龍翼, 李兵磊, 趙宇松

(1. 紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 龍巖 364200; 2. 福州大學紫金地質(zhì)與礦業(yè)學院，福建 福州 350108)

0 引言

大量研究和工程實踐結(jié)果表明, 地壓迅速變化的主要原因是回采順序選擇不當. 調(diào)整回采順序和控制爆破震動是在多年的生產(chǎn)實踐中摸索出的抑制地壓顯現(xiàn)、 降低圍巖破壞的較優(yōu)方法. 鉆爆法是礦山常用的破巖手段，爆破振動是影響采動地壓的主要因素之一. 爆破震動峰值強度主要與炸藥量、 爆心距及介質(zhì)條件有關(guān)，而在這些條件中, 人為控制最有效的因素是炸藥量. 大量實踐證明，爆破(特別是分段微差爆破)震動峰值強度的大小，主要取決于最大分段藥量[1-3]. 裝藥量越大爆破振動質(zhì)點振動速度峰值越大，大小藥量的幅值之間符合相似定律[4]. 因此通過控制爆破規(guī)模，可以達到控制爆破振動的目的.

合理的礦體回采順序不僅可以改善巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)，還能控制由于多次采動影響造成的應(yīng)力增高帶相互重疊的程度. 馬生徽等[5]對高峰礦不同回采中段進行數(shù)值模擬計算，提出應(yīng)加強承壓帶上的采場、 巷道的監(jiān)測，同時先回采承壓區(qū)內(nèi)的礦體，后回采卸壓區(qū)內(nèi)的礦體，采用前進式回采順序，以控制地壓有序地釋放. 李元輝等[6]研究在上行式和下行式開采順序下，采場圍巖應(yīng)力場和位移場的分布狀況及動態(tài)變化過程. 吉學文等[7]運用三維有限元模擬計算方法對某地下礦山6號礦體上向進路分層開采的采場和圍巖穩(wěn)定性進行了詳細的計算分析，為該礦體選擇合理的開采順序和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、 有效控制采場地壓、 保證安全回采提供了依據(jù). 宋世生等[8]通過對金鳳公司1號礦體地質(zhì)調(diào)查和巖體穩(wěn)定性綜合評價，探討“V”形推進與側(cè)翼推進兩種回采方式的優(yōu)劣性，提出可以利用調(diào)整礦塊回采順序和優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)來確保采場安全. 此外，國內(nèi)外學者針對開采順序優(yōu)化方面取得諸多研究成果[9-15]，為礦山安全生產(chǎn)和運營管理提供了重要的參考.

然而，現(xiàn)階段阿舍勒銅礦礦體賦存環(huán)境復(fù)雜，受到區(qū)域性構(gòu)造和斷裂構(gòu)造等綜合作用，在多中段采場同步開采條件下地壓演化規(guī)律與開采活動關(guān)系不明確，不合理的開采活動引起局部地壓高度集中，采場局部區(qū)域地壓災(zāi)害顯著. 因此本研究通過阿舍勒銅礦深部開采地壓災(zāi)害風險評估，揭示巷道圍巖破壞風險分布與深部地壓演化規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出與阿舍勒銅礦深部地壓演化規(guī)律相適應(yīng)的支護技術(shù)，研發(fā)深部中段采場回采順序優(yōu)化技術(shù)，形成阿舍勒銅礦深部開采地壓災(zāi)害防控技術(shù).

1 工程背景

阿舍勒銅礦是我國現(xiàn)階段第二大銅礦，具體覆存狀態(tài)如圖1所示. 其中I號礦體為主要工業(yè)產(chǎn)品的開采場所(銅金屬儲量占比約為97.43%)，對應(yīng)長度(沿走向)為853 m，最大埋深超過900 m，平均厚度大于30 m，整體傾角約為55°～85°； 故礦體形態(tài)整體表現(xiàn)為深埋、 大量、 特厚且走向長度短等特點. 阿舍勒地應(yīng)力測試分別在450 m中段、 350 m中段、 300 m中段、 200 m中段和100 m中段各布置1個測點. 使用各個測點所得3向應(yīng)力數(shù)據(jù)計算對應(yīng)位置的地應(yīng)力(主應(yīng)力)，計算結(jié)果如圖2所示. 結(jié)合詳細計算結(jié)果可知： 1) 各個測點的最大主應(yīng)力傾角極小，幾乎呈現(xiàn)水平方向，即表明該區(qū)域內(nèi)最大主應(yīng)力受構(gòu)造作用影響，呈現(xiàn)明顯的水平主導(dǎo)性； 2) 最大主應(yīng)力方向呈現(xiàn)近似東-西向和北-西向，且均為壓應(yīng)力. 上述測量結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告及與新疆阿勒泰地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的分布規(guī)律吻合.

圖1 阿舍勒礦體賦存形態(tài)

圖2 阿舍勒銅礦地應(yīng)力隨深度變化規(guī)律

阿舍勒銅礦采用大直徑深孔空場嗣后充填法，對應(yīng)主要結(jié)構(gòu)如圖3所示. 由于礦床整體傾角較大且走向長度較小，故采場沿礦體走向布置，對應(yīng)高度和寬度分別為50和12 m. 現(xiàn)階段阿舍勒銅礦深部礦床選取“隔三采一”策略進行一步驟回采，且采場中間不預(yù)留安全間柱； 一步驟回采結(jié)束后即對空區(qū)進行膠結(jié)充填作業(yè)，后進行二步驟回采. 值得注意的是，二步驟回采巷道需對一步驟膠結(jié)充填體進行開挖支護，危險系數(shù)較高(充填體強度相對較低).

圖3 大直徑深孔空場嗣后充填法采場結(jié)構(gòu)

2 深部開采區(qū)域地壓災(zāi)害風險評估

2.1 巷道圍巖破壞風險評價指標及權(quán)重分析

利用正態(tài)云模型對巷道圍巖破壞風險進行綜合評估，并利用熵權(quán)法根據(jù)各個評價指標差異性程度進行賦權(quán). 熵權(quán)法作為一種可用于多評價指標的賦權(quán)方法，根據(jù)原始指標樣本數(shù)據(jù)進行計算賦權(quán)，避免受決策人主觀隨意性的影響，計算結(jié)果更具客觀性，且易于解決多指標目標評估中的賦權(quán)問題. 阿舍勒銅礦的安全狀態(tài)評估指標詳見表1，其中期望用Ex表示、 熵用En表示、 超熵用He表示. 所選指標涵蓋了礦區(qū)地質(zhì)條件、 工程設(shè)計、 監(jiān)測信息類別及完整性、 巷道位移變形和破壞特征等關(guān)鍵因素.

評價指標云模型數(shù)字特征值采用逆向云發(fā)生器獲得(見表1)，并采用二維云發(fā)生器獲得各評價指標與不同破壞等級隸屬度關(guān)系的二維云聚類圖(見圖4)，圖中每個云朵(10 000個云滴)代表一個破壞等級. 可知3種破壞等級在各指標下沒有明顯的界限，特別是埋深和夾角兩個指標不同破壞等級的云滴相互交錯明顯，累積能量、 累積事件數(shù)、 位移和事件密度等指標不同破壞等級的云滴的交錯區(qū)域較小，這與表1中各指標權(quán)重值分配所反映的規(guī)律相一致.

表1 不同破壞等級的評價指標特征值

圖4 各評價指標與不同破壞等級隸屬度關(guān)系的二維云聚類圖

2.2 巷道破壞風險評估

在加權(quán)平均法的使用中，需要確定破壞等級的特征值，不同破壞等級隸屬度分布見圖5，不同破壞等級評語云模型數(shù)字特征值見表2. 鑒于期望Ex是量化不同破壞等級的最佳參數(shù)，故將破壞等級期望Ex值應(yīng)用到加權(quán)平均法，可以更加真實體現(xiàn)破壞等級間的差異性，避免常規(guī)加權(quán)平均法在破壞等級量化賦值時的主觀性所導(dǎo)致的結(jié)果不準確性. 本研究采用歸一化的方式對破壞等級進行客觀賦值，即以無破壞等級的數(shù)學期望為基準，確定輕微破壞和中等破壞等級的特征值. 表2中無破壞等級的云模型期望為15.46，相應(yīng)量化數(shù)值為1.00； 輕微破壞的云模型期望為22.17，相應(yīng)量化數(shù)值為1.43； 中等破壞的云模型期望為38.03，相應(yīng)量化數(shù)值為2.46.

圖5 不同破壞等級隸屬度分布圖

表2 不同破壞等級評語云模型數(shù)字特征值

表3 阿舍勒銅礦巷道破壞數(shù)據(jù)樣本的評估結(jié)果(部分)

圖6 主觀賦值和客觀賦值的綜合評價結(jié)果對比

經(jīng)與100個數(shù)據(jù)樣本的實際破壞等級對比發(fā)現(xiàn)，基于最大隸屬原則所確定的破壞等級準確率為81.1%(見表4)，其中輕微破壞樣本的破壞等級計算結(jié)果準確率最低. 值得注意的是，正確破壞等級和錯誤破壞等級的綜合隸屬度非常接近，且錯誤樣本對應(yīng)模糊熵值均大于0.89. 故針對模糊熵大于0.89的錯誤樣本，本研究采用綜合評價值P重新計算破壞等級，樣本數(shù)據(jù)的破壞等級計算結(jié)果準確率達到86.0%. 因此，采用“最大隸屬原則+綜合評價值”相結(jié)合的方式可以提高巷道破壞等級判斷的準確率.

表4 巷道圍巖破壞等級評估云模型性能評價

注： 其中黑色加粗字體為正確的評估結(jié)果樣本數(shù).

2.3 巷道圍巖破壞風險分布與應(yīng)力集中區(qū)分布關(guān)系

圖7 深部巷道圍巖破壞風險等級預(yù)測模型

3 深部開采地壓災(zāi)害綜合防控技術(shù)

3.1 深部采場開采順序優(yōu)化

50～100 m中段共設(shè)計有采場20個(見圖8)，除了現(xiàn)行的回采方案外，另外補充了3種回采方案，即中心式隔一采一(方案1)，兩翼式隔一采一(方案2)，中心式隔三采一(方案3)及兩翼式隔三采一(方案4).

圖8 50 m水平采場劃分方式

圖9展示了4種方案開采后的應(yīng)力分布狀態(tài)模擬結(jié)果. 方案1中3個采場的連續(xù)開挖使其頂部形成了典型的應(yīng)力組合拱，即在已開采礦房的南北側(cè)形成了明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)域. 方案2中開采至第4個采場時，每個采場頂板都形成了明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，且導(dǎo)致相鄰期礦房的邊界位置也出現(xiàn)了大面積的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時相鄰片區(qū)的開采容易引起冒頂片幫甚至巖爆災(zāi)害. 方案3中采場間距較遠，每個采場頂部均形成了小范圍的壓應(yīng)力集中，但并未形成組合拱分布. 按照方案4開采完4個采場時，與方案3類似，每個采場的頂板都出現(xiàn)了小范圍壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，且南側(cè)已開挖采場的邊界位置也出現(xiàn)了小幅度的應(yīng)力集中.

圖9 最大主應(yīng)力分布特征

綜合對比上述4種方案(頂板最大主應(yīng)力見表5)，可知方案1實施后相鄰采場的礦柱(二期礦房)應(yīng)力較低，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，處于卸壓狀態(tài)，而對照組方案2將導(dǎo)致未開采區(qū)域形成壓應(yīng)力集中. 對于隔三采一的設(shè)計不論采場延伸方向如何，其均會導(dǎo)致相鄰采場間的礦柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象. 因此，方案1是阿舍勒銅礦深部開采的最佳方案.

表5 開采最大主應(yīng)力

3.2 深部采場失穩(wěn)控制

阿舍勒銅礦150 m中段7#采場位于上部中段開采的應(yīng)力集中區(qū). 該采場開采同時，處于應(yīng)力集中區(qū)外的150 m中段3#采場也處于開采周期. 兩個采場的開采爆破不可避免地對另外一個采場圍巖穩(wěn)定性造成了影響. 最終，處于應(yīng)力集中區(qū)的15 0m中段的7#采場發(fā)生了垮塌，處于應(yīng)力集中區(qū)外的150 m中段3#采場未發(fā)生明顯垮塌現(xiàn)象. 150 m中段7#采場位置見圖10.

圖10 150 m中段7#采場垮塌

通過開采順序調(diào)整與爆破振動控制，在-50 m中段、 50 m中段、 200 m中段處于應(yīng)力集中區(qū)的采場開采時，處于應(yīng)力集中區(qū)的3個采場均未發(fā)生垮塌現(xiàn)象. 即技術(shù)應(yīng)用前，3個中段首先開采的3個采場有2個采場發(fā)生垮塌； 技術(shù)應(yīng)用后，4個中段首先開采的4個采場均未發(fā)生垮塌，采場失穩(wěn)問題得到明顯改善.

3.3 深部采場巷道變形控制

阿舍勒銅礦深部采區(qū)50 m中段上盤沿脈巷道在采場回采過程中易產(chǎn)生片幫、 鼓包和支護體脫落等破壞. 因此，選擇0～50 m中段1#采場對應(yīng)的上盤沿脈巷道區(qū)段作為支護試驗地點. 其中，A1區(qū)域段為采用優(yōu)化支護方法應(yīng)用區(qū)域，A2處為采用常規(guī)支護方法巷道區(qū)域(見圖11).

圖11 支護實驗應(yīng)用區(qū)段示意圖

常規(guī)支護參數(shù)為： 2.0 m的管縫式錨桿(支護斷面采用10根)、 10 cm×10 cm的金屬網(wǎng)，4.5～6.0 m的花拱架(排距0.8 m)，錨桿間排距0.8 m×0.8 m，巷道兩幫及頂板噴砼厚度10 cm. 該支護方案的問題主要出現(xiàn)在錨桿支護深度不足、 支護參數(shù)單一和圍巖性質(zhì)復(fù)雜等方面.

巷道支護失效原因主要為錨固力不足及支護深度不足，因此在阿舍勒銅礦選用錨固力更強的高強度錨桿及改變錨桿支護深度. 為增強錨桿錨固力，在深部巷道支護過程中選用主動膨脹式管縫錨桿. 管縫式錨桿桿體安裝后，將膨脹藥卷放入20 ℃左右的水中浸泡10 min，然后將膨脹藥卷一節(jié)一節(jié)送入錨桿桿體中，并在后續(xù)時段發(fā)生強烈的化學反應(yīng)并產(chǎn)生徑向膨脹壓，作用于孔壁的徑向膨脹壓使得破碎巖體之間摩擦阻力增加，巖塊與巖塊之間的裂隙減小，在巷道巖體周圍形成牢固的支撐應(yīng)力帶. 優(yōu)化的支護參數(shù)包含2.3 m錨桿長及添加主動膨脹藥卷(支護效果見圖12).

圖12 優(yōu)化支護前后區(qū)域巷道破壞情況

由圖12可知，在支護第1天圍巖整體穩(wěn)定性較好； 在支護14 d后，期間1#采場進行了兩次大孔爆破，而A1處巷道區(qū)域依然保持完整，而采用常規(guī)支護方法處A2區(qū)域巷道圍巖開始出現(xiàn)裂縫，表層巖體開始脫落，巷道邊幫出現(xiàn)內(nèi)鼓. 支護35 d后，A1區(qū)域除個別位置出現(xiàn)少量巖體脫落以外，巷道整體穩(wěn)定性較好； 而A2處巷道區(qū)域圍巖裂縫逐漸增大，巖體脫落明顯，巷道兩幫向內(nèi)收縮，表層巖體破壞嚴重，穩(wěn)定性較差.

在支護期間，對主動膨脹藥卷的管縫式錨桿受力進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)高錨固力錨桿在承受軸向受拉能力得到很大提升(見圖13). 與普通管縫式、 管楔式錨桿相比，由于自膨脹藥卷的緣故，新型錨固結(jié)構(gòu)軸向摩擦力會大幅度增強，可進一步增強錨桿的錨固力，減緩圍巖巖體的變形和破壞.

圖13 不同填塞藥卷下的錨固力

4 結(jié)語

1) 地質(zhì)賦存條件、 開采影響和微震數(shù)據(jù)3方面的評價指標在巷道破壞風險評估中的貢獻度不同. 采用“最大隸屬原則+綜合評價值”相結(jié)合的方法可以提高破壞等級評估準確率至86.0%. 深部采區(qū)巷道破壞風險分布特征與應(yīng)力集中區(qū)分布特征基本一致.

2) 根據(jù)阿舍勒銅礦深部采場的4種中段開采方案模擬結(jié)果，可知阿舍勒多中段采場開采最佳順序為隔一采一、 中間向兩側(cè)的開采順序； 該工況下相鄰采場的礦柱壓應(yīng)力較低，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖體整體穩(wěn)定性較高.

3) 現(xiàn)有支護方案主要問題在于錨桿深度和錨固力. 通過增加支護深度和提高錨桿錨固力，新支護體系可有效抵御采場回采過程中頻繁爆破擾動帶來的破壞深度進一步增加而產(chǎn)生的巷道鼓出和滑移現(xiàn)象.