深部高应力破碎矿床下向进路充填采矿法盘区卸荷回采应用研究

在高水平应力条件下，深部破碎矿床因地应力巨大、矿床易碎，矿岩异常不稳定，采场暴露面积小、时间短，顶板冐落、垮塌以及巷道底鼓极易发生，使得破碎矿床开采难度极高。对于这类矿床，常常采用下向进路充填采矿法以掘进方式进行回采。该方法通过在开采前形成“人工假顶”——高强度胶结充填体，有效解决了进路回采过程中作业人员在稳定、可靠的直接顶板下安全作业的难题[1,2,3]。

然而，下向进路充填采矿法仍然存在回采进路应力集中、侧壁垮塌和底部隆起等问题，导致支护成本高，还需要反复加固支护，同时支护时间长，影响采矿效率。特别是，当矿床开采不断向深部发展，深部地应力也随之变大，地压危害日益严重，表现为巷道支护等级高，支护后的巷道因较大变形易返修，充填体强度要求高，以“抵抗”较大的地应力危害。因此，开采成本和难度日益增加，效率和安全性也有所下降[1]。

近些年，针对深部高水平构造应力条件下卸荷开采理论的应用研究越来越多。该理论主要原理为：开挖前，原岩体应力相对平衡、均匀。而开挖后，开采区域周边的应力会再分布，最后出现一种新的平衡状态，此时，开采区域周围往往出现明显的应力集中和较大的应力增加，而其他地段则不明显，或者应力降低。因此，通过研究地应力分布特征，优化采矿工艺、采场结构参数和采场回采顺序，减缓或降低采场开采过程的应力集中，有效调控地压，将应力集中区域尽可能地转移或分散到其他地段，从而降低不利影响。如控制下向进路侧帮垮塌和底部鼓起，降低支护等级和支护工程量。该开采理论是一种积极主动的降低高应力在矿床开采区域明显集中的措施，可通过控制深部地压的危害，实现矿床的安全、经济开采[4,5,6,7]。

某大型铜镍矿已进入千米深部开采阶段，矿区深部开采主要受到大于竖向应力的近似水平方向的构造应力(约为自重应力的2倍)的不利影响，主要表现为岩体开挖后蠕变显著，进路或巷道多存在底鼓、缩小、冒落和侧帮垮塌等安全危害[5]。

目前，井下采用下向进路充填采矿法开采，分段高为20 m, 分层高度为4 m, 进路宽度为4 m, 相邻分层的进路相互正交。分层内划分为多个盘区，由两翼向中间后退式开采，下盘开采先于上盘分层。该矿并未采用“卸荷开采”方式进行开采，而是采用杂乱无章的开采方式，亟需开展卸荷开采工艺技术研究，以缓解日益严重的地压危害。

1、盘区卸荷开采数值模拟分析

1.1 盘区卸荷开采方案

鉴于高水平构造应力对破碎矿床开采的影响较大，从降低或转移水平应力的角度出发，设计了盘区进路卸荷下向充填采矿法(见图1)。该方案沿矿体走向，每80～120 m划分盘区，斜坡道采准系统采用脉内外联合布置，分段高为20 m, 分层高度为5 m, 进路宽度为4 m。其中，更高的分层能较好地提高其对水平构造应力的“切断”和转移能力，进而降低对盘区内进路稳定性的不利影响。首先，在盘区分层四周施工卸荷工程(卸荷进路),通过“切断”的方式降低水平构造应力。然后，采用进路充填法分步骤有序回采该分层范围的矿体。最后，对盘区卸荷进路进行充填处理，结束该盘区分层矿体的回采。

另外，除了盘区内采用进路对水平构造应力进行“卸荷”,盘区之间采取间隔回采的卸荷方式进行开采，以达到更大范围的对水平构造应力的卸荷目的。

图1 盘区进路卸荷下向充填采矿法   

1.2 数值计算模型和方案

1.2.1 建立数值计算模型

为了模拟真实的开采环境，精准反映矿床开采的真实情况，本研究使用FLAC3D软件对一个盘区进行模拟研究，旨在研究开采对进路细部结构应力和位移的影响，模拟盘区范围为80 m×80 m。针对重点研究回采盘区部分，在FLAC3D软件中建立细部模型，高度范围为高程850 m至1100 m, X轴与开采方向平行，Y轴以取芯孔为中心，向两侧延伸400 m。

对于矿床实际模型，考虑到实际赋存状态复杂、不规则，使用GOCAD软件进行离散光滑插值，以高效、精确地构建其复杂边界，使模型尽量接近实际。生成的矿体模型进而转换成地层网格(SGRID)模型，模型高为1600 m、长为2000 m、宽为900 m。采用FISH语言编制网格模型转换程序，提取该网格模型中的单元和节点数据，并转化成FLAC3D的六面体节点坐标，建立矿床、围岩整体计算模型。

将重点加密网格模型“嵌套”进前面的矿床、围岩整体模型中，再将该盘区模型与顶部的充填体、周围的矿床网格“连接”起来。得到的数值计算大模型共有177 850个单元，189 516个节点。数值模型建立过程如图2所示。

图2 数值计算模型  

1.2.2 数值计算方案

在盘区回采之前，依据下向进路充填采矿法开采工艺对模拟盘区上部已回采和充填区域进行回采- 充填模拟计算。盘区内分层进路自上而下进行开挖，上下相邻分层进路长度方向相互垂直，直至开采至盘区最低分层。分层水平内进路回采前先施工盘区卸荷工程，采取间隔回采，对比分析两种进路回采顺序：两步骤——隔一采一(方案一)和三步骤——隔二采一(方案二),以了解卸荷效果[6]。进路回采按照5 m×4 m规格，回采完毕后，对其进行高强度尾砂胶结充填，然后进行下一步骤进路回采。

1.2.3 岩体力学参数和本构模型及屈服准则

模拟所用岩体力学参数见表1,本构模型和屈服准则采用Mohr-Coulomb[7]准则。

表1 模型材料力学参数

1.3 数值计算结果分析

1.3.1 进路回采顺序对卸荷效果的影响

为了更细致地了解开采盘区内部应力应变的分布情况，通过图3和图4的最低分层开挖完成后顶板层面的第一主应力和竖向位移分布曲线，可以发现盘区内二步骤进路开采时，盘区不同位置充填体应力分布更加均匀，竖向位移也更小，同时该开采顺序应力集中情况和竖向位移有较大的缓解和降低[8]。因此，推荐盘区内采用二步骤进路回采顺序。

图3 盘区回采结束后顶部不同位置充填体第一主应力   

图4 盘区回采结束后顶部不同位置充填体竖向位移   

1.3.2 盘区卸荷开采效果分析

为了解盘区开采过程中应力的变化情况，在盘区顶板两端和中心分别选取3个测点进行主应力监测，其中测点a、测点c分别位于顶板两侧，测点b位于中部，且标高均为980 m。根据数值计算结果，统计分析各监测点主应力随开采过程变化趋势(见图5和图6),发现在盘区开采初始阶段出现微小的应力升高，之后出现急剧的应力下降和突变，最后趋于平缓，所有盘区顶部充填体的应力突变也只出现在矿体刚开始回采时。

图5 盘区回采过程中顶部充填体第一主应力   

图6 盘区回采过程中顶部充填体第三主应力  

结合开采前、开采初期和开采结束的模拟计算结果(见图7、图8、图9),第一层开采并充填后，应力释放效果显著。初始应力由52～61 MPa降为21～26 MPa, 其他地段的应力降至26～36 MPa。当底部一层开采并充填后，应力进一步降为11～21 MPa, 顶底柱位置的应力也有一定程度下降[9]。总的来说，卸荷效果良好。

图7 盘区回采前最小主应力分布云图   

图8 盘区开始回采后最小主应力分布云图   

图9 盘区回采结束后最小主应力分布云图   

2、盘区卸荷开采现场试验研究

2.1 盘区卸荷工程布置及回采顺序

现场工业试验地点选择在该矿深部Ⅱ盘区的982 m水平。根据卸荷开采工艺，将Ⅱ盘区中间3个采区(分别为①、②、③)作为卸荷开采的试验范围，总体原则先下盘后上盘，即先回采①采区，再回采②采区，最后回采③采区。以②采区(卸荷回采现场工业试验范围为C2、D2、E2、F2点所组成的区域)为例，采用从中间向两端依次间隔(隔一采一)回采充填方式，即先采34进路，接下来回采充填32、36进路，再回采充填33、35进路，然后回采充填31、37进路，最后回采充填30、38进路，见图10。①采区和③采区以此类推[10]。

2.2 盘区卸荷开采进路状态监测

在现场工业试验中，采用钻孔应力监测、回采进路收敛监测、声发射监测和爆破震动测试等多种手段，对实际开采过程中应力变化规律、矿岩稳定程度和安全状况进行分析研究[11]。

卸荷开采试验需要进行一系列的应力数据测试，采用埋设压力计测试地应力，测试采前、采后地应力的变化，通过数据整理和综合分析来判断卸荷效果。为了测试矿体的原始应力，即卸荷后的应力，在采准及监测点施工顺序上按测试目的分别施工[12]。

巷道未掘进之前在①采区进路内埋设压力盒。监测孔长度为15 m, 钻孔位于进路的几何中心位置。每个钻孔孔底安装一个垂直钻孔、水平放置的压力盒和一个铅垂方向放置的压力盒。压力盒安装完成后1～2周测试1次压力值，然后掘进E2C2和F2D2巷道(见图10)。该巷道掘进完成后再测试1次压力值，以后每采完1条进路后测试1次压力值，充填1条进路1～2周后测试1次压力值(见图11)[13]。

图10 现场试验盘区卸荷工程布置及回采顺序   

图11 各钻孔点卸荷期间的应力变化   

由图11可知，高水平构造应力条件下采用卸荷开采方式后，进路水平应力总体来说有较大的下降，平均降幅约23%;垂直应力卸荷效果整体而言不明显。水平应力的下降改善了进路巷道的安全性，进一步降低了支护成本。

2.3 两期进路控制掏槽爆破回采

采用两步骤进行盘区进路回采时，一步骤进路和二步骤进路回采均采用大孔掏槽回采方式，可以提高进路凿岩爆破效率，提高采矿效率，同时控制进路超挖和欠挖[14]。

(1) 一步骤进路大孔掏槽控制爆破回采。

该方案采用一个小孔径(Φ42 mm)装药孔、周围4个大孔径(Φ60 mm)空孔进行掏槽，炮孔布置见图12。

图12 一步骤进路多空孔掏槽炮孔布置   

(2) 二步骤进路大孔掏槽控制爆破回采。

二步骤进路存在充填体界面，通过多次试验选择边眼与充填体的合理距离，以减少充填体破坏，达到控制爆破的目的，试验结果边眼距为0.5～0.6 m(见表2)[15],炮孔布置见图13。

图13 二步骤进路多空孔掏槽炮孔布置   

表2 二步骤进路控制爆破边眼距对比分析

3、结论

盘区分层卸荷大断面进路回采工艺技术，可使大部分回采进路处于应力降低区，避免深部高地应力(特别是高水平应力)情况下回采扰动造成的待采区域应力集中现象的发生，解决了回采安全条件差的问题，应力平均降低23%。

深部高水平地应力条件下的破碎矿床进路高效控制爆破工艺技术，显著提高了盘区生产能力，实现了深部高应力条件下的安全高效回采。盘区的生产能力达1200 t/d, 贫化率为5%,损失率为4.5%,进路采矿直接成本基本控制在(71±2)元/t, 取得了良好的技术经济指标。

总体来说，采用盘区卸荷回采技术，降低了盘区高水平应力，控制了进路支护成本随开采深度日益增加的趋势，解决了深部高水平构造应力影响下厚大破碎矿体安全、经济、高效回采的难题，对类似矿床开采具有借鉴意义。