深部金属矿山卸压开采研究

李学锋 黄海斌 谢柚生 刘梦希

(广西大学资源与冶金学院，广西 南宁 530000)

随着国民经济的发展，矿产资源需求量不断增加，浅部资源的逐渐枯竭迫使更多矿山转入深部矿床开采，然而，深部资源的安全高效经济开采一直是矿业界一个急需解决而又未能很好解决的关键问题[1-2]。矿山进入深部开采后，地应力明显升高，给地下工程开拓、维护、控制提出了一系列严峻的挑战[3]。随着开采深度增大，地应力由浅部的线性向深部的非线性转变，浅部重力场地应力向深部构造应力场转变，已有的弹塑性力学理论不再适应深部地下工程[3]。深部围岩特殊性将导致深部岩体在强度与变形的性质上与浅部显著不同，围岩内赋存的高地应力与围岩低强度之间矛盾更加地突出，地下工程开挖之后围岩发生猛烈的岩爆频率增加，采场大面积失稳破坏迅速增加。

广西某矿业公司深部105号矿体的安全开采，可有效缓解目前国际国内市场上锡、锑等金属紧缺的局面，对发展我国的有色金属工业有相当重要的意义，但要安全有效地开采105号矿体，目前面临着一大采矿技术问题，即105号矿体在地质应力环境与岩体结构方面都具备发生岩爆的条件，在开采的过程中有发生岩爆的可能。本研究根据105号矿体的岩爆倾向性结果及矿区岩石力学参数、地应力水平等条件，提出了4种卸压方案，并利用FLAC3D及Plot Digitizer软件对各方案的卸压效果进行模拟分析，最后确定最佳卸压方案，从而解决开采过程中有可能出现的岩爆问题。

1 矿区深部矿体开采技术条件

1.1 矿床特征

该矿区105号深部矿体已控制部分距地表约800～1 200 m，控制标高为-79～-285 m，矿体规模达到大—特大型，矿体类型属锡石—硫盐—硫化物型矿石，主要有益成分有锡、锌、铅、锑、铜等，均达到矿床的工业要求，伴生组分铟、镉、镓达到综合利用要求。矿体走向近于南北，以-151 m水平为界，上部总体倾向东，下部北段倾向西，下部南段倾向南东，控制矿体长459 m，水平宽139 m，延伸大于206 m。

1.2 矿区地应力

根据长沙湖广矿山技术服务有限公司采用国际岩石力学学会(ISRM)试验专业委员会规范规定的《岩石应力测定的建议方法》中的空心包体应变法，通过中科院研制的空心包体应力计测出的该矿105号矿体-200 m水平地应力结果，结合在该矿区+250～+300 m标高间测得原岩地应力结果预测深部地应力，以原岩地应力与深度线性相关方式预测的开采深度达1 500 m、2 000 m原岩地应力结果见表1。

表1 预测开采深度达1 500m、2 000 m原岩地应力Table 1 Original rock ground stress of prediction miningdepth at 1 500 m and 2 000 m

1.3 岩石力学参数

对矿区深部矿体部分区域的岩石力学参数测试，由中南大学现代分析测试中心力学实验室采用INSTRON1342型和1346型材料压力试验机完成，其最终测定结果见表2。

表2 矿区105号矿体岩石力学参数Table 2 Rock mechanics parameters forNo.105 orebody in mining area

1.4 矿区岩爆倾向性评估结果[4]

根据矿区测得原岩地应力与岩石力学参数，分别按强度脆性系数法、最大储存弹性应变能法、弹性能量指数判别法、冲击能量判别法评估矿区岩爆倾向结果见表3。

表3 矿区岩爆倾向评估结果Table 3 Evaluation results of rock burst tendency in mining area

注：R为强度脆性系数(单轴抗拉强度与抗拉强度的比值)；Es为最大储存弹性应变能，MJ/m3；WET为弹性变形能量储能与塑性变形耗散能比值，也即弹性变形能与塑性变形能的比值；WCF为冲击能量指数(岩石峰前应力—应变曲线与横轴所成面积与峰后应力—应变曲线与横轴所成面积比值)。

由表3可得出：矿区105号矿体锡矿石具有岩爆倾向性，存在岩爆发生内因；礁灰岩基本不具有岩爆倾向性。

2 具有岩爆性矿井卸压方案

在原岩应力测试中确定了矿区整体应力方位与大小，如具体应用到采场卸压方案中仍需转换计算。根据转换后的水平及垂直方向的应力分量，在设计布置采场过程中，采场的长轴方位为0°，作用在两端的应力为39.56 MPa；采场的上盘、下盘法向即东西方位，作用其上的应力为29.23 MPa；作用在垂直方向上应力为16.96 MPa。结合已有的应力拱卸压方式研究，综合考虑矿区地应力主要为水平构造应力，采场周边应力σ1、σ2与σ3比值分别为2.33∶1、1.72∶1，在设计卸压方案时主要考虑水平构造应力，因此，本研究提出了4种卸压方案：

方案一：采场两侧布置卸压槽[5]。在矿块的两侧分别布置1条6 m卸压槽，见图1。

图1 两侧布置卸压槽卸压方案Fig.1 Pressure release program with reliefgroove laying on both sides

方案二：切顶和拉底布置卸压槽[5]。在矿块的顶板与底板分别布置1条4 m卸压槽，见图2。

图2 切顶和拉底布置卸压槽方案Fig.2 Arrangement scheme of relief groove layingon roof cutting and undercutting

方案三：上盘深孔卸压爆破。深孔卸压爆破主要利用药壶装药爆破，松动岩体，爆破产生的裂隙使上盘围岩与采场形成一个应力隔离带，从而降低采场应力。爆破过程中，炮孔周围依次形成爆腔、破碎区、裂隙带，破碎区与裂隙带起卸压作用，爆腔提供了应力闭合空间。根据理论计算，当炮孔半径取45 mm时，爆破后裂隙带近2 m，在上盘布置的卸压孔在爆破裂隙形成之后相当于存在4 m宽的卸压带。深孔爆破卸压方案见图3。

图3 深孔爆破卸压方案Fig.3 Deep-hole blasting relief program

方案四：矿体分步回采。此方案把矿块分成两步进行回采，一步骤采用充填法回采接近上盘的部分矿体，空区胶结充填；二步骤采用上向分层(尾砂)充填法回采剩余宽度矿体，见图4。

图4 矿体分步回采方案Fig.4 Orebody sub-step stopping program

3 数值建模

3.1 岩体力学参数确定

采矿工程数值模拟过程中岩体力学参数选取很大一部分决定了数值模拟准确性和适用性。本次数值模拟岩体力学参数主要根据室内岩石力学实验、工程经验与rocklab软件计算等综合估计计算模型各岩体的基本岩体力学参数，见表4。

表4 岩体力学参数Table 4 Mechanical parameters of rock mass

3.2 计算边界条件

根据矿区105号矿体的矿区地质、矿体地质及上向分层充填法方案的特点，为完成模拟方案卸压效果，以矿区地质平面图、剖面图为建模的基础资料，根据105号矿体工程地质岩性、采场布置等情况，建成三维结构体，所形成的FLAC3D模拟分析模型三视图见图5。

图5 模拟计算模型图Fig.5 Simulation calculations model diagram

图中矿岩模型单元为119 808个，节点为129 195个。考虑到原岩地应力特点，忽略重力作用。模型顶部(y方向)施加16.96 MPa恒应力，在模型的两侧(x方向)施加29.23 MPa恒应力，在模型的前后施加39.56 MPa恒应力。计算模型范围x=280 m(垂直矿体走向方向)，z=360 m(沿矿体走向方向)，y= 200 m(垂直方向)。

收敛采用自动控制时间步来求解模型，直到最大不平衡力为1×10-5为止。模型边界约束采用位移约束(在FLAC3D中实质就是速度约束)的边界条件。底部所有节点取x、y、z3个方向上的约束；对x方向上的边界取x方向固定，y、z方向自由；对z方向的边界取z方向固定，x、y方向自由，即模型的左右边界、前后边界和底部边界均施加位移约束条件，上边界(y方向)为自由边界。选用Mohr-Coulomb本构模型做为本次数值模拟的力学判据。

4 卸压效果数值模拟分析

在多种岩爆预测分析中，采场周边的最大主应力被视为一个重要指标，如最大强度理论、最大剪切应力理论(超剪切应力ESS)等，因此在以下分析卸压效果中，主要分析采场周边最大主应力变化，并以此为方案优劣的判据。

4.1 方案一卸压效果分析

在矿块两端布置卸压槽后，卸压槽沿矿体走向(最大主应力方向)边应力增大到57.5 MPa，而垂直矿体走向边减小到5 MPa，在矿体内应力得到一定的减少，其值减小到35 MPa，降低大概5 MPa。总体来看方案一卸压效果不明显，把采场周边平均应力降低到了原岩应力的85.2%，矿体周边未能形成有效的卸压拱，主因是最大主应力方向沿矿体走向，卸压槽形成的空间仅转移了周边小范围内岩体应力，无法转移采场远场应力。方案一最大主应力等值线见图6，方案一矿体周边最大主应力曲线见图7。

图6 方案一最大主应力等值线(单位：MPa)

4.2 方案二卸压效果分析

布置完切顶与拉底卸压槽后，卸压槽周边应力变化较大，应力得到减小。但在矿体某些部位上应力达到34.5 MPa，这部分应力与第二主应力(垂直矿体方向，29.23 MPa)相比实际增大了约5 MPa，主因是卸压槽周边减小的应力转移到了卸压槽下部，这部分应力致使矿体上应力增大，只有卸压槽附近区域出现卸压效果。方案二最大主应力等值线见图8，方案二矿体周边最大应力曲线见图9。

图7 方案一矿体周边最大主应力曲线Fig.7 Maximum principal stress curve of theorebody surrounding in the program one

图8 方案二最大主应力等值线(单位：MPa)

图9 方案二矿体周边最大主应力曲线Fig.9 Maximum principal stress curve of the orebodysurrounding in the program two

4.3 方案三卸压效果分析

根据深孔爆破形成的4 m裂隙带将改变上盘围岩裂隙带弹性模量的原理，把该区域弹性模量由 4 411 MPa调至1 102.75 MPa，可实现该方案的数值分析。在矿体上盘实施爆破卸压后，矿体周边应力明显降低，爆破裂隙带周边应力为10 MPa；在裂隙带外第1个卸压拱应力降为20 MPa，第2个卸压拱应力降为30 MPa；应力增大区在裂隙带的两端较小区域，应力最大增到106.3 MPa。相比原岩应力，预期卸压带应力降低幅度较大，卸压影响范围较广，能形成有效的卸压拱。方案三采场周边主应力等值曲线见图10，方案三矿体周边最大应力曲线见图11。

图10 方案三最大主应力等值线(单位：MPa)

图11 方案三矿体周边最大应力曲线Fig.11 Maximum principal stress curve of theorebody surrounding in the program three

4.4 方案四卸压效果分析

矿体的一步骤回采后，在二步骤矿体的上盘与围岩间形成了真正意义上的应力隔离带，应力显著降低。充填体的抗压强度设置为4 MPa，围岩弹性模量为4 410 MPa，在充填体充填到空区后，它们之间存在一个力学上的“界面”，充填体有自己的应力状态和力学体系，不会马上受到上盘应力作用。二步骤矿体上盘界线应力降为5 MPa左右；第1个卸压拱应力降为20 MPa，第2个卸压拱应力降为30 MPa；应力增大区在一步骤采场的两端较小区域，应力最大增到119.89 MPa，但是该区域对二步骤安全回采影响不大。方案四最大主应力等值线见图12，方案四矿体周边最大应力曲线见图13。

图12 方案四最大主应力等值线(单位：MPa)

4.5 卸压方案优劣性分析

数值模拟分析表明，方案四在分步回采矿块后，剩余的二步骤矿体与上盘形成了一个真正意义上的应力隔离带，卸压效果显著，影响范围广，为拟推荐卸压方案。4个方案比较结果见表5。

图13 方案四矿体周边最大应力曲线Fig.13 Maximum principal stress curve of the orebodysurrounding in the program four

表5 4个方案卸压效果比较Table 5 Comparison of pressure relief effect of 4 programs

5 结 论

(1)根据矿区105号矿体及围岩的岩爆倾向性结论及矿区开采技术条件与开采工艺、地应力水平与岩体力学参数，结合已有的应力拱卸压方式的研究，共提出4种卸压方案：采场两侧布置卸压槽；切顶和拉底布置卸压槽；在上盘深孔卸压爆破；矿块分步回采。

(2)通过数值模拟分析，得出结论：采场两侧布置卸压槽卸压方案使采场周边应力降低14.8%；切顶和拉底布置卸压槽卸压方案卸压不成功；在上盘深孔卸压爆破卸压方案使采场周边应力降低50.4%，在矿体与围岩之间能形成真正意义上有效的应力隔离带；矿块分步回采方案卸压效果显著，范围广，在其一步骤回采完成后，二步骤矿体上的应力下降显著，应力降低63.6%。最终通过最大主应力比较分析确定矿块分步回采为最优卸压方案。

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