VCR采场凿岩硐室施工方案的数值模拟

谢 胜，刘 博

(1.凡口铅锌矿， 广东 韶关市 512325；2.中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

0 引 言

1982年VCR采矿法在凡口铅锌矿试验成功，经过30多年的发展，形成了VCR法掏槽、VCR法全断面爆破和VCR法全孔侧向爆破三种方式[1]，在凡口铅锌矿取得了很大成功。该方法在凡口铅锌矿的应用对于矿山维持18万t的年产金属量至关重要，因此必须安全高效地构建VCR采场。构建采场中，首先施工上部凿岩硐室和底部装运硐室，然后从凿岩硐室钻凿Φ110 mm的下向垂直平行深孔[2]。爆破时采用高密度、高威力、高爆速、低感度球状药包，自下而上逐层爆破，直至爆穿上部凿岩硐室[3]。

在凿岩硐室的施工中，凡口铅锌矿目前采用的工艺为：施工拉底巷→切采两帮→压顶→支护。在施工完拉底巷后，工人暴露在拉底巷顶板下进行切采工作；切采完两帮后，处理顶板松石，再进行压顶工作，工人再次暴露在顶板下工作；同时顶板已经平衡的应力关系又遭到破坏，极易引起冒落，危及工人的安全。因此提出新的施工方案，对这一问题进行研究、改进，十分必要。

1 施工方案介绍

1.1 现有施工方案

凡口铅锌矿VCR采场凿岩硐室的施工工艺包括施工拉底巷、切采边帮、压顶和顶板支护。现有方案的施工顺序为：施工拉底巷→切采边帮→压顶→支护顶板，如图1所示。

该方案的优点是适应性好，便于工人操作；该方案的缺点是：拉底巷顶板遭受二次爆破，冒落可能性较大；在切采边帮和顶板支护的过程中，工人直接暴露在顶板下作业；施工过程中需要多次出渣，降低了工效；空区过高(约3.6 m，大于2.8 m人工可控作业高度)，不便于锚网支护作业。

图1 现有方案施工顺序

1.2 改进施工方案

为了克服现有方案的缺点，拟改进的施工顺序为：施工拉底巷→切采边帮→顶板支护→降坡施工至底板标高。该方案考虑在凿岩硐室设计底板标高0.8～1.0 m以上施工拉底巷，在切采完边帮后，立刻处理松石，对顶板进行锚网支护；之后向下钻孔实施松动爆破，降坡施工至硐室底板设计标高，掘进和爆破工效均较高。而且工人在锚网的保护下施工，安全性大大提高，同时也减少了对顶板的破坏程度，如图2所示。

图2 改进方案施工顺序

2 方案模型的建立

根据上述方案的施工顺序情况，采用FLAC3D数值模拟软件[4]，对现有和改进的施工方案进行模拟。凿岩硐室参数为宽×高=8.0 m×3.6 m，拉底巷参数为宽×高=3.0 m×2.6 m。在凿岩硐室两侧建立X、Y轴方向约束，在竖直方向上建立Z轴坐标，利用摩尔—库仑[5]准则，建立平衡关系。为了使模拟结果具有可信性，Z轴方向上施加应力按凡口铅锌矿最深的-650 m生产中段处应力计算，以保证其他中段的施工可靠性。根据凡口铅锌矿围岩物理力学参数，泊松比μ为0.29，由此计算X、Y轴的方向应力。通过设置模型的开挖顺序和计算步骤，监测凿岩硐室开挖后，模型顶板的稳定性和边帮的应力及位移变化。

3 数值模拟结果及分析

3.1 顶板位移云图对比

在凿岩硐室顶板中心设置监测点，监测应力和位移变化，两种方案模拟结果中顶板位移云图如图3所示，方框内为顶板位移区。

图3 顶板位移云图

由图3所示，两种方案中，顶板位移最大量分别为1.06和1.04，可见两种方案对顶板的破坏程度相差不大，但是现有方案的最大位移区占顶板面积的50%，改进方案的最大位移区占顶板面积的25%(方框内深色为最大位移区)。可见改进方案降低了顶板大面积冒落的可能性。

3.2 顶板监测点位移变化曲线

两种方案顶板中心监测点位移曲线如图4所示,图中由下至上箭头所指相应为施工顺序1至3时的顶板位移。

图4 顶板点位移曲线

由图4所示，现有方案中施工拉底巷时，顶板中心点位移为0.5，切采边帮时，顶板中心点位移为0.8，薄压顶板时，顶板中心点位移为1.06；改进方案中施工拉底巷时，顶板中心点位移为0.5，切采边帮时，顶板中心点位移为0.9，降坡施工时，顶板中心点位移为1.04。可见现有方案中，顶板中心点的位移变化经受了2次大变动，发生二次冒落的可能性较大；改进方案中，在切采边帮时，顶板发生冒落的可能性较大，但由于可以很快处理松石，并进行锚网支护，降低了空区暴露时间，在降坡施工时，顶板位移变化不大，提高了工人施工的安全性。

3.3 边帮应力云图对比

两种方案中边帮应力云图如图5所示，方框内为边帮应力区。

由图5所示，现有方案中，边帮最大应力区占边帮的40%，改进方案中，边帮最大应力区占边帮的20%(方框内深色为最大应力区)，因此现有方案发生片帮的可能较大，对于可能发生片帮的区域必须采取必要措施，以保护施工人员和机械设备的安全。

4 结 论

(1) 改进方案降低了顶板发生大面积冒落的可能性，在切采后，立即处理松石，锚网支护，降低了工人暴露在顶板下发生危险的可能。

图5 边帮应力云图

(2) 改进方案降低了凿岩硐室边帮发生片帮的可能性，同时边帮的中心区较易发生片帮，必须采取二次切采等措施，保证安全。

(3) 通过优化施工顺序，对现有施工工艺加以改进，保证凿岩硐室的安全高效施工，安全构建VCR采场，保证该采矿方法在凡口铅锌矿的高效应用。

参考文献：

[1]孙鹏伟. 光面爆破在凡口铅锌矿间柱深孔爆破中的应用[J]. 采矿技术, 2012, 12(4): 84-86.

[2]解世俊. 金属矿床地下开采[M]. 北京:冶金工业出版社, 2008.

[3]史秀志, 邱贤阳, 张木毅, 等. 凡口铅锌矿无底柱深孔后退式崩矿嗣后充填采矿法[J]. 采矿技术, 2011, 11(4): 11-12.

[4]陈育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M]. 北京:中国水利水电出版社,2008.

[5]黄刚海. 间柱采场深孔爆破落矿采矿工艺关键技术数值模拟研究[D]. 长沙：中南大学, 2010.