金属矿山深部矿体卸压爆破开采技术

李海峰

（哈密和鑫矿业有限公司,新疆 哈密 839000）

硬度大、应力高、易变形是金属矿山深部矿体的典型特征,这也使得此类矿体具有极高的回采难度。如何控制矿山地压成为决定开采效率和安全作业的关键。卸压爆破技术是利用爆破方式将原本集中的应力释放或转移,从而使当前工作面的压力趋于稳定,为矿体回采创造有利条件。考虑到深部矿区的地质特征、水文条件等方面存在明显差异,因此需要根据现场情况编制多套卸压爆破方案。例如沿矿体走向方向回采,对工作面卸压爆破,或者沿下盘到上盘方向回采,对工作面及两侧卸压爆破等。因地制宜选择合适的卸压爆破技术,是保证金属矿山深部矿体高效、安全回采的前提条件。

1 卸压爆破开采技术

1.1 卸压爆破的破坏机理

作为一种成熟的卸压技术,卸压爆破的具体形式又可分为多种,例如按照钻孔数量的不同,可分为单孔卸压爆破、多孔集群卸压爆破；按照钻孔位置的不同,又可分为全断面卸压爆破、侧帮卸压爆破、底板卸压爆破等。虽然在具体操作流程上存在差异,但是其破坏机理基本一致：当钻孔内装填的炸药被引爆后,爆炸产生的冲击波直接作用于钻孔内壁,并且以钻孔为中心,使周围岩层发生辐射状破坏。同时,冲击波受到岩层阻挡转化为应力波,并且向周围扩散直到遇到自由面。在岩层破碎后,原本集中的应力也会消解,从而使工作面的回采更加方便和安全。

1.2 卸压爆破应力波的传播规律

在卸压爆破中,以爆炸孔为中心,按照对岩层破坏程度的不同,由内而外划分成3 个区域,即粉碎区、裂隙区、震动区,各区域划分如图1 所示。

图1 卸压爆破作用区域示意图

在炸药起爆后,与炸药直接接触的岩体会因为爆炸产生的冲击力形成大量空腔。空腔周围岩体在高压作用下发生塑性变形,原来完整的岩层碎裂成若干岩块,该区域即为粉碎区。冲击波继续向外扩展,并且因为岩石波阻抗的作用导致冲击波逐步减弱。此时岩层已经无法被完全破碎,而是形成辐射状的裂隙,该区域即为裂隙区。受到岩体阻挡的冲击波变为应力波,并继续向周围传播。传播距离越远,波的能量越弱,当减弱到一定程度后不再对岩体造成破坏,而只产生轻微振动,该区域即为震动区。

1.3 卸压爆破的影响因素

卸压爆破的破坏效果会受到诸多因素的影响,例如矿井的开采方式、爆破点的深度,以及爆炸区域的地质条件和炸药的装填量等。根据能量守恒定律,炸药爆炸时产生的化学能会转化为动能,并且逐步耗散在岩层。因此,要想达到预期的破坏卸压效果,必须要合理控制装药量。一般来说,装药量越多的情况下,工作面的应力释放速度越快,并且应力峰值也随之降低。而卸压爆破以后,应力集中部位会沿着应力波的方向继续向矿体深部转移,并且应力转移距离与装药量之间呈线性关系,如图2 所示。

图2 最大主应力与装药量、距卸压孔距离之间的关系

回采厚度也是影响卸压爆破效果的重要因素,通常来说随着回采深度的增加,岩层破碎难度也会相应上升,必须要装填更多的炸药,才能产生足够大的冲击力使岩层破碎。除此之外,卸压爆破过程中,工作面应力向深部矿体推移的距离,也会随着回采深度的增加而不断减少。在相同的回采深度下,卸压后工作面的最大主应力要低于卸压前,如图3 所示。

图3 最大主应力与回采深度的关系

2 金属矿山深部矿体卸压爆破开采技术的应用

2.1 深部矿区概况

某金属矿山的矿体类型属“锡石- 硫盐- 硫化物型矿石”,矿石中主要成分有锡、铅、锌、铜等。矿体呈南北走向,控制标高为-60～-288m,控制矿体总长度537m,水平宽度140m,延伸超过180m。从地质调查结果来看,该深部矿体的赋存形态较为复杂,并且总体上呈垂直走向分布,因此选择的采矿方法必须满足回采率高、矿损率低两个基本要求。经过综合论证后,决定使用分层上向凿岩填充法进行回采。考虑到回采工作面的应力较为集中,因此还需要提前采取卸压措施。

2.2 深井卸压方案

大量的回采作业实践表明,对于应力集中的深部矿体若未能在回采前进行有效卸压,有较大概率会因为岩层中临空岩体发生突发式破坏而形成“岩爆”,轻则影响回采作业的正常进行,严重时还有可能造成人员伤亡。因此,深部矿体回采中应用卸压爆破技术十分必要。考虑到该金属矿山的深部岩体面积较大,地质特征比较复杂,因此分别设计了3 种不同的卸压爆破方案,采用横向对比的方式验证哪一种方案更加合适。取一块长度为20m 的矿体,在下盘掘进一条高为4m、宽为2m 的切割巷道。以切割巷道的一侧作为开采工作面,沿上盘方向逐步回采矿体。每4m 进行一次分层,共分成10 层。具体方案如下：

方案1：自下盘向上盘回采,对工作面卸压爆破。自下盘开始向上盘回采,卸压爆破4m。在掘进切割巷道时,在下盘卸压爆破后形成厚度为1m 的卸压区。

方案2：沿矿体走向回采,对工作面卸压爆破。在矿房底部掘进一条高度为4m、宽度为2m 的穿脉切割巷道,以矿体厚度为推进宽度,沿矿体走向逐步回采。每完成一个分层的回采后要进行充填,之后再继续下一分层的回采。沿矿体走向超前4m 实施卸压爆破,在掘进穿脉切割巷道时,在走向方向上卸压爆破后得到厚度为1m的卸压区。

方案3：分别从下盘和上盘方向回采,对工作面及两侧卸压爆破。将方案1 和2 相结合,卸压爆破后分别在工作面及两侧得到厚度为1m 的卸压区。

3 基于数值模拟分析方案卸压开采效果

3.1 三维数值计算模拟

为了验证上述3 种卸压爆破方案的应用效果,需要借助于数值模拟软件进行仿真,参考仿真结果选出最合适的卸压爆破方案,从而为金属矿山深部矿体的回采作业提供参考。本文使用FLAC 数值模拟软件对不同方案的回采过程进行模拟,该软件具有以下特点：a.自带若干结构单元,如锚单元、桩单元、梁单元等,可以根据实验需要选择单结构单元或多结构组合单元进行模拟,能够适用于复杂地质条件下深部矿体的应力、变形模拟。b.支持自定义参数,包括节点的初始位移、运行速度等,同时还能灵活改变应力边界、速度边界,提高了模拟结果的精确性。c.该软件能自动生成基于多种基本单元形态的三维网格,将数值模拟计算结果以更加直观的形式呈现出来,方便用户一目了然地掌握矿山的应力、变形情况。

根据模拟要求,取回采范围的3-5 倍作为模拟对象。在FLAC 软件的任务栏中选择“设置- 参数设置”选项,从弹出的模型参数设置对话框中设置以下参数x（垂直矿体走向方向）=250m,y（沿矿体走向方向）=225m,z（竖直方向）=150m。同时结合前期地质勘察结果,该深部矿体的控制标高为-60～-288m,故垂直方向上的模拟范围设置为-50～300m。确定设置后可以得到深部矿体模型图,共有单元数5.6×105个,节点数58.8 万个。

3.2 数值模拟结果分析

基于最大剪切应力理论,岩体是否发生岩爆主要与岩体周边的应力值有关。基于该理论,本研究中将开采面应力大小以及应力转移情况作为评价卸压方案实用性的重要指标。3 种卸压方案的数值模拟结果如下：

方案1：上、下盘面方向工作面应力及沿矿体走向方向工作面应力如表1 所示。

表1 卸压方案1 工作面应力数据表（单位：MPa）

方案2：上、下盘面方向工作面应力及沿矿体走向方向工作面应力如表2 所示。

表2 卸压方案2 工作面应力数据表（单位：MPa）

方案3：上、下盘面方向工作面应力及沿矿体走向方向工作面应力如表3 所示。

表3 卸压方案3 工作面应力数据表（单位：MPa）

结合表1、2、3 可以发现,卸压方案1 从矿体下盘往上盘方向的应力值降幅较大,从未卸压时的76.1MPa 下降到卸压后的30MPa,降幅达到60.6%,说明卸压效果明显。但是沿矿体走向方向上的应力变化并不明显,说明经过卸压爆破后工作面两侧的应力仍然比较集中；卸压方案2 沿矿体走向的工作面应力降幅较大,从未卸压时的74.3MPa 下降到卸压后的20MPa,降幅达到73.1%,说明降压效果明显,但是从矿体下盘往上盘方向的工作面应力降幅不明显,说明经过卸压爆破后工作面的应力仍然比较集中；卸压方案3 在各个分层、各个分步的工作面上,应力下降均较为明显,卸压效果良好。根据上述数值模拟结果可得,卸压方案3 结合了方案1 和方案2 的优势,在工作面及两侧完成卸压后得到了厚度为1m 的卸压区,使得各个工作面可以超前进行卸压爆破,让被开采矿体与深部岩体相互脱离,将工作面的应力转向了更深的岩层,从而使当前工作面的开采作业更加安全。

4 结论

随着地表矿藏逐渐开采殆尽,必须要进行深部矿体的开采。而由于深部矿体具有应力集中、易于变形的特点,开采作业前要使用卸压爆破技术使应力消散,或者向更深矿体转移。在实际作业时,应提前开展矿区深层地质调研,了解矿床走向、应力分布,在此基础上制定科学的卸压爆破方案。分析表明,使用从下盘和上盘方向回采,对工作面及两侧卸压爆破的方案,可以在工作面及两侧均取得理想的卸压效果,完全能够满足正常开采的需要。故本文所述金属矿山的深部矿体开采中,宜选择方案3 进行卸压爆破作业。