自然崩落法底部结构应力状态研究

者亚雷 侯克鹏 程 涌 杨八九

(云南亚融矿业科技有限公司，云南 昆明 650093)

自然崩落法是在开采矿体出矿水平上部，通过拉底形成一定的冒落空间，在有需要的情况下，施加辅助工程，使原岩应力发生改变，朝着矿体破坏、冒落的方向发展[1]。拉底工作是该采矿方法开展的首要任务，对落矿的成功与否起着决定性作用。拉底扰动所引起的次生应力，使矿体原有的稳定状态不能够继续维持，达到最终冒落，其中构造应力的作用是主要的动力[2]。因此，研究拉底过程及不同构造应力条件下，底部结构的应力状态，对矿山生产具有重要意义。

本项目以普朗铜矿自然崩落法为研究背景，由于受地理环境条件限制，该矿山不能采用露天开采。且因其矿石品位低，矿体厚大，倾角近乎垂直，崩落空间充裕，矿岩易崩落，矿石无自燃和黏结性，地表容许塌陷等，使自然崩落法有可能成为该矿山的一种较为理想的采矿方式。

1 拉底影响因素及重要性

拉底的作用主要是：首先为矿石崩落形成足够的空间尺寸，以使矿石能在自身重力下崩落；其次在形成的初始崩落时对周围岩体的破坏最小；最后在时间上尽可能快地推进到崩落水力半径，开始崩落，以减少拉底的集中应力。拉底虽然只是矿体的切割工作，但其影响因素很多，主要包括：拉底方式，拉底相关巷道的掘进顺序，拉底推进线、出矿巷道掘进推进线和出矿推进线等的相对位置，拉底推进的起始点和推进方向，拉底的推进速度，拉底高度及三维空间形状。

拉底的好坏是自然崩落法成功与否的关键，同时也与底部结构直接相关。拉底的形式和时间对底部结构的稳定性有着重要的影响，主要是因为在拉底推进前方附近诱导应力高度集中。采用不同的拉底工艺，底部结构的应力状态也不同，应力集中与释放区域所引起的破坏也不同[3]。

由于普朗铜矿属于超厚大型矿体，且矿体中部矿石品位较高，往四周逐渐降低，因此拉底初始开刀位置位于矿体中间，垂直走向往两侧后退式回采。采用前进式拉底方式，即先完成拉底工作，然后再进行出矿巷道、出矿点、聚矿槽的施工。此拉底方式，出矿水平的施工都是在拉底应力释放后进行的，因此更有利于底部结构的稳定。

2 拉底过程中底部结构应力状态

拉底工作是一项复杂的系统工程，拉底形状、顺序、推进速度、高度等对自然崩落法的成败起着关键作用，反过来崩落与出矿对拉底也会产生反作用。本项目主要研究不同拉底长度时，底部结构的应力状态变化情况。

底部结构的应力状态主要受拉底过程控制，距离拉底推进线不同位置的底部结构应力状态随之变化。总的变化规律是：当拉底推进线到距离底部结构一定距离内时，后者的应力受拉底影响开始增加，增加的幅度随两者之间的距离缩短而增加[4]。采用FLAC3D数值模拟软件，计算分析在拉底宽度固定的条件下，9种不同拉底推进尺寸，底部结构的应力情况，最大主应力云图示意见图1。

图1 不同拉底推进尺寸剖面1最大主应力图Fig.1 Main principal stress of section 1 with different undercutting dimension

从图1中可以看出，进行拉底工作后，拉底空间顶、底4个角的位置出现明显的应力集中现象。当拉底推进尺寸小于40 m，即拉底长度小于80 m时，应力得不到充分释放，底部结构整体处于一个较高的应力区，这时如果开挖聚矿槽，不利于底部结构的稳定。随着推进尺寸的增大，拉底底部在距离推进线一定范围外应力得到释放，应力集中现象逐渐消失，因此认为在这个区域内进行聚矿槽的施工是相对有利的。通过图上测量得出，这个距离大约在30 m左右。因此，可以得出聚矿槽的施工应该滞后于拉底推进线30 m左右。

3 不同构造应力条件下底部结构应力状态

岩体中包含的各种软弱结构面是岩体发生崩落的自然因素，而地应力及其作用方式则是实施岩体崩落的决定性动力条件[5]。因此，研究地应力对底部结构的影响，对后续矿体的高效、安全开采具有理论指导意义和实际应用价值。

通过现场地应力实测测量，得知该矿山构造应力以水平应力为主。出矿水平最大主应力值为17.69 MPa，近似水平且垂直于矿体走向，中间主应力值为11.85 MPa，水平方向与矿体走向平行，最小主应力为垂直应力。

在上述模型的基础上，研究以下4种不同构造应力条件下拉底区域的应力状态：①无构造应力；②构造应力为实测值的1/2；③构造应力为实测值；④构造应力为实测值的1.33倍。模型先开挖出矿穿脉、拉底巷道、装矿进路3种巷道，待上述巷道开挖完后再进行拉底和聚矿槽的施工。

3.1 最大主应力

如图2(a)所示，当不考虑水平构造应力和考虑水平构造应力为实测值的1/2时，拉底区域应力以竖直应力为主，应力集中区域出现在拉底拱角位置，并向拉底外部围岩延伸;当水平构造应力取值越小时，应力集中程度越大，且应力集中区域向外延伸的范围越广。如图2(b)所示，当考虑实测水平地应力及考虑水平地应力为实测值的1.33倍时，拉底区域应力以水平应力为主；由于水平应力的挤压作用，应力集中区域从拉底拱角位置向拉底空间延伸，水平构造应力越大时，应力集中程度越大延伸范围越广。

当不考虑水平构造应力和考虑水平构造应力为实测值的1/2时，拉底顶部及底部都有明显的应力释放区域，不考虑水平构造应力的释放区域较考虑水平构造应力为实测值的1/2时的大。当考虑实测水平构造应力及考虑水平构造应力为实测值的1.33倍时，拉底底部有应力集中现象，随着水平构造应力的增大，应力集中区域逐渐远离底部结构。

图2 不同水平构造应力底部结构最大主应力图Fig.2 Maximum principal stress of the bottom structure with different horizontal tectonic stress

因此，当垂直应力较水平力大时，有利于矿石的崩落，而当两者相差不多时，有利于底部结构的稳定。

3.2 最小主应力

如图3(a)所示，当只考虑自重应力时，应力集中区域从拉底拱角位置近似水平的向外延伸，当考虑水平构造应力时，由于水平应力的挤压作用，应力集中区域逐渐向上延伸，水平构造应力越大，则延伸的高度越高。

拉底空间形成后，顶板将会出现拉应力区域，拉底底部则出现应力释放区域。随着水平构造应力的增大，拉低顶板拉应力区域逐渐减小，拉底底部应力释放区域也逐渐减小,如图3(b)所示。

综上所述，采用自然崩落法采矿时，自重应力与水平构造应力之间的大小关系，将对矿石的崩落与底部结构的稳定性有着重要影响。

图3 不同水平构造应力底部结构最小主应力图Fig.3 Minimum principal stress of the bottom structure with different horizontal tectonic stress

4 结 论

通过FLAC3D数值模拟软件，对普朗铜矿自然崩落法拉底过程及不同构造应力条件下，底部结构的应力状态进行分析，得出以下结论：

(1)距离拉底推进线30 m的范围外底部结构应力释放，此时有利于聚矿槽的施工。

(2)当垂直应力较水平力大时，有利于矿石的崩落，而当两者相差不多时，有利于底部结构的稳定。

[1] 唐业茂，曾晓文.自然崩落采矿法技术应用探讨[J].有色金属：矿山部分，2010，62(3)：9-10.

Tang Yemao，Zeng Xiaowen.Discussion on the application of block caving mining method[J].Nonferrous Metals：Mine Section,2010，62(3)：9-10.

[2] 袁海平，曹 平.我国自然崩落法发展现状与应用展望[J].金属矿山,2004(8)：25-28.

Yuan Haiping，Cao Ping.Present status of block caving development and its application prospect in China[J].Metal Mine,2004(8)：25-28.

[3] 张传信，吴少华.自然崩落法底部结构稳定性的研究[J].有色矿冶,1995(4)：20-24.

Zhang Chuanxin，Wu Shaohua.Study on the bottom structure stability of natural caving method[J].Nonferrous Mining and Metallurgy,1995(4)：20-24.

[4] 丁亦敏.自然崩落法底部结构应力分布的研究[J].有色金属：矿山部分,1995(3)：20-25.

Ding Yimin.Study on the stress distribution of the bottom structure of natural calving method[J].Nonferrous Metals：Mine Section，1995(3)：20-25.

[5] 马春德，李夕兵,等.自然崩落法矿山深部地应力场分布规律的测试研究[J].矿冶工程,2010,30(6)：10-14.

Ma Chunde，Li Xibing,et al.Research on in-situ stress distribution in deep mine with natural caving method[J].Mining and Metallurgical Engineering，2010,30(6)：10-14.