基于诱导冒落开采的强制崩落区范围确定方法

2023-11-17马姣阳陈生鑫魏殿恩张庆嵩

金属矿山 2023年10期

马姣阳陈生鑫魏殿恩张庆嵩

(1.华北理工大学矿业工程学院,河北唐山 063210;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北唐山 063210;3.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;4.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;5.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳 110819)

诱导冒落采矿法作为一种技术要求高、大规模开采方法,其生产能力甚至可以与露天采矿法媲美,是目前乃至未来几十年中开采低品位、深埋中厚以上矿体的最理想方法之一。该法实质是通过人为的开掘措施工程[1],促使诱导冒落区(简称诱导区或冒落区)矿体形成冒落条件,即矿体底部达到一定的暴露面积,在重力和内部应力共同作用下,冒落区矿体内原生节理扩展、贯通,最终以矿块的形式发生冒落,达到矿体回收和形成覆盖层的目的。

该采矿技术历经西石门铁矿南区[2]、桃冲矿业公司盲矿体[3-4]、书记沟铁矿[5]、北洺河铁矿[6]等多个矿山的应用和完善已日臻成熟。2002～2005年,北洺河铁矿利用第一分段进路回采提供的空间,诱导上部顶板矿石、围岩先后自然冒落,形成诱导冒落与强制崩落相结合的无底柱高效采矿方法,开创了投产1 a零7个月即达到设计生产能力的国内最好纪录。此后和睦山铁矿[7]、小汪沟铁矿[8]在生产中进一步完善并扩展了该采矿方法的应用范围,均实现了安全高效的开采目标,取得了良好的经济效益。伴随其应用取得成绩,该法的相关理论研究也有了进一步的进展,李海英等[9-10]利用诱导冒落技术控制挂帮矿地采岩移,根据采空区冒落过程,建立了采空区冒落诱发地表塌陷范围的计算方法。任凤玉等[11-12]针对复杂条件下不规则空区围岩冒落时空演化特征,提出了一种空区围岩冒落范围预测方法;通过非连续变形分析方法研究了不同边坡岩体结构下,诱导冒落法回采挂帮矿时引发的边坡失稳过程。胡颖鹏等[13]结合极限平衡分析方法,揭示出崩落法开采扰动下高陡边坡渐进破坏的规律,利用诱导冒落控制技术实现了塌陷坑有序承接边坡滑移体。伴随对冒落控制的研究逐步深入,该法聚焦于急倾斜破碎中厚矿体开采方面的试验研究,马姣阳等[14]在分析此类矿体可冒性基础上,提出了进路诱导冒落法开采方案,在处理近矿体中小空区基础上,取得了较好的工业指标。但在现场试验过程中,崩落区范围若选定不合理,极易引起周边岩体在回采中先于矿体冒落,增加混岩率。

为此,以某铁矿急倾斜中厚矿体诱导冒落法开采条件为工程背景,在确定崩落区主要参数及开采方式基础上,采用数值模拟的方法,构建急倾斜破碎矿体的动态开采模型,通过改变崩落区剖面形式,研究不同埋深条件下崩落区开采过程中诱导冒落矿体的致冒机理,依此形成强制崩落区确定方法。

1 动态连续开挖模型的构建

1.1 工程背景

该矿矿区内共有8条铁矿体,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体规模较大,Ⅰ号矿体是北区的主矿体,是本次研究矿体。该矿体厚度8～10 m,呈层状分布,倾角多为70～85°,整体稳定性较差,矿石密度约为3.56 t/m3,普氏硬度系数为8～14,松散系数1.75。回采过程中,由于矿体破碎,切割难以形成,在已施工工程中,切割工程不到位,从而影响后排炮孔爆破效果,形成了多个形状各异的小空区。这些小空区极易受岩层扰动、地应力影响,不断地发展变大并冒落垮塌积压更多的矿石,严重影响了矿山的正常回采工作,对矿山地下工作人员安全造成了一定的风险隐患。因此,采矿方法也由阶段矿房法改为诱导冒落法。但介于如何更有利地诱导冒落区矿体冒落回收,提高回采率,依旧需要进一步地确定崩落范围。

1.2 崩落区采幅、崩落高度确定

通过现场调研及临界冒落跨度理论计算,该矿体的可冒性良好,且临界冒落跨度小于6.5 m,满足诱导冒落条件。此外,考虑矿体冒落后的采场矿石流动问题,结合回采过程中冒落矿石块度、湿度,通过结拱实验分析,不结拱的跨度约9 m。因此,崩落区采幅取两者的最大值,不应小于9 m[15],故结合矿体厚度,模拟的采幅选择为10 m。空区高跨比即为采空区截面高度与宽度之比,诱导冒落采矿过程中,拉底崩落空间需要为上方冒落矿体提供足够缓冲层及冒落空间,综合考量国内代表性的崩落法矿山选取数值模型的拉底高垮比为2.5∶1[15],崩落高度定为25 m。

1.3 崩落区剖面主要形式

为了探究诱导冒落矿石的最佳冒落效果,能够使矿体在最短时间内发生持续、稳定的冒落,从而可实现破碎矿体的安全高效回采。因此,在不改崩落高度的条件下,通过爆破技术对崩落剖面形状进行控制,即崩落下盘侧部分围岩,通过边孔角控制爆破范围,尽可能使诱导冒落区矿石较多处在预测冒落线内,同时减少崩落岩石基础上,增加隅角的尖锐程度,降低诱导冒落区矿体的支撑条件,改变其受到的应力状态致其冒落。此外,结合急倾斜空区冒落及顶板岩体应力分布规律,少崩落部分矿体,即通过改变上盘侧炮孔长度,使崩落区域上盘侧矿体,通过自身拉应力破坏达到自行冒落。由此本研究共设计3种崩落剖面见图1。

图1 75°矿体倾角的崩落剖面Fig.1 Collapse profile of orebody with 75° dip angle

1.4 崩落区开采方式

崩落区可采用从矿块中部切割拉槽或由矿体端部切割拉槽方式进行开采。为了更好地实施诱导冒落,应将切割工程尽可能布置在最易破坏矿体下方,并以其为中心向四周不断扩大崩落面积,利用爆破震动互相扰动因素,增加上层诱导冒落矿体内部裂隙程度,降低其抗拉强度,实现最佳的矿石冒落效果[16-17]。鉴于该矿段整体相对规则,矿体破碎易崩,因此,选择采用从矿块中部切割拉槽的方式,从矿块中部开切做切割巷道,然后向两端同时开采方式,炮孔排距2～2.5 m,见图2。

图2 由矿块中部向两端开采方式Fig.2 Mining method from the middle to both ends of the block

1.5 模型的构建及不同采深的应力取值

根据现有阶段的地质资料及动态模拟目标,建立矿体三维动态开挖模型。矿体呈层状分布,模拟倾角为75°。模型南北方向长120 m,东西两端间距厚度为60 m,整个模型高度为85 m,矿块高度为50 m,崩落区高度为25 m,宽度为10 m,模型由矿体中部向两端爆破开采,开采4排炮孔作为1步模拟开挖,即10 m,分5步开采完成。为了开挖层运算结果较高的准确性,加强主要分析区域(空区围岩及顶板)的网格密度,其余部分网格适中,模型网格共计205 250个节点,338 483个单元,如图3(a)所示。结合已测地质资料及力学实验对模型进行赋值,模型参数见表1。

表1 动态开挖模型材料参数Table 1 Dynamic excavation model material parameters

图3 动态开挖模型网络及主要监测点位Fig.3 Dynamic excavation model network and main monitoring points

诱导冒落区矿体整体遵循拱形冒落机理,为了更好探寻3种崩落剖面下开采过程中顶板岩体冒落机理,沿Ⅰ—Ⅰ′截面以拱形状在矿岩体内布置10个监测点,沿Ⅱ—Ⅱ′截面上以拱形状设置监测点10个,2个截面的主要监测点位见图3(b)、(c),由此监测3种方案下顶板岩体应力分布及破坏情况。

为探究不同采深对崩落区开采过程中的影响,改变地应力,分析其对崩落区的影响性,深地平均水平应力与深地垂直应力均呈增加趋势。E.T.Brown和E.Hoke[18]两位学者归纳总结了世界各地区地应力的测量结果,即深地垂直应力σv随深度H变化的规律:

依据大量理论分析及工程实际可知,随着采深的增加平均水平地应力与垂直地应力的比值k呈逐渐减小趋势,见式(2)[19]。k值一般为0.5～5.0,大多数为0.8～1.5。不同岩性的硬岩、软岩等两者比值判别式不尽相同,但都满足该规律。国内常以k=1作为地下深部与浅部的分界线。

赵德安等[20]基于大量国内实测数据,分别拟合了岩浆岩、变质岩、沉积岩等多种常见岩层的深地水平平均应力。E.T.Brown等研究的深地垂直应力变化曲线和赵德安等研究的变质岩深地拟合曲线能够很好地解释初始应力的变化情况。为此,结合式(2)与式(3),作为增加模型初始边界应力条件的计算曲线,参考国内地质情况相似岩层的矿山资料[21]对数值模型进行不同深度的赋值,边界赋值情况见表2。

表2 初始边界应力条件模拟赋值Table 2 Initial boundary stress condition simulation assignment

2 基于连续开挖模型崩冒范围确定

2.1 应力分布情况随开挖过程的变化

不同类型崩落剖面模型在开挖过程中垂直应力的变化结果差别较小,且水平应力及最大剪切力随动态开挖规律性变化不明显。故选取常规崩落模型的Ⅱ—Ⅱ′截面监测的垂直应力结果进行分析,如图4所示。

图4 常规崩落模型动态开挖过程Ⅱ—Ⅱ′截面垂直方向应力Fig.4 Conventional collapse model dynamic excavation process Ⅱ—Ⅱ′ section vertical direction stress

由图4中监测点数据可知,随着崩落区的开采,所形成的空区上盘围岩及顶板的垂直方向应力减小,而两侧崩落区矿体和上下盘承压岩体的垂直应力急剧增加,承担开采部位所应承担的垂向应力。该现象在监测点1-4(27.5,30,40)点较为明显。在第1～3步开挖时,监测点1-4(27.5,30,40)处作为承压矿区垂直应力逐渐增大。在第4步开挖后,该点对应的下方崩落区矿体被开采,不再作为承压矿体,垂向应力急剧下降。

由常规崩落模型Ⅱ—Ⅱ′截面垂直方向应力云图及监测信息可知:在整个动态开挖的过程中,垂向应力重新分布,主要会形成应力降低区、应力增高区和原岩应力区3个应力区域[22]。开挖的卸载作用致使崩落区矿体及围岩压应力增大。开采形成的空区上方应力减少,底板甚至会出现应力集中现象[23-24]。由图5可知,空区上方竖向应力变化在水平分布上均出现3个区域:空区中心上端为相对受拉区,空区中心两端及下端为相对受压区。随着开采的进行,空区形状由“窄高”向”宽矮”过渡,应力集中系数逐渐增加,但趋势增加幅度逐渐减小。诱导冒落区矿体应力释放系数逐渐增大,崩落区未崩落矿体的承压能力随着空区扩大而逐渐达到极限[25]。空区临界失稳的破坏因素逐渐发生改变,由原来的崩落区侧壁切落向崩落区拉剪破坏转化[26]。

图5 常规崩落模型动态开挖过程Ⅱ—Ⅱ′截面垂直方向应力云图Fig.5 Stress clouds in the vertical direction of sectionⅡ—Ⅱ′ during dynamic excavation of conventional collapse model

在整个开挖过程中。承压岩体的垂直应力随着空区的开挖而逐渐增大。空区上盘在应力降低达到最小值时,甚至会反向出现拉应力。此刻未崩落区极易受拉致裂破坏。

2.2 应力分布及扰动破坏情况受崩落剖面形状的影响

选取常规崩落、增加崩落隅角和减少部分崩落3种不同的崩落剖面的模型实验方案的第五步动态开挖后,对Ⅰ—Ⅰ′截面的垂直应力、水平应力、剪切应力及扰动破坏云图进行比较分析。

对比表3中75°动态开挖模型第5步Ⅰ—Ⅰ′截面(a)、(b)、(c)3种崩落剖面形式结合破坏分布分析可发现,在上盘侧多开隅角会提高其空区上方矿体的扰动破坏程度,有助于上部矿体诱导冒落,而在垂直及水平拉应力较大区域少崩落矿体,则会减缓其部分矿体受扰动的破坏情况。上盘围岩的破坏程度降低,不利于诱导冒落空区上方矿体。

表3 动态开挖中Ⅰ—Ⅰ′截面垂直应力及最大剪切应力变化Table 3 Variation of vertical stress and maximum shear stress in Ⅰ—Ⅰ′ section in dynamic excavation

对比每次开挖后的新增破坏情况,可视作此次开挖步骤中矿岩的扰动破坏情况。由此可知不同形状崩落剖面的围岩和需诱导冒落矿体的扰动破坏情况有较大差别。增加崩落隅角导致其上部矿体失去支撑力,即在区域内增加了空区的水平跨度,提高了其冒落概率。减少崩落部分矿体更多的依靠水平及垂直拉应力的集中致使矿体破坏冒落。对于提高诱导矿层冒落能力来说,增加崩落隅角的剖面形式更优。

2.3 应力分布受采深的影响

200 m开采深度下Ⅱ—Ⅱ′截面剪切应力的变化如图6所示。随着采矿深度增加,监测点最大剪切力监测值如图7所示。

图6 200 m开采深度下Ⅱ—Ⅱ′截面剪切应力变化图Fig.6 Shear stress variation diagram of sectionⅡ—Ⅱ′ at a mining depth of 200 m

图7 监测点受剪切应力随着采深变化Fig.7 Variation of shear stress with mining depth at the monitoring points

200 m开采深度下Ⅱ—Ⅱ′截面剪切应力显著增加,随开挖的进行,剪切应力以“椭球形”向外部岩体扩张,剪切应力峰值集中于开挖区底部。由图7可见,监测点1-1在5步开挖过程中均在剪切滑移线范围内部,故没有出现剪应力峰值突增现象;监测点1-2、1-3分别在第1步、第3步开挖时位于剪切滑移线上,此时监测点的剪应力峰值会大于其他开挖阶段的峰值;监测点2-1、3-1、4-1在不同开挖阶段均靠近剪切滑移线,剪应力峰值会处于较高水平。剪切滑移线的范围是影响剪应力大小的主要原因。监测点最大剪切应力受与开挖区域间距的影响,处于滑移圈的剪应力明显大于其他范围,深度的增加相应地也增加了剪应力峰值的大小。监测点4-1在各个开挖阶段没有出现在剪切滑移线上的情况,最大剪切应力随采深的增加而增加,且增加幅度也随之增加。就垂直应力及水平应力而言,其常值受深度影响呈现规律性阶梯型增长,赵德安等[20]对实测地应力场分布规律统计分析也得出了相同的成果。

评判诱导冒落采矿法的效果有冒落过程、冒落形式、控制冒落边界、边界残留矿量等指标。考虑最佳的开采崩落截面,主要有以下几个方面,以本参考矿山工程为例,需要在前期形成持续稳定的矿体冒落,并且尽量使得冒落矿体落于空区中部,便于放矿回收,形成一个良好的放矿椭球体形状。崩落剖面图1(b)空区在前期便可实现稳定大量冒矿。而其后期由于隅角下方受剪切力较大更容易产生岩帮崩落。崩落剖面图1(c)由于垂直应力等线值逐渐向下方向扩展,且弧形中心也逐渐向下方方向迁移,导致开采前期上盘岩体及上方需冒落矿体受扰破坏较小,整体不如崩落剖面图1(b)出矿稳定。