1、金川二礦區(qū)深部開采潛在問題與優(yōu)化控制技術研究高 謙 劉同有 方祖烈( 北京科技大學, 金川集團公司摘 要:本文簡要地介紹了針對二礦區(qū)地質和采礦條件,以控制采場地壓,實現安全生產所開展的研究工作。首先,明確二礦區(qū)二期開采潛在的安全生產問題,為此提出了相應的研究內容和技術路線,最后給出研究所獲得的主要結論。關鍵詞:地下采礦 采場地壓控制 系統(tǒng)優(yōu)化控制高 謙 教授 博士生導師 北京 100083金川礦區(qū)經歷了多次地質構造運動,使得礦區(qū)圍巖內大小斷層縱橫交錯,節(jié)理裂隙十分發(fā)育,其突出特點表現為巖塊強度高,巖體強度低,整體穩(wěn)定性極差;同時,礦區(qū)的構造應力較高,礦體埋藏深、地壓大,使其工程圍巖顯現出顯著的

2、碎脹蠕變效應,對采場與巷道圍巖的穩(wěn)定性造成極為不利的影響。尤其隨二期工程逐漸延深,地壓增加,采場面積逐步擴大,不利因素也日趨增加,它不僅給巷道穩(wěn)定性維護帶來極大困難;而且還可能導致巖層劇烈移動,危及礦山開拓系統(tǒng)工程的正常使用和安全生產。針對1#礦體二期開采所存在的不利因素,金川礦區(qū)對此進行了深入研究。經過近3年的室內外研究,獲得了大量的現場監(jiān)測數據和分析資料,進一步明確了二期開采所潛在的失穩(wěn)模式,揭示了影響采場穩(wěn)定性的主要因素,在此基礎上,優(yōu)化采場回采工藝,提出控制采場地壓的關鍵技術和回采順序,為深部采場地壓控制和巖層移動預測提供了可靠的理論依據。由于篇幅所限,本文僅介紹了金川深部開采所潛在的

3、地壓問題以及所進行的研究技術思路,并簡要地給出了此次研究所獲得的幾點主要結論。1 二礦區(qū)1#礦體深部開采潛在失穩(wěn)模式金川二礦區(qū)1#礦體二期工程采用無礦柱下向膠結充填大面積連續(xù)開采。由于礦體厚大,且呈透鏡狀產出,所以,隨著開采水平的延深,采場暴露面積逐漸擴大。一期采場的最大采場面積已超過5萬m 2,二期開采采場的最大水平面積將接近10萬m 2。1.1 采場圍巖和充填體整體失穩(wěn)模式采場整體結構包括采場圍巖和充填體所構成的采礦系統(tǒng),而局部結構是指進路、巷道、硐室或開拓豎井等采場中的工程。采場整體失穩(wěn)可能潛在下述3種破壞模式:(1構造控制的關鍵塊體滑落失穩(wěn)。構造破壞失穩(wěn)受采場圍巖內存在的斷裂構造所控制

4、。隨著采場范圍的擴大,圍巖內的斷裂構造和采場臨空面所切割圍巖形成塊體的數量增多,體積增大,因此,潛在的可移動塊體可能向采場內移動或滑落。滑體的形成取決于圍巖內斷裂構造面與采場臨空面的組合,而穩(wěn)定性依賴于斷層面的抗剪強度以及支撐滑體的充填體支承能力。對于由斷裂構造面所控制的失穩(wěn)模式在此稱之為!構造型破壞模式。(2能量釋放率控制采場圍巖突變失穩(wěn)。該破壞模式取決于采場圍巖所儲存的能量及能量釋放速率,它介于緩慢式破壞(蠕變破壞和沖擊式破壞(巖爆之間的一種破壞形式。首先,一般以部分巖體緩慢地破裂(破裂巖石也即吸收和釋放能量為先導,隨著這一過程的不斷延續(xù),構成可冒落或滑移塊體,最終從母體脫落下來。因此,這

5、種整體失穩(wěn)垮冒依賴于落高和重量所釋放的能量,這種能量即是所謂的位能。它是延時較長的破壞過程的最終結果。巖層在一開始的緩慢破裂過程中,一般伴隨著能量的消耗和釋放。因此,能量釋放速率決定了采場圍巖重力型破壞的突發(fā)程度。所以,對于此種破壞在此稱之為!能量型失穩(wěn)模式。(3壓桿式水平礦柱屈服破壞失穩(wěn)。二礦區(qū)1#礦體二期工程目前采用1250m 和1150m 兩個中段同時向下開采,隨著1250m 水平采礦向下推進,1250m 與1150m 之間形成的水平礦柱在逐漸變薄,其剛度在減小。與此同時,部分礦柱達到屈服應力狀態(tài)而發(fā)生屈服破壞,使整個礦柱的承載能力降低。當水平應力達到礦柱的臨界荷載時,就可能發(fā)生類似于壓

6、桿屈服突變失穩(wěn),在此稱之為!壓桿型破壞。第56卷 第4期有色金屬(礦山部分2004年7月1.2 采礦工程局部破壞模式采場圍巖內的巷道、進路及保安礦柱等采礦工程的破壞相對于整個采場結構是局部的。因此,在此稱之為!局部破壞,其破壞模式主要有以下兩種形式:(1巷道頂板充填體脫落。在采礦生產中,經常發(fā)生充填假頂(混凝土離層脫落,發(fā)生掉塊和冒頂,盡管這種破壞并不影響整個采礦系統(tǒng)的生產,但卻嚴重危及職工的生命安全,給生產作業(yè)帶來重大事故隱患。(2巷道碎脹蠕變變形破壞。采場面積擴大、應力升高,處于高應力區(qū)的巷道圍巖應力將接近或達到其屈服強度,使圍巖發(fā)生塑性屈服,并伴隨塑性蠕變。由于圍巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,因此,

7、圍巖屈服破壞首先起始于節(jié)理擴張、滑移和擴容。變形機理不同于一般連續(xù)介質的蠕變變形,其特點表現為變形量大,且變形速率快,導致巷道在較短時間內急劇收斂內擠,并在變形發(fā)展到一定時,發(fā)生圍巖片冒。如1150m 水平的粉礦回收道的嚴重破壞以及1000m 水平巷道開拓工程西部環(huán)形道,變形量之大、速度之快是以前從未有的。導致這種破壞形式的顯現主要受以下兩個方面的因素所控制: 巷道圍巖受采場應力控制。由于二期工程巷道所處的深度,使得巷道圍巖處于高應力環(huán)境,因此,巷道穩(wěn)定性主要受采場應力大小與狀態(tài)控制:巷道拱角多呈現出顯著的剪切錯動破壞,而底鼓變形顯著;同時,巷道變形的時間效應極為明顯。 巷道圍巖處于高應力且動

8、態(tài)變化的應力環(huán)境中。深部采場巷道圍巖應力是采場采動應力與巷道掘進的次生應力疊加而成,這就使得巷道圍巖的應力大小與狀態(tài),不僅取決于巷道本身的大小與形狀。而且,更重要的與巷道所處的位置和受采場采動影響的程度;同時,采動應力環(huán)境隨著采礦活動的進展而動態(tài)變化。所以,深部巷道圍巖一般處于高應力環(huán)境中,并且隨采礦的活動處于動態(tài)地變化之中。2 研究技術路線與研究內容在明確了二礦區(qū)二期工程所潛在的穩(wěn)定性問題的基礎上,首先確定應開展的研究工作,并提出了開展此項研究應實施的技術路線。其研究內容與技術路線如圖1 所示。圖1 金川二礦區(qū)采場系統(tǒng)優(yōu)化與決策研究技術路線第4期高 謙等:金川二礦區(qū)深部開采潛在的問題與優(yōu)化控

9、制技術研究3項目開展了以!二期工程采場穩(wěn)定性最佳控制為目標的一系列研究工作:研究方法采取了現場研究與室內分析相結合;研究思路實施了從局部分析到整體評價、從平面分析到三維綜合系統(tǒng)分析途徑;研究理論采取了正交試驗(數值分析與人工智能模型相結合;研究范圍從地表巖層移動到深部采場高應力環(huán)境巷道變形控制技術,全面、系統(tǒng)地研究了二礦區(qū)深部采礦環(huán)境、影響因素、采場系統(tǒng)優(yōu)化以及采場整體和局部失穩(wěn)破壞的風險預測與最優(yōu)控制技術。此研究進行了大量的工作,提交8個部分的研究報告,獲得了相應的研究成果。由于篇幅所限,本文僅給出本研究所獲得幾點主要結論以及基于此研究所提出的幾點建議和意見。3 主要結論與建議3.1 礦區(qū)地

10、應力隨深度變化規(guī)律研究發(fā)現,盡管深部地應力變化規(guī)律復雜多變,但總的趨勢表現出隨深度增加,最大與最小主應力雖呈線性增大,但最小主應力的變化速率大于最大主應力的值,從而表現出最大與最小主應力之比值趨于減小。3.2 礦區(qū)地應力沿礦體走向變化規(guī)律礦區(qū)地應力沿走向變化規(guī)律表現出礦體東西端最大主應力值大于中部主應力值;礦區(qū)內基本上受北西和北東兩主應力方向所控制,即圍巖以北西向為主,礦體以北東向為主。這與礦區(qū)的構造斷裂基本一致。3.3 深部工程圍巖變形特性金川礦區(qū)礦體力學與變形在一期和二期工程中表現出不同的特點:在一期工程中,其強度表現出強烈的各向異性,突出的特點是巖塊強度高,圍巖整體強度低,整體穩(wěn)定性差。

11、二期工程圍巖變形特征表現在圍巖變形具有強烈的時間效應,即蠕變特性。由于圍巖內存在極為發(fā)育的節(jié)理裂隙,圍巖在變形過程中,節(jié)理發(fā)生剪脹、滑移和擴容,更突出表現出節(jié)理巖體在高應力環(huán)境中所特有的!碎脹蠕變特性。3.4 圍巖變形隨深度變化規(guī)律(1地表上盤圍巖的最大位移為88 7mm,隨深度的增加,圍巖變形在增加,到1150m中段,圍巖變形增大到128 1mm;從圍巖變形趨勢來看,1300m 中段以上圍巖變形相差不大(僅0 4m m,似乎顯示1300m中段以上圍巖呈整體下沉態(tài)勢。但1300m 至1150m中段,圍巖位移呈線性增加趨勢。(2比較礦體上盤、中部和下盤圍巖變形,礦體上盤大于下盤,中部大于上、下盤

12、;中部地表最大位移達到116mm,比上盤大28m m,比下盤大63mm。這說明中部礦體和充填體變形比上、下盤劇烈得多。(3比較礦體上、中、下盤圍巖和充填體的變形速率(包括最大變形速率可以獲得一個重要規(guī)律:礦體上部(1250中段變形速率上盤大于中部,中部大于下盤;而下部(1250至1150中段,下盤大于上盤,中部大于上、下盤。(4比較礦體圍巖的最大變形速率,發(fā)現上部一期工程巖體最大變形速率相差不大,而二期工程圍巖變形速率急劇增加,最大位移出現在1150中段的中部礦巖體,最大速率達到1 14mm/d,這足以導致工程在幾十天內發(fā)生破壞。3.5 深部圍巖變形沿礦體走向變化規(guī)律(1沿礦體走向1621行圍

13、巖變形,各水平圍巖變形規(guī)律相似,以16行圍巖變形量最大,從16行向西,變形在逐漸減小。地表(0m、1300m、1200m 三個水平的變形量分別達到469mm、471m m和851mm;對于地表變形,從16行的469mm到21行減小到85mm。由此表明,16行圍巖變形最為劇烈,主要是由于深部開采逐步向上盤推進,對16行附近的圍巖影響劇烈所致。(2在深度方向上,圍巖位移變形量隨著深度增加而增大。對于16行,從地表的468mm到1200m 中段增加到852mm,增加接近于1倍。由此可見,深部采場地壓顯現極為劇烈,導致圍巖變形遠比上部加劇。(3比較圍巖變形速率沿走向變化規(guī)律發(fā)現,16 18行為劇烈變形

14、區(qū),1921行的變形速率在逐漸減小。隨著開采水平的增加,這種變形規(guī)律更為明顯。即在1200m中段,從16行的1 15mm/d最大變形速率到21行降至為0 113mm/d。這說明,隨著礦體向深部延深,劇烈影響范圍仍在1619行之間。(416行的地表最大變形速率已經達到1 827mm/d,平均變形速率也超過了1 5mm/d。這表明,地表變形速度是比較大的。3.6 二期開采巖移變化規(guī)律預測(1一期工程圍巖和充填體呈現出隨開采的延深逐漸增大,而二期開采期間工程圍巖變形速率又逐漸減小,其后,圍巖的變形速率基本上為常變形速率(地表的變形速率為0 341mm/d,1300m中段的4有色金屬(礦山部分第56卷

15、變形速率為0 337mm/d在發(fā)展。這說明,二期開采的過程中,上部圍巖受深部開采的擾動程度在減小,其變形速率在逐漸減小;但深部圍巖(1200m中段以下的變形速率遠比上部大,其原因在于深部圍巖受深部開采的影響甚為劇烈,因此變形速率較大。(2二期圍巖(1200m中段以下的變形隨開采過程在逐漸增大,到2002年11月10日(開采水平1250m開采到13分層,1150m中段開采到第8分層,其位移增加到393 5mm,而變形速度增大到接近于1mm/d。由此可見,控制深部地壓,降低圍巖變形速率,是深部開采的首要問題。3.7 影響采場整體穩(wěn)定性因素分析(1采場整體突變失穩(wěn)。以平均能量釋放率為評價指標的采場整

16、體穩(wěn)定性因素依次為:!回采水平的開采比例,!水平應力,兩中段下降距離和回采方向。(2地表巖層下沉。影響地表下沉的控制性因素仍是!回采水平的開采比例。第二位是兩中段下降距離;充填體的剛度比和水平構造應力列第三位。由此可見,提高充填體的變形模量,是控制地表下沉的較為有效措施,但并非為提高采場穩(wěn)定性的最佳措施。(3采場圍巖收斂。影響采場圍巖和充填體整體收斂的因素,第一位是回采水平的開采比例;第二位是水平地應力和一期充填體強度比;第三位是兩中段下降距離和回采方向。由此可見,提高充填體強度是控制采場圍巖和充填體整體收斂的有效措施,而調整1250m中段的回采方向也是有效措施之一。(4采場圍巖和充填體屈服破

17、壞。影響采場圍巖和充填體屈服破壞第一位因素為一次回采進路的條數、水平地應力和1250m中段下降距離3個因素;其次是回采水平的開采比例和1150m中段的下降距離。有效地減少一次回采進路的條數是降低圍巖和充填體屈服破壞的有效措施。另外,調整回采水平的開采比例也是重要措施之一。由此可見,對于采場整體穩(wěn)定性影響因素雖然有所不同,但位于前三位的仍是水平地應力、回采水平的開采比例和兩中段下降距離。3.8 水平礦柱穩(wěn)定性影響因素(1對于評價水平礦柱穩(wěn)定性的3個指標,主要影響因素是相同的,即處于前4位的影響因素分別是1250m中段下降距離、水平地應力、一次回采進路的條數和1250m中段的回采方向;但排序上略有

18、差異。由此表明,1250m中段的向下推進和水平地應力,是礦柱失穩(wěn)破壞主導性因素。(2對于ASH和SSH指標,1250m中段的回采方向和一次回采進路條數因素僅次于上述兩個因素,對礦柱的壓剪破壞也起到重要作用。但對于FRH指標,不僅一次回采進路條數上升為第一位,而且,處于第四位的因素不是1250m中段的回采順序,而是礦巖接觸帶的剛度系數。對于導致礦柱壓剪破壞,回采方向和結構參數占重要地位;而礦巖接觸帶的剛度對礦柱的塑性屈服起到重要影響。(3處于前四位的控制性因素的影響因子高達29,最低者也接近于7,是基本因素的729倍。所以,導致礦柱失穩(wěn)關鍵在于前四位因素。(4對于第二類和第三類的影響因素,ASH

19、、SSH和FRH指標有所變化。但似乎1150m中段的回采方向和礦巖接觸帶的強度系數對礦柱的影響并不十分重要。3.9 采場整體穩(wěn)定性評價與失穩(wěn)風險概率(1構造控制的塊體失穩(wěn)風險。研究顯示,影響1#礦體深部圍巖的F16斷層、F b斷層(出露位置在1250m水平上盤沿脈27行附近、1150m水平29行南石門;1150m水平26行;1238m水平斜坡向上25行附近和F c斷層(在西部1#礦體23行附近出露,在開拓中段均有出露與采場下盤臨空面構成一潛在的滑動楔體。其失穩(wěn)風險概率為12 96%。(2采場圍巖能量控制整體失穩(wěn)風險。 采場圍巖平均能量釋放率控制的整體失穩(wěn)風險P f1= 7 5%。地表平均沉降整

20、體失穩(wěn)風險P f2= 0 78%。#采場圍巖和充填體收斂變形整體失穩(wěn)概率P f3=3 02%。采場圍巖屈服破壞失穩(wěn)概率P f4 =0 32%。能量控制整體穩(wěn)定可靠度和失穩(wěn)風險概率分別為P r=(1-7 5%(1-0 78%(1-3 02%(1-0 32%=88 72%,P f=1-P r=11 28%3.10 地表巖層移動規(guī)律與預測結果(1無論采取何種開采方案,地表上盤錯動角小于下盤錯動角。上盤錯動角的變化范圍為60% 76%;下盤的錯動角多數大于80%,只有極個別的開采方案的崩落角小于80%。(2對于所有開采方案,地表上、下盤巖層水平位移基本上處于同一量級。一般情況下,水平位移(下轉第14頁

21、第4期高 謙等:金川二礦區(qū)深部開采潛在的問題與優(yōu)化控制技術研究5&柵一體化模型得到的計算結果是比較準確的。3 結論本文以力學原理為基礎,并結合GIS原理,建立了計算巷道變形的GIS矢&柵一體化數字模型。該模型能對巷道任意點的位移、應力和應變進行計算。從計算的結果可以看出,模型的結構是健壯的,計算結果是比較準確的。同時,由于GIS軟件(SPANS ARC/INFO,GENMAP,MAPINFO等的發(fā)展,巷道的位移、應力和應變能以圖表的形式更直接、形象地表示出來,不同巷道或同一巷道的位移、應力和應變的描述更具直觀性和延續(xù)性。本模型能為GIS軟件在巷道變形中的應用奠定模型基礎。參考文

22、獻3 吳信才.地理信息系統(tǒng)原理與方法,北京:電子工業(yè)出版社,2002. 243(上接第5頁小于50cm,只有個別開采方案的水平位移大于50cm。(3地表下沉量隨開采方案變化較大,最大位移超過10m,最小為205 3cm。基于不同指標優(yōu)化的最佳開采方案在27個方案中并沒有出現,較為接近能量釋放率指標的最佳開采方案是第9方案。其巖層移動參數為:地表沉降496cm,上、下盤位移分別為6 22cm和20 68cm;上、下盤錯動角分別為75%和90%。(4地表巖層移動的研究是初步的,有待于進一步分析、監(jiān)測研究。基于上述研究結果,對深部開采提出幾點意見和建議:(1基于綜合研究,可以發(fā)現,二期工程的圍巖變形和破壞機理與一期工程相比發(fā)生了較大變化。其主要特點是隨著應力環(huán)境的逐步向應力場方向變化,使得深部工程圍巖變形也主要顯現為顯著的變形破壞;因此,加強深部巷道工程的破壞機理和控制技術研究是當務之急。(2從采