无底柱分段崩落采矿法因具有采矿效率高、机械化程度高、安全性好以及应用灵活等优点而被广泛应用于地下金属矿山[1,2]。利用无底柱分段崩落采矿法时，中深孔凿岩、爆破、矿石的铲装和运出等关键作业环节均在回采进路中完成，因此，确保回采进路的稳定性至关重要。多年来，众多研究者针对无底柱分段崩落采矿法的回采进路稳定性展开了一系列研究，段文权等[3]针对金山店铁矿松软破碎矿体难支护的问题，优化了支护方式，使无底柱分段崩落法在金山店铁矿取得良好的回采效果；伍佑伦等[4]针对程潮铁矿不同等级的矿岩，研究多种支护方案，最终得出喷锚支护是行之有效的，和其他支护方式相比具有明显的优势；王明旭等[5]针对不同支护方式的巷道变形特点，对未支护、喷浆支护和锚喷支护巷道进行了实验室模拟研究，得出了这几种巷道支护方式的优劣，为矿山井下巷道支护作业提供了参考；李胜辉等[6]针对无底柱分段崩落采矿法出现的冒顶事故，研究了支护工艺对顶板保护的影响，提出了一系列顶板安全综合管理措施；焦世雄等[7]针对进路断面对围岩稳定性影响，研究了不同断面尺寸巷道对围岩塑性区、应力场和围岩变形量的影响，得出巷道两帮及底板岩体处于剪胀变形的范围随宽度增加而扩大，顶板应力集中范围向两帮转移的结论。可以看出，以上研究主要从围岩等级和支护方式等方面对进路稳定性展开研究，但实际上进路断面的形状及尺寸对其稳定性也有重要影响。此外，这些研究大多是在一种相对静态的地压状态下对进路的稳定性展开研究，但实际上崩落法开采过程中地压处于一种动态变化[8,9]。因此，根据采场地压的演化规律来动态优化进路断面形状及尺寸，对于实现无底柱分段崩落采矿法的安全、高效、经济开采具有重要意义。

以龙首矿西二采区上部中段由下向分层胶结充填法转无底柱分段崩落采矿法为工程背景，研究了西二采区无底柱分段崩落采矿法采场4个分段回采过程中的采动地压演化规律，并根据采场地压演化规律，对采场中4个回采分段的进路断面形状及尺寸进行了优选研究，并将研究结果应用于现场生产实践，取得了良好效果，可为类似矿山提供参考与指导。

1、工程背景

金川集团有限公司龙首矿西二采区矿体埋藏较浅，地表100 m以下见矿，延深600 m左右，矿体走向为N27°W,沿走向长为463 m,最大厚度为215 m,最小厚度为28 m,矿体倾角为60°～80°。顶板围岩主要由混合岩及大理岩等组成，矿体主要由氧化带矿石及原生带矿石组成，底板围岩主要由大理岩和绿泥石片岩等组成。矿区地质条件较为复杂，主要发育有两组优势节理，结构面之间充填有强度较低的绿泥石、石膏等。

西二采区矿石品位仅为金川矿区富矿品位的1/3,属于金川矿区的贫矿资源，但由于镍矿价值较高，矿山在建矿初期采用了双中段同时开采的下向进路分层胶结充填法进行采矿，以控制矿石的贫化和损失。西二采区于2010年完成基建并投入生产，规划年产能为165万t,服务年限为20 a。但在2016年镍价大幅下跌，采用成本较高的胶结充填法回采低品位矿石使得采矿作业濒临亏损。为了扭转形势，矿山决定将上部中段由胶结充填法转为无底柱分段崩落采矿法。经初步计算，采用无底柱分段崩落采矿法后可使采矿成本降低30%以上，而且产能提高50%以上，采场的机械化程度也将进一步得到提升。经前期研究，西二采区上部中段转为无底柱分段崩落采矿法后，采场中可布置4个回采分段，分别位于1595 m、1580 m、1565 m和1546 m水平，进路间距为15 m,崩矿步距为2.2 m,计划采用6 m3柴油铲运机进行出矿，采场布置如图1所示。

图1西二采区无底柱分段崩落采矿法采场布置  

2、采动地压演化规律研究

2.1模型的建立

为了研究西二采区无底柱分段崩落采矿法开采过程中的采动地压变化规律，根据采场布置方案，构建数值计算模型如图2(a)所示。该模型尺寸为宽×高=404 m×222 m,模型自上而下分别为40 m厚第四系表土、50 m厚片麻岩、29 m厚上部胶结充填体和67 m厚矿体以及36 m厚下部胶结充填体。片麻岩中存在两组优势节理，倾角分别为3°和88°。矿体中共布置4个回采分段，与实际设计相对应，考虑到模型尺寸有限，每个分段仅设置4～5个回采进路作为代表。为了兼顾仿真度和计算效率，模型中的颗粒半径取0.30～0.45 m,最终模型的总颗粒数量为192 509个。模型中利用平行黏结单元来模拟岩体，利用光滑节理单元模拟岩体节理及充填进路之间的界面。

模型在开挖前需要先还原初始地应力，矿区主应力方向为近水平方向，经测量上部中段附近的水平应力大小约为4.1 MPa,垂直应力约为岩层产生的自重应力[10]。在施加初始地应力之前，先将模型左右边界以及下部边界固定，给颗粒施加重力使其竖直方向满足初始地应力条件，再去掉对模型左右边界的约束，添加内置的伺服程序将初始水平地应力加到崩落采矿法采场区域，使模型中崩落采矿法采场区域的初始水平地应力接近预期值。待模型达到初始应力平衡后，再对模型逐分段向下开挖，每次开挖一个分段，同时为了分析崩落采矿法回采过程中的采动地压变化规律，在各分段底板中央位置设置一个测点，模型开挖顺序及采动地压测点位置如图2(b)所示(颜色标记见电子版)。

图2西二采区崩落采矿法采动地压模拟数值模型  

2.2模型微观参数匹配

模型采用黏结的颗粒来模拟岩体的力学响应，颗粒间的力学性质由模型参数来体现，例如接触的法向刚度和切向刚度等。这些微观参数与颗粒所模拟岩体的宏观力学参数没有直接的联系，而是通过一系列数值模拟试验[11,12](例如单轴压缩试验、抗拉强度试验等)进行试错测试，最终得到与实际岩体参数相匹配的微观颗粒的力学参数，表1为岩体光滑节理模型参数，表2为矿岩体微观颗粒参数。

表1岩体光滑节理模型参数

表2矿岩体微观颗粒参数

2.3采动地压演化规律分析

(1)初始应力平衡求解。

模型在开挖前需要先求解初始应力平衡，以在模型中还原初始应力。求解初始应力平衡时，在竖直方向对颗粒施加重力，在水平方向将4.1 MPa的应力施加到模型中崩落采矿法采场区域。最后根据1565 m分段设置的测点所测得应力数据进行分析，如图3所示。由图3可知，模型大约在运算3.4万步达到初始应力平衡，测点位置的水平应力基本接近4.1 MPa,竖向应力大约为3.7 MPa。此时可认为模型基本达到了预期的初始地压条件，随后便可对模型进行开挖以模拟崩落采矿法开采。

图3模型初始应力平衡求解  

(2) 1595 m分段回采后地压变化规律。

1595 m分段回采完成后，顶板胶结充填体暴露，在地压作用下发生开裂和冒落，冒落向上发展的高度大约为34 m,并初步波及片麻岩，与此同时，1595 m分段底板矿体在水平集中应力作用下发生轻微变形，如图4(a)所示。

根据各分段测点的地应力监测结果可知，在1595m分段开采后，下部各分段地压均发生了较为显著的变化。在水平方向上，1580 m分段的水平应力由4.44 MPa增长至6.5 MPa,增大了46.4%;1565 m分段的水平应力由4.02 MPa增长至7.42 MPa,增大了84.6%;1546 m分段的水平应力由4.83 MPa增长至7.09 MPa,增大了46.8%。在竖直方向上，1580 m分段的垂向应力由3.44 MPa降低至0.91 MPa,降低了73.5%;1565 m分段的垂向应力由3.72 MPa降低至2.21 MPa,降低了40.6%;1546 m分段的垂向应力由4.62 MPa降低至3.38 MPa,降低了26.8%。

(3) 1580 m分段回采后地压变化规律。

1580 m分段回采完成后，为顶板岩层的冒落提供了更多的松散空间，顶板岩层的冒落持续向上发展，冒落高度达到了50 m左右。与此同时，1580 m分段底板矿体在水平集中应力作用下发生较为明显的变形，如图4(b)所示。

根据各分段测点的地应力监测结果可知，在1580 m分段回采后，地应力再次重新分布。在水平方向上，1565 m分段的水平应力由7.42 MPa增长至9.81 MPa,增大了32.2%;1546 m分段的水平应力由7.09 MPa增长至8.81 MPa,增大了24.3%。在垂直方向上，1565 m分段的垂向应力由3.72 MPa降低至2.21 MPa,降低了40.6%;1546 m分段的垂向应力由3.38 MPa降低至2.41 MPa,降低了28.7%。

(4) 1565 m分段回采后地压变化规律。

1565 m分段回采完成后，顶板岩层的开裂和冒落发展至地表，而1565 m分段底板以下的待采矿体在水平应力集中作用下发生了较为明显的变形破坏，如图4(c)所示。

根据各分段测点的地应力监测结果可知，在1565 m分段回采后，地应力再次重新分布。在水平方向上，1546 m分段的水平应力由8.81 MPa增长至11.54 MPa,增大了31.0%,此时1546 m分段所承受的水平应力较初始值(4.83 MPa)增大了139%,在强大的水平地压作用下，使得1546 m分段待采矿体发生较为明显的塑性破坏。需要说明的是，由于本次研究所建立的模型尺寸有限，采矿开挖范围也小于实际情况，因此，可能会造成模型中的水平应力集中程度和增加幅度都大于实际情况，但待采矿体将会发生水平应力集中这一客观规律保持不变。在竖直方向上，1546 m分段的垂向应力由2.41 MPa降低至1.47 MPa,降低了39.0%,此时1546 m分段承受的垂向地压较初始值(4.62 MPa),降低了68.2%。

根据数值模拟结果可知，在西二采区无底柱分段崩落采矿法采场逐分段开采过程中，待采分段所承受的采动地压也在不断发生变化。总体来说是水平地压在逐步增加，而垂向地压在逐步减小，且随着采深的不断增大，下部待采分段矿体中的水平应力增加幅度和垂向应力的减小幅度也在不断增大。发生这种地压变化规律的原因主要由西二采区地压特征和崩落采矿法回采特点共同决定，当分段开采后，采空区的出现阻断了上部覆岩对下部分段待采矿体所产生的垂向压力，随着顶板岩层的冒落，垂向地压由原岩地压变为散体地压，散体所产生的地压要远小于原岩产生的地压[13]。而在水平方向上，由于采空区的出现，水平地应力向下部待采矿体转移并发生应力集中，从而使待采分段所承受的水平地压增加。

图4崩落采矿法采场分段开挖过程中的竖向位移  

3、进路断面形状及尺寸优化研究

由于无底柱分段崩落采矿法是逐分段由上至下的回采，通常上一分段在回采时，下一分段就要完成进路的掘进作业，因此，各分段均是在不同的采动地压下完成回采进路的施工。根据前期模拟研究所得的采动地压变化规律以及各分段实际采矿需求，继续采用数值模拟的方法优选出各个分段进路断面形状及尺寸，从而为采矿设计提供理论基础和指导。

3.1数值模型的建立

在建立的离散元数值模型中，考虑到边界效应以及圣伟南原理，模型尺寸为35 m×31 m。为研究不同进路断面形状、尺寸与进路稳定性之间的关系，在满足采场设备运行和通风要求等基本采矿需求的基础上，设计了两种不同断面形状及尺寸的回采进路方案进行数值模拟研究，分别为方案一和方案二，计算模型如图5所示。

图5进路断面形状及尺寸优选对比研究方案  

方案一为直墙半圆拱进路，掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m,拱高为2.2 m;方案二为直墙三心拱进路，掘进尺寸高×宽为3.8 m×4.4 m,拱高为1.5 m。采用单层喷锚网支护，锚杆采用全长水泥砂浆锚杆，锚杆间距为1 m,锚杆长度为2.25 m。模型所采用的矿体力学参数见表3,支护参数见表4和表5。模拟各分段时模型中所施加的采动地压取值见表6。

表3矿体力学参数

表4锚杆单元支护参数

表5衬砌单元支护参数

表6各分段进路开挖前所受地应力

3.2模拟结果分析

在模型中还原各分段采动地压，当模型达到表6所示的采动地压值后进行进路开挖，并分别对两组方案进行支护和不支护对比研究，以确定两组进路方案的稳定性差异。

(1) 1595 m分段。

图6为1595 m分段在初始地压环境下采用两组进路方案分别进行数值模拟得到的结果。由图6可以看出，对两个方案中的进路进行支护后，二者均有较好的稳定性，但在未支护的情况下，方案一采用的直墙半圆拱进路的稳定性要更好，这说明在1595 m分段地压状态下，直墙半圆拱进路具有更好的自稳性。同时，考虑到1595 m分段的回采是金川矿区首次进行无底柱分段崩落采矿法工业试验，不确定因素较多。因此，为了确保试验的成功，推荐在1595 m分段采用稳定性更好的直墙半圆拱进路，掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m,采用单层喷锚网支护。

图6 1595 m分段地压下不同进路支护前后的位移 

(2) 1580 m分段。

图7为1580 m分段在采动地压环境下采用两组进路方案分别进行数值模拟得到的结果。由图7可以看出，两个进路方案此时均具有较好的稳定性，单从稳定性方面无法直接判别哪个方案更好。但是由于两个方案中的进路形状及尺寸发生改变，二者在施工效率和成本方面将出现较为明显的差异。据计算，直墙半圆拱进路的掘进断面面积为16.4 m2,喷砼周长为10.9 m,每个断面上的锚杆数为11个。而直墙三心拱进路的掘进断面面积为14.9 m2,喷砼周长为10 m,每个断面上的锚杆数为10个，可见在同样满足采矿需求的前提下，采用三心拱进路时掘进效率将更高，支护成本也将更低。此外，三心拱进路的高度更低，而拱肩部分的宽度则更大，从而越有利于崩落矿石的流动和放出[14],可满足1580 m分段大量出矿的生产需求。因此，推荐在1580 m分段采用直墙三心拱进路，掘进尺寸高×宽为3.8 m×4.4 m,采用单层喷锚网支护。

(3) 1565 m分段。

图8为1565 m分段在采动地压环境下采用两组进路方案分别进行数值模拟得到的结果，由图8可以看出，两个进路方案此时均具有较好的稳定性，但考虑到采用三心拱进路掘进效率更高、支护成本更低，且直墙三心拱也更有利于崩落矿石的流动和放出，可满足1565 m分段大量出矿的生产需求。因此，推荐在1565 m分段采用直墙三心拱进路，掘进尺寸高×宽为3.8 m×4.4 m,采用单层喷锚网支护。

图8 1565 m分段采动地压下不同进路支护前后的位移 

(4) 1546 m分段。

图9为1546 m分段在采动地压环境下采用两组进路方案分别进行数值模拟得到的结果，由图9可以看出，由于1546 m分段矿体承受巨大的水平集中应力，使得分段矿体发生较为明显的变形和破坏，在此状态下，直墙半圆拱进路的稳定性比直墙三心拱进路好。同时，当回采到1546 m分段时尽管垂直压力得到释放而降低，但此时矿层厚度也仅剩19 m,其承载能力将明显减弱，因此，为维持回采进路的稳定性，宜采用稳定性更好的直墙半圆拱进路。此外，1546 m分段是采场中的最后一个回采分段，该分段的回采效果将直接决定整个西二采区无底柱分段崩落采矿法的回采效果，因此，为了确保采场中的矿石能够在最末分段顺利采出，推荐在该分段采用直墙半圆拱进路，掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m,初定采用单层喷锚网支护，但当遇到矿体十分破碎时，则可改为双层喷锚网支护。

图9 1546 m分段采动地压下不同进路支护前后的位移 

根据上述研究结果，在西二采区无底柱分段崩落采矿法采场采动地压环境下，1595 m分段推荐采用掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m的直墙半圆拱进路，采用单层喷锚网支护；1580 m分段和1565 m分段推荐采用掘进尺寸高×宽为3.8 m×4.4 m的直墙三心拱进路，采用单层喷锚网支护；1546 m分段推荐采用掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m的直墙半圆拱进路，初定采用单层喷锚网支护，但当遇到矿体十分破碎时，则可改为双层喷锚网支护。

4、现场生产实践

龙首矿西二采区无底柱分段崩落采矿法采场1595 m分段于2018年年底开始进行回采进路的掘进工作，该分段回采进路采用直墙半圆拱形式，掘进高度为4.2 m,宽度为4.4 m。进路采用单层喷锚网支护，喷砼厚度为100 mm,喷砼强度等级为C20;金属网采用直径为6.5 mm的钢筋点焊而成，规格为1250 mm×2150 mm,网度为150 mm×150 mm;锚杆采用直径为18 mm的二级螺纹钢筋制作，长度为2250 mm,采用水泥砂浆全长锚固，锚杆排间距为1 m,该分段进路施工设计方案如图10(a)所示。1595 m分段于2019年5月投入生产，2020年7月回采结束，在整个分段生产周期内回采进路保持了较好的稳定性。首采分段诱导冒落形成覆盖层，采用总量控制的方式进行出矿，出矿量控制在崩落量的30%左右，最终该分段矿石回采率为28%,贫化率为4.5%,同时通过该分段回采顺利诱导顶板胶结充填体冒落形成覆盖层，表明在所设计的进路断面形式和尺寸下，1595 m分段回采达到了预期效果。

在1595 m分段回采过程中，下部的1580 m分段同时在进行进路的掘进工作，该分段回采进路采用直墙三心拱形式，掘进高度为3.8 m,宽度为4.4 m,采用单层喷锚网支护，支护参数与1595 m分段相同，该分段进路施工设计方案如图10(b)所示。该分段于2020年9月投入生产，2022年3月回采结束，在整个分段生产周期内回采进路保持了较好的稳定性，1580 m分段采用见废即停的低贫化出矿方式，最终该分段的矿石回采率达到了80.8%,贫化率为9.6%,表明在所设计的进路断面形式和尺寸下，1580 m分段取得了较好的矿石回采效果。

图10龙首矿西二采场崩落采矿法采场回采进路施工设计  

同样的，在1580 m分段回采过程中，下部的1565 m分段同时在进行进路的掘进工作，该分段回采进路采用直墙三心拱形式，掘进高度为3.8 m,宽度为4.4 m,采用单层喷锚网支护，支护参数与1580 m分段相同，该分段进路施工设计方案如图10(b)所示。该分段于2022年3月投入生产，目前该分段的回采尚未结束，回采过程中回采进路保持了较好的稳定性。由于上分段(1580 m分段)采用了低贫化放矿方式，因此，有较多脊部残留矿石在1565 m分段回采时能够以纯矿石方式放出，最终使得1565 m分段已回采区域的矿石回采率达到了103%,贫化率为8.5%,采场月产能达到了8万t,表明在所设计的进路断面形式和尺寸下，1565 m分段取得了较好的矿石回采效果。

目前1546 m分段即将进行回采进路的掘进工作，该分段设计的回采进路为直墙半圆拱形式，掘进高度为4.2 m,宽度为4.4 m,采用单层喷锚网支护，该分段进路施工设计方案如图10(a)所示。

图11为各分段回采进路的实拍照片，综合当前已回采分段的生产情况来看，研究成果在现场应用后取得了较好的成效，对于现场生产起到了良好的指导作用。

图11西二采区崩落采矿法采场各分段回采进路实拍照片 

5、结论

经过对龙首矿西二采区无底柱分段崩落采矿法回采过程中的地应力变化进行模拟研究，得到了崩落采矿法采场采动地压演化规律，并在采动地压环境下结合实际采矿需求，对各分段的进路断面形式及尺寸进行了优选，最终得到如下主要结论。

(1)在西二采区无底柱分段崩落采矿法逐分段回采过程中，采场的采动应力变化规律表现为水平应力逐步增大，而竖向应力逐步减小，且随着采深增大，下部待采分段矿体中水平应力的增加幅度和垂向应力的减小幅度也在不断增大，竖向应力最大减小幅度达到了68.2%,水平应力最大增加幅度达到了139%。

(2)结合西二采区崩落采矿法采场的采动地压变化规律以及各分段的实际采矿需求，研究得出1595 m分段可采用掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m的直墙半圆拱进路，采用单层喷锚网支护；1580 m分段和1565 m分段可采用掘进尺寸高×宽为3.8 m×4.4 m的直墙三心拱进路，采用单层喷锚网支护；1546 m分段可采用掘进尺寸高×宽为4.2 m×4.4 m的直墙半圆拱进路，初步采用单层喷锚网支护，但当遇到矿体十分破碎时，则可改为双层喷锚网支护。

(3)研究结果应用于现场之后，在确保采场稳定的同时，使分段矿石回采率分别达到了28%、80.8%、103%,贫化率仅分别为4.5%、9.6%、8.5%,下部分段采场月产能达到了8万t,研究成果对现场生产起到了良好的指导作用，后期还应结合最末分段水平应力大、矿体破碎的条件，进一步展开支护方式、支护参数及支护材料等方面的研究，以确保最末分段的采矿安全。

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文章来源:梁博,马国虎,谭宝会,钟立鹏,胡颖鹏,贾凯跃,张志贵.崩落法采动地压环境下采场进路断面形状及尺寸动态优选[J].矿业研究与开发,2023,43(08):26-35.