金属矿床地下开采是一个对矿岩不断开挖的过程，任何一项在岩(矿)体中的施工活动都会影响到岩(矿)体应力重新分布，矿山大面积开采后，在某一区域内形成应力集中是不可避免的^[1].国内外学者总结出了许多地压活动规律及控制方法，取得了显著的效果^[2].卸压技术是运用应力转移原理，将回采区的高应力通过一定的卸压措施转移到四周，使回采区域内的应力降低，是一种有效的地压控制措施.目前国内外常用的卸压方法主要有^[3]：周边卸压、巷道卸压和开采卸压.周边卸压是在被保护巷道和硐室内向其附近围岩实施的卸压措施，如切缝、钻孔或松动爆破等方法，来局部弱化围岩并调整围岩内的应力分布状态；巷道卸压法^{[4, 5, 6]}是在被保护巷道和硐室附近开掘卸压巷(槽)，最终使被保护巷道处于开掘卸压巷(槽)而形成的应力降低区内^[7]，同时也可以使岩体中积聚的弹性能得到释放；开采卸压是指通过矿体的回采来改变岩体中的应力场分布状态，从而使被保护巷道或采场处于应力降低区域而达到卸压的目的.

通过开采卸压达到地压控制的目的是最经济的，但并非所有采场都能实现开采卸压.随着矿山逐步进入深部开采，采场结构参数的逐步增大，采场矿量增加，高应力采场的可开采价值也越来越大.研究巷道卸压对地压控制方法和矿产资源的有效回收具有积极意义.本文以北洺河铁矿为研究背景，利用flac3d数值模拟的方法来研究卸压过程中应力迁变规律，以及不同卸压参数与卸压效果的关系，为卸压参数的确定寻求理论依据.

北洺河铁矿-95 m水平的4^#采场矿体稳定性较差，矿体上盘为奥陶纪灰岩，中等稳定，下盘远矿闪长岩稳定性较好，近矿闪长岩强烈蚀变，稳定性极差；在闪长岩与矿体之间分布一层矽卡岩，产状与矿体相近，厚度0.8~3 m，岩性松软破碎，极不稳定.虽然采取了喷锚网支护措施，但在施工过程中或施工后不久还是有多处发生片帮、塌冒(图1a).在巷道恢复过程中，采用了密集的U型金属支架进行强支护，支架间距0.5~0.8 m，仍未能控制围岩变形，支护结构很快承压，变形严重(图1b).

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 -95 m分段4#采场进路塌冒现场 Fig. 1 Failure of drift No. 4 stope at-95 m sublevel(a)—掘进后破坏； (b)—二次修复后破坏.

4^#采场北部的1^#采场已经回采，其西侧没有采场，4^#采场处已形成了半岛矿柱，应力高度集中.图2为上下分段的回采位置关系，-80 m分段的回采界线刚刚跨过-95 m分段4^#采场的3^#联巷，也就是说4^#采场大部分区域仍为承压区，上部高应力下传至4^#采场，加之采场巷道顶板的大面积软弱岩层的存在，是造成4^#采场巷道失稳变形难于控制的主要原因^[8].实践证明传统的强支已不能有效控制巷道变形，所以拟采用巷道卸压法降低4^#采场应力集中程度.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 -95 m分段4#采场平面图 Fig. 2 Plan of No. 4 stope at -95 m sublevel

采场上部卸压区多为致密的灰岩，卸压范围的大小影响着矿山生产和卸压成本.采用 flac3d数值模拟方法研究不同卸压参数与卸压效果的关系，确定合理的卸压参数.

崩落法采场由多条进路构成，但以多条进路建立模型研究起来比较复杂，而且研究卸压的关键点在于卸压后进路中应力变化的一般规律，所以，本文以单一回采进路作为研究对象.卸压工程主要由卸压工程底板距进路的距离(即分段高度)、垂直进路方向上的宽度(以下简称卸压宽度)及卸压工程的高度(以下简称卸压高度)控制，北洺河铁矿分段高度为15 m，回采进路尺寸为4.2 m×3.9 m，考虑到边界效应的影响，整个模型尺寸为80 m×70 m×100 m，共计33 297个节点，30 000个模块(图3).

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 卸压数值模型 Fig. 3 Numerical model of destressing

卸压工程高度分别为2，3，4，5 m，在每个高度条件下，卸压宽度分别为4，6，8，10 m，共16种开挖方案，模型边界条件为位移边界条件，采用库仑摩尔本构模型.在巷道顶板、仰拱处、底角和底板布置监测点^{[9, 10]}，监测最大主应力和剪应力随卸压宽度增加的变化规律.

卸压前，巷道两帮出现应力集中，最大压应力为23.3 MPa；在顶板和底板存在明显的拉应力区，底角和仰拱处最大剪应力达到了6.2 MPa.将卸压前后巷道顶板、仰拱处、底角和底板处的应力制作成折线图，如图4和图5所示.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 最大主应力随卸压参数的变化曲线 Fig. 4 Effect of destressing parameters on maximum principal stress(a)—顶板； (b)—仰拱; (c)—腰线； (d)—底角; (e)—底板.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 剪应力随卸压参数的变化曲线 Fig. 5 Effect of destressing parameters on shear stress(a)—仰拱； (b)—底角.

巷道仰拱、两帮、底角最大主应力都随卸压工程的开挖而减小，而巷道顶板和底板最大主应力随卸压工程的开挖而增加，巷道仰拱和底角的剪应力都随卸压工程的开挖而减小；当巷道底板处的卸压宽度超过6 m时，最大主应力随着卸压高度的增加而增加；其余部位的应力，在相同卸压宽度下，随卸压高度的变化近乎一条水平线；而在相同的卸压高度条件下，最大主应力和剪应力随卸压宽度的增加都有相对明显的变化.由此可见，卸压过程中卸压宽度对最大主应力和剪应力的变化起主要作用，而卸压高度影响很小.相同卸压参数条件下最大主应力减小幅度：仰拱>两帮>底角.进路底角和仰拱处的剪应力随卸压工程的开挖而降低，降低幅度差异性较大，进路底角处剪应力最大降低4.09%，而仰拱处最大降低39.8%，即卸压可有效降低仰拱处的剪应力，对底角处剪应力效果不明显.由此可见，卸压工程开挖，并不能对全部应力起到“卸压”作用，卸压对不同部位的应力集中程度有明显的选择性，如卸压工程开挖可有效缓解巷道仰拱、两帮和底角处的压应力集中程度，但顶底板的最大主应力随卸压工程的开挖而增加.所以卸压参数的选择要考虑巷道围岩的破坏条件和不同部位的受力特征，避免由于卸压使某些应力得到增加而成为危险应力.为达到有效卸压，卸压工程需超出保护区外缘适当宽度.在北洺河卸压条件下，为控制巷道顶底板压应力集中，超出巷道边界1~2 m即可达到较好的卸压效果.卸压高度对卸压效果影响较小，所以能满足凿岩设备和人员工作环境、卸压效果的需求即可.

根据数值模拟和-80 m分段回采界线的位置，将卸压范围投到-80 m分段，如图6所示，卸压区长度约90 m，宽度约54 m，超出各巷道边界2 m.采用北洺河铁矿开采小矿体常用的房柱法形成卸压区，具体卸压工程布置如下：在-80 m水平4^#采场南部(图6所示位置)施工联络巷与三条上山工程，间距为9.6 m，间柱为6 m，三条上山平行退采.卸压工程实施后，4^#采场位于上分段开采界线之内(已通过开采得到卸压)的部分进路采用U型拱架支护后，支护结构有较小变形，但不影响人员和设备通行，这部分矿石得以充分回收.采场其余进路支护后，也能顺利通过，但变形量大，矿岩破碎，回采时每排只钻凿2~3个炮孔即可达到有效爆破，采取快退快采的方式进行回收，共计回采矿石15万t.可见卸压后，应力集中程度大幅降低，基本达到了预期卸压效果，回采效果及围岩变形量表明，卸压越及时，卸压效果越明显.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 卸压工程范围及布置 Fig. 6 Destressing region and layout

1) 巷道卸压可明显降低巷道仰拱、两帮和底角处的压应力集中程度，以及仰拱处的剪应力.在北洺河矿岩及巷道和卸压位置条件下，卸压对巷道仰拱处卸压作用最为明显，对巷道两帮、底角处的卸压作用依次减弱.

2) 卸压宽度对卸压效果影响显著，卸压高度影响较小.北洺河铁矿的卸压工程超出巷道边界1~2 m即可达到较好的卸压效果，卸压高度根据凿岩设备作业条件确定.

3) 北洺河铁矿卸压实施效果表明，卸压越及时，卸压效果越好.