深部高应力条件下无底柱分段崩落采矿法的应用

刘 东，郭进平(西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055)

深部高应力条件下无底柱分段崩落采矿法的应用

刘 东，郭进平
(西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安 710055)

随着浅部资源的逐渐枯竭，金属矿山不得不面临向深部勘探开采资源的工作。受深部岩体高应力存在的影响，浅部开采的采场结构布置在深部适用性很低。本文根据深部岩体应力的存在以及变化情况，结合深部采场围岩变形规律、地压显现问题，论述了在高应力条件下科学合理的应用无底柱分段崩落法采矿工艺，以实现有效控制地压，达到卸压开采，顺利回采矿块的目的。

无底柱分段崩落法；高应力；回采顺序；卸压

矿山进入深部高应力区开采是未来几十年内我国矿业发展的必然趋势。江苏南京的梅山铁矿、湖北鄂州程潮铁矿等都已开始计划或已经进入矿体的深部开采。矿山进入深部开采环境，即面临着高应力、高温度、高井深等一系列问题，适用于浅部矿体的开采技术已经不适合深部开采。高应力条件下的硬岩无底柱分段崩落法开采深部盲矿体时，因地压显现造成的岩爆、巷道失稳、顶板垮冒等一系列问题都是浅部的采矿工艺无法解决的。深部高应力区矿块的回采实质上是卸压开采的问题，采取科学合理的卸压开采方式是保证矿山人员、设备安全以及正常生产的关键。本文结合工程实例，针对金属矿山所面临的高应力区域矿块回采问题列举出了一些有针对性的卸压开采方案，使生产单位做到安全有序的采矿，避免因高应力问题给矿山开采带来危害。

1 深部岩体应力的存在及变化情况

1.1 深部原岩应力的存在情况

深部高应力的产生主要有三方面因素构成，一是垂直方向上的原岩因自重所引起的应力变化；二是因地下施工扰动所引起的应力集中；三是存在于岩体内部的原有构造应力[1]。受高应力影响深部岩体承受了一部分预应力，岩体内部聚集一定的势能，当受一定扰动等因素干扰，这些势能会转换成动能，给施工带来危害。

1.2 深部原岩应力的变化情况

在对深部矿体进行采矿设计时，必须对深部地应力的大小以及方向有所了解，一般随着深度的增加垂直方向应力会呈线性增大的趋势，水平方向应力变化趋势难以监测。Brady和Brown曾经给出了各国垂直和水平地应力随深度增加的变化规律，结论是随着埋深的增加，垂直应力的变化为每1km大约增加26MPa[2]。

1.3 采深与应力变化的关系

以安徽铜陵冬瓜山铜矿为例，该矿大部分矿体埋深地下600m到1000m。根据文献[3]记载，随着深度的下降，应力值呈线性增加趋势，大约在地下730m处，应力值约为30～40MPa，而且垂直方向上的应力大致和上覆岩层重力相等。

2 深部采场的围岩变形及地压显现

2.1 围岩变形

深部采场围岩的变形主要呈现两种形式即连续性和非连续性[4]。在高应力影响下，采场围岩主要发生弹性、塑性和蠕变性变形。并且受崩落顶板和剥离层因素影响，顶板覆盖层划分成三个区域：裂隙区、垮落区和变形下降区，前两个区域为不连续变形，后者为连续变形。

2.2 地压变化规律

深部采场环境下，应力的存在区域主要由升高区和下降区构成。采场的支承压力带主要是应力升高区；卸压区域即应力下降的区域。采场周围的应力扰动带主要是指破裂带、松弛带和压缩带[4]。同时，与原岩构造应力并存的还有爆破施工引起的瞬时压力以及顶板岩层崩落后岩石破碎挤压所产生的动态地压。

2.3 地压显现对深部采场的影响

深部开采最大的安全隐患就是地压显现问题，随着深度的不断下降采动地压会逐渐显现出来，巷道的变形、垮冒等危害不但会直接导致出矿量下降，也会影响到采准和备采矿量，造成上下采场生产顺序衔接不上，严重危害生产。引起地压显现问题的最主要因素有两个：一是对地下高应力区矿岩松散破碎变形规律没有足够认识；二是不合理的回采顺序。山东的小官庄铁矿采用无底柱分段崩落法回采工艺生产，随着开采深度的下降，地压显现问题日趋严重，导致出矿量连设计能力的三分之一都没达到[5]。

3 深部条件下崩落法的回采顺序

3.1 采场结构的合理布置

无底柱分段崩落法的凿岩、崩矿和出矿等工作均在回采巷道里进行，阶段高度一般在40～70m，分段高度一般为10m，各分段自上而下进行回采作业。上下分段回采巷道一般采用菱形交错布置，有利于回收脊部残存的矿石。根据地压活动规律，受横向和纵向采动范围的影响，在进路回采作业时，应合理调整采场结构参数，加大分段高度和进路间距。

采用高分段大间距大大减小了矿山采掘工程量，降低了采矿成本，最重要的是显著改善了巷道内应力集中问题，提高了主要巷道的稳定性。由于支撑矿柱的存在使得压力至上而下进行传递，增大进路间距意味着减少了支撑的矿柱数量，同时有利于对碎裂岩体提供较大的支撑，以减少因上分段回采对下分段进路支承压力的影响，同时利于巷道的维护。

我国第一个采用高分段大间距理论采矿方法的矿山是云南玉溪的大红山铁矿，根据室内相似模拟实验得出工业放出体形态以此计算确定合理的采掘参数。当分段高度为15m，进路间距为20m时，适宜的放矿步距为4.5～5.0m；达到20m×20m时，最优步距为5.5～6.0m[6]。

3.2 回采顺序

因地压存在所带来的影响是客观存在的，因此，在采场结构参数一定的情况下，科学合理的回采顺序是解决高应力区矿块回采的关键，对减小或避免应力集中或叠加所带来的危害起着非常重要的作用。

马钢桃冲铁矿一、二中段采用了矿房法、分层崩落法、浅孔留矿法等工艺进行回采作业，进入三分段后开始全面采用无底柱分段崩落法工艺回采，进路按照垂直矿体走向布置，采用由上到下的回采顺序。变换采矿方法后中区矿段受地压显现问题影响存在以下四个问题：巷道变形受损问题日趋增多；产量下降；作业安全受到严重影响；生产顺序不合理，采掘失调[7]。

针对上述问题，桃冲铁矿对回采顺序进行了合理调整，原则上坚持两点：严格遵循设计要求进行回采作业；根据不同采区的应力观测结果合理设计回采顺序。具体细节有以下几点：①位避免高应力区矿块应力叠加采用前进式回采，达到应力削减与转移的目的；②对于稳固性差的巷道区域先进性回采，减少巷道服务时间；③两相邻回采进路的垂直间距控制在10m以内。

4 卸压开采

4.1 卸压开采的理论依据

卸压开采是解决崩落法开采深部矿体问题最为行之有效的方法之一，它是在合理确定回采顺序的前提下进行的，如何合理有效的卸掉压力对减少矿量损失有着重大意义。研究表明，深部围岩不管是发生脆性破坏或者延性破坏都和岩性还有其所受的应力状态有关系，正是由于二者之间的比例失稳导致岩体发生破坏，虽然岩体性质是客观因素，但通过一些人为的工程措施我们可以实现应力的转移和变化。

根据岩体力学理论，深部地层一旦有空间构成或者岩层软化现象出现，原始的应力平衡状态就会被打破，大部分原岩应力就会集中到未被扰动的区域即一些较硬的岩体，这样就导致了地下应力的分布会出现升高区与降低区的现象[8]。卸压开采就是根据应力集中和应力转移原理，将采区顶板上方的压力通过卸压工程转移到四周围岩中，避免采区出现过高的应力集中，对安全作业构成危害。

4.2 卸压开采方案的选择

合理的卸压方案原则上应与矿山所采用的采矿工艺相结合，不会影响到原有的采矿顺序，且工艺性、施工性、稳定性都应经济合理。

4.2.1 正常回采卸压

在高应力区的无底柱分段崩落法中，可能产生的危险即地压显现或岩爆，在施工工艺环节，在于集凿岩、落矿和矿石运搬出矿为一体的进路的采准和进路端部的拉槽切割工程施工，这几个工序在施工过程中有可能会产生岩爆；当进路端部切割槽形成后，从卸压理论来看实际上已经起到切槽泄压的作用，并且上部是松散覆盖层，高应力问题已经大大消减。

对于急倾斜矿体来说，无底柱分段崩落法回采工艺在进行首分段采掘后，对于下分段而言已经实现了一定程度的卸压；在缓倾斜矿脉虽然实现了部分卸压，但随着回采分层的下降，卸压范围也逐步扩大。因此，在深部高应力区域采用无底柱分段崩落法工艺回采矿石最主要的问题就是能否顺利实现首采分层的矿石回采工作。

4.2.2 施工卸压

4.2.2.1 顶板卸压开采

卸压的根本目的就是为了实现应力降低区域，根据岩体力学理论，采取放顶技术爆破一定厚度的岩层，从垂直和水平方向实现应力切断，为下分段回采提供条件，该方法即全面顶板卸压[9]。

位于河北省武安市境内的西石门铁矿围岩稳定性差，采动地压大，采用传统的支护方法难以维持正常的生产作业要求，地压危害一直是该矿山的重大难题。该矿针对南区矿体采用诱导顶板冒落的卸压方案，对一分层进行先采先掘，利用一分层的采空区隔断了来自上部顶板的压力，然后在进行后续的掘进施工工程。实践证明，采用该方案卸压之后矿石回收率平均为81.72%，贫化率为20.5%，相比之前矿石回收率提高3.19%，贫化率降低4.5%[10]。

4.2.2.2 强采支撑柱

剧烈的地压活动会导致回采进路和切割凿岩巷道受到破坏，严重地段有些巷道还会发生冒顶、垮落等严重危害作业安全的事故，存在断层的顶板还会出现抽条冒落迹象，导致炮孔错位。由于这些无法再利用的中深孔与已冒落地段在采空区存留有一定的矿柱，这些矿柱刚好形成一个应力的传递轴，导致上部的高应力自上而下进行传递，形成了高压区，给生产单位造成很大麻烦。受限于上述错综复杂的因素，矿山一般都会采取强采支撑住的卸压方案，以此形成一定范围的应力降低区域，达到卸压目的。同时需注意的是该方案对支护要求很高，采完矿柱必须马上进行支护，而且支护强度必须一次性符合要求。

武钢程潮铁矿-290m以下0～8#勘探线由于垮冒留下的支撑住导致高应力自上向下传递，形成一个横向跨度较大的高应力区域，回采进路和切割巷道都有所破坏，同时支撑住也影响到上覆岩层的正常塌落。据此，该矿山提出强采支撑柱的卸压方案。实施该方案后，下分段不但能够进行正常的采掘作业，还回收了大部分损失掉的矿量，同时大多数巷道的安全稳固程度也有所提高[11]。

4.2.2.3 卸压巷道

巷道卸压是根据围岩固有的力学特性，通过利用围岩的自稳能力达到有效治理深部巷道围岩变形的一种技术方法[12]。该方法最大的特点就是在保护巷道的一侧掘进卸压巷道，使其充分吸收围岩压力，以至发生变形破坏；同时达到使支承压力向深部围岩转移的目的，以此来改善保护巷道的受力状态。结合采区顶板应力分布特点，卸压巷道一般选择布置在采空区应力较为集中的峰值附近[13]。影响布置卸压巷道位置的因素主要有两个：一是上下分段回采巷道位置的影响；二是下分段中深孔炮孔位置对卸压巷道位置的影响。

4.2.2.4 爆破卸压

爆破卸压是指对有地压显现问题的危险区域通过施工爆破使岩层内部产生裂隙达到减缓应力集中的目的[14]。具体实施是在两条进路之间钻互相平行的中深炮孔，利用进路巷道作为爆破自由面进行卸压爆破。炮孔参数一般由采场结构参数和矿岩性质决定，孔径一般在65～90mm，孔深一般不超过25m[15]。

5 结 语

金属矿山在进入深部开采之后，针对高应力区域的矿床开采本质问题就是如何合理的将存在矿岩内部的高应力卸掉或者进行转移，以此降低因损害性地应力的存在对回采工作的影响，提高作业安全系数；同时，合理的回采顺序也是降低地压危害的主要技术措施，对高应力区域矿块回采起着至关重要的作用。

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The application of no-pillar sublevel caving mining under the condition of the deep high stress

LIU Dong，GUO Jing-ping

(School of Materials Science & Mineral Resources，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

As the shallow resources are drying up，metal mines have to explorate mining resources in deep area.Influenced by high stress of rock mass in deep area，mining stope structure in shallow area is not quite suitable to the deep area.Based on the existence and changes of deep rock mass stress，and combined with the deformation rule of deep surrounding rock in the stope and the issue of ground pressure，this paper disscusses the way to scientifically and reasonably use sill-free sublevel caving mining method under the condition of high stress in order to effectively control the ground pressure，moreover，realizing the purpose of depressurized mining and extracting rocks sucessfully.

no-pillar sublevel caving；high stress；stoping sequence；depressurization

2015-02-15

TD853.36+2

A

1004-4051(2015)12-0109-03