m，与巷道拱顶齐高。图7为在不同回采时步卸压短巷布置对沿脉巷道应力影响。

近矿体侧帮布置卸压短巷，巷道正常应力在不同回采时步范围达55.56%～86.11%，较远矿体侧帮卸压巷布置巷道高应力范围量低13.01%～77.90%(平均52.75%)(图7(a)、(b))。从图7(c)、(d)可知，卸压短巷布置，较同一时步未卸压时巷道应力状态，巷道高应力影响区域分别减少14.14%～71.26%(图7(c))和4.76%～13.63%(图7(b))。但远矿体侧帮卸压短巷布置在第四回采时步，造成高应力范围较同一时步未卸压时增加了15.79%，正常应力区域范围降低了18.75%，造成这一现象主要原因，是开采引起的应力集中区位于巷道围岩应力波浪起伏的最大值点，造成底板应力激增，使得巷道整体应力情况出现异常。

3.3 沿脉巷道围岩高应力卸压方式分析

沿脉巷道应力情况很大程度上取决于矿、岩层特性差异和矿房回采扰动状况；而为了确保巷道在回采过程中的有效、连续使用，卸压方式选择和实施是关键。从设计的钻孔卸压和卸压短巷卸压分析计算，沿矿体倾向布置卸压钻孔和近矿体侧帮布置卸压短巷，对缓解沿脉巷道高应力情况较相对应的卸压方案具有较好效果。

同时，考虑在中段分层盘区连续回采，卸压工程布置对沿脉巷道偏移量影响，在第四回采时步后采用沿矿体倾向布置卸压孔，能够较好的实现巷道围岩卸压，尤其对顶板偏移控制有较大的作用，较同一时步未卸压状态其偏移量减少均量为4.76mm(图8(a))；采用卸压短巷卸压时，由于随回采时步进行，顶板偏移持续增加(较同一时步未卸压状态偏移量增加均量为0.46mm)(图8(b))，考虑新工程开挖扰动影响，建议在巷道开挖初始就进行卸压短巷工程布置。形成典型回采时步的卸压方案沿脉巷道应力分布云图如图8(c)、(d)。

图7 卸压短巷卸压沿脉巷道在不同回采时步的应力

■—底板；◆—顶板；□侧帮

由于模拟数值计算是将矿床地质条件和回采工艺简化的模拟结果，揭示的是随不同回采时步分层回采矿体沿脉巷道应力及巷道收敛变形情况的一般规律。在实践中，还应加强地压控制管理、工程方案布置优化、回采—卸压管理和调整卸压工程布置的同时，根据回采步骤和巷道应力情况，结合巷道破坏和变形现状，通过U型钢架、金属网等组合体支护技术，加强对钻孔和巷道开口处等应力集中明显的区域进行加固和维护工程，确保有效、安全、效益的开发利用。

4 结论

1) 随中段分层盘区回采进行，沿脉巷道应力呈0.34%～9.20%幅达增加趋势(较上一回采时步)，高应力集中在顶板、底板两端，高应力区域范围分别为54.65%和36.32%；沿脉巷道出现明显的向巷道空区内收敛变形，偏移量增幅为1.52%～119.87%(较上一回采时步)；沿矿体走向上，沿脉巷道应力变化具有随矿房长度的周期性和交替的波动性，在同一盘区回采，其下方沿脉巷道围岩应力较其他区域高0.21%～7.98%。

2) 采用钻孔卸压和卸压短巷卸压方法能缓解沿脉巷道高应力情况。比较未采用卸压技术的同一回采时步，钻孔卸压使巷道正常应力范围增加，增幅均值为54.94%，且高应力区域平均降低56.86%；沿矿体倾向比垂直矿体倾向布置卸压孔，使巷道高应力区域范围少1.21%～7.61%；采用卸压短巷卸压，近矿体侧帮布置卸压短巷获得较好的卸压效果，沿脉巷道在不同回采时步的正常应力范围达55.56%～86.11%，较另一卸压方案减少高应力范围量13.01%～77.90%。

3) 在第四回采步骤后(第7采场)实行钻孔卸压和在巷道开挖初始即形成卸压短巷，保证了较同一回采时步未卸压状态巷道应力和偏移量小的技术要求。

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