鄒文

(九龍縣雅礱江礦業(yè)有限責(zé)任公司， 四川 甘孜州 626201)

0 引言

隨著礦山開拓、采切、回采作業(yè)等采礦工程向深部進(jìn)行，不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的地應(yīng)力直接關(guān)系著回采作業(yè)安全，地應(yīng)力分布還決定了采場布置的數(shù)量和時空關(guān)系。國內(nèi)多數(shù)礦山常采用經(jīng)驗(yàn)法參考類似礦山不同埋深、不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的地應(yīng)力情況[1-2]，但不同礦山的地應(yīng)力分布受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體力學(xué)性質(zhì)、礦體完整性等多因素的綜合影響，直接參照同類礦山數(shù)據(jù)往往導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)過程中地應(yīng)力過大，采場失穩(wěn)破壞，造成人員、設(shè)備安全事故及資源的浪費(fèi)，因此，需要針對不同礦山的特征，科學(xué)分析、計算與之相適應(yīng)的地應(yīng)力數(shù)值，確保采場的穩(wěn)定性，保障礦山的安全生產(chǎn)[2-3]。

理論分析[4-6]可以通過構(gòu)建力學(xué)模型，分析采場的失穩(wěn)臨界點(diǎn)，從而確定不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下安全合理的地應(yīng)力分布。相似試驗(yàn)法[7-8]通過構(gòu)建相似的采場環(huán)境，設(shè)計不同結(jié)構(gòu)參數(shù)采場，直接判斷采場的穩(wěn)定狀態(tài)及破壞形式，從而給出最佳的地應(yīng)力分布形態(tài)及最大地應(yīng)力。現(xiàn)場監(jiān)測法[9-10]則利用監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測井下采場的頂?shù)装宄两档汝P(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過收集異樣數(shù)據(jù)以判定采場的失穩(wěn)破壞形態(tài)，給地應(yīng)力規(guī)律的研究提供參考。上述方式對于采場地應(yīng)力的確定起到了積極有效的作用，但由于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，地應(yīng)力分布也隨之有較大變化，單一方式無法完全還原實(shí)際的應(yīng)力環(huán)境，故本文通過3D-σ有限元法[3,11-14]，構(gòu)建三維模型，模擬采場在不同埋深、不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的穩(wěn)固情況，判斷最佳的地應(yīng)力范圍，進(jìn)而保證回采作業(yè)中的安全。

1 工程背景

黑牛洞銅礦是川西高品位銅礦山，為典型的露頭藏身的隱伏礦體，總體為傾向南西的單斜構(gòu)造，走向長度約600 m，傾向長度約700 m，埋深為 200～1000 m，屬于緩傾斜中厚礦體，地質(zhì)條件中等[15]。

該銅礦采用房柱法進(jìn)行地下開采，目前主要生產(chǎn)中段為2995中段、3210中段、3250中段及3295中段。礦體頂板為云母片巖，存在遇水弱化現(xiàn)象，實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于埋深過大，加之采場結(jié)構(gòu)參數(shù)選取未充分考慮地應(yīng)力分布、采場穩(wěn)固性差別等因素，導(dǎo)致多數(shù)礦房在開采過程中發(fā)生頂板及圍巖冒落垮塌，造成了較為嚴(yán)重的安全隱患及資源的 浪費(fèi)，急需探尋地應(yīng)力分布特征，采取相應(yīng)的安全措施。

在深部地應(yīng)力較大及淺部礦體破碎帶附近，自拉底巷掘進(jìn)數(shù)米切割上山后，頂部即發(fā)生冒落垮塌情況，所留礦房及礦柱難以回收。通過對垮塌采場分析可知，隨著埋深的加深，采場的地應(yīng)力亦隨之增大，加之空場法回采后的應(yīng)力重分布，使得區(qū)域內(nèi)存在較大的地應(yīng)力，從而導(dǎo)致整個區(qū)域礦巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力愈發(fā)復(fù)雜，繼續(xù)沿用原結(jié)構(gòu)參數(shù)回采將加大上盤礦巖垮塌的風(fēng)險，難以保證安全作業(yè)。因此，需分析該銅礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)，開展采場不同結(jié)構(gòu) 參數(shù)下安全地應(yīng)力的分布范圍，確定各中段采場的布置形式，以解決現(xiàn)有采場難以開采的問題。

2 計算分析

本文選用3D-σ有限元分析軟件，添加真實(shí)的礦巖物理力學(xué)參數(shù)，基于Hoek-Brown準(zhǔn)則，簡化構(gòu)建采場有限元模型并計算，以比較不同埋深和不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下的地應(yīng)力分布情況，為采礦決策提供依據(jù)[15-16]。

2.1 計算方案

選取重點(diǎn)研究礦段，建立不同埋深下的采場模型，分析其穩(wěn)固性及地應(yīng)力大小。原始采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：一個礦塊分為5個采場，采場垂直走向布置，礦房寬度W1為9 m，礦柱為連續(xù)條柱，寬度W2為3 m，后期視采場穩(wěn)固性將條柱擴(kuò)刷為點(diǎn)柱?；诘V體賦存特征和工程實(shí)際，建立埋深H自200～1000 m下不同礦房、礦柱寬度參數(shù)的有限元模型，具體比較方案見表1。

表1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬比較方案

2.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)巖石類型(mi值)、巖體分級RMR值、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度GSI值、巖石單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo) 和相關(guān)的特征參數(shù)，對該銅礦的5種主要巖石進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)的弱化處理。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 弱化處理后的巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 計算模型

（1）由于開采過程為采二留一，為確保分析模型的準(zhǔn)確性，建立尺寸為開采范圍4～5倍的單元模型，礦體模型走向方向?yàn)?50 m，垂直礦體走向上為400 m，礦體高度為200 m，即計算模型的尺寸為400 m×350 m×200 m。

（2）模型邊界約束。計算模型頂部主要受上部礦巖的均布荷載，具體大小與礦體埋深有關(guān)：σv=λ×h，λ為巖體密度，h為埋藏深度。根據(jù)礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)，分析軟件可根據(jù)表1中參數(shù)自動施加側(cè)壓力，從而完成計算模型的邊界約束，具體模型見圖1。

圖1 帶約束條件的力學(xué)模型

（3）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分是保證有限元模 型計算準(zhǔn)確的重要因素。較大網(wǎng)格參數(shù)往往會導(dǎo)致計算結(jié)果難以貼近真實(shí)情況，而過密的網(wǎng)格也會增加軟件的計算時間，故本文采用20節(jié)點(diǎn)的高精度等參單元離散模型網(wǎng)絡(luò)。整個模型共有12 017個單元，劃分好的網(wǎng)格的單元模型見圖2。

圖2 有限元計算模型初始單元網(wǎng)格

（4）巖體力學(xué)參數(shù)及屈服準(zhǔn)則。巖體力學(xué)參數(shù)取值見表2，采用巖土工程領(lǐng)域廣泛使用的Drucker-prager塑性屈服準(zhǔn)則。

（5）模型開挖。在計算模型開挖前，錄入初始條件，完成初始應(yīng)力的計算，然后模擬條柱間礦房的開挖，從而分析礦房采場及礦柱的應(yīng)力分布和穩(wěn)定情況。

3 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬不僅可以模擬房柱法的整個開采過程，還能實(shí)時記錄自開挖前至開挖后的應(yīng)力變化，從而給出巖體各個方向應(yīng)力的持續(xù)變化情況，由此判斷采場失穩(wěn)破壞的時刻及應(yīng)力大小，提供采場失 穩(wěn)破壞的具體特征及不同埋深、不同采場參數(shù)下的地應(yīng)力規(guī)律。由于巖體的抗壓強(qiáng)度＞抗剪強(qiáng)度＞抗拉強(qiáng)度，且現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該銅礦礦房采場主要受拉破壞，選擇最大抗拉強(qiáng)度作為礦房采場失穩(wěn)的主要判斷依據(jù)，最大抗壓強(qiáng)度作為條柱的主要判斷依據(jù)，并以此時的地應(yīng)力作為該埋深下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的最大地應(yīng)力。

3.1 方案A-方案D數(shù)值模擬計算結(jié)果

方案A-方案D的數(shù)值模擬計算主要用于分析現(xiàn)有采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下采場的受力情況，驗(yàn)證數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際破壞情況是否一致。建立W1為9 m，W2為3 m的單元模型，施加埋深在200～800 m下的地應(yīng)力，計算不同埋深條件下的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，計算結(jié)構(gòu)見表3。根據(jù)應(yīng)力分布云圖，判斷采場的破壞失穩(wěn)位置，以驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。因篇幅限制，本文僅給出方案A的模擬結(jié)果，見圖3。

圖3 方案A（埋深200 m）模擬計算結(jié)果

各方案隨埋深變化的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力曲線見圖4。結(jié)合模擬數(shù)據(jù)及應(yīng)力變化可以看出，隨埋深增加，模型的三向應(yīng)力均隨之增大。

圖4 現(xiàn)有參數(shù)下采場圍巖最大壓/拉應(yīng)力隨埋藏深度變化曲線

（1）從表3可以看出，采場埋深位于200 m時，頂板區(qū)域的拉應(yīng)力大于礦石抗拉強(qiáng)度（0.568 MPa），采場頂板出現(xiàn)失穩(wěn)區(qū)域，但小于圍巖的抗拉強(qiáng)度（1.355 MPa），因此頂板拉伸破壞區(qū)域不會與圍巖連接貫通，空場不會發(fā)生大面積冒落事故，局部區(qū)域采用錨網(wǎng)支護(hù)可以保障采場的安全開采。條柱的壓應(yīng)力未超過其抗壓強(qiáng)度，故礦柱無失穩(wěn)風(fēng)險，為后續(xù)的擴(kuò)刷等提供了較為安全的作業(yè)條件。

表3 方案A-方案D的模擬計算應(yīng)力值結(jié)果/MPa

（2）采場埋深位于400 m時，空場、條柱的應(yīng)力值均已超過礦巖的最大強(qiáng)度值，采場處于危險狀態(tài)，可能會發(fā)生空區(qū)大面積冒落，支護(hù)失效，條柱會發(fā)生崩角、開裂等情況，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)下，采場地應(yīng)力較大，難以安全開采400 m及以下埋深的礦體。

綜上分析，選用礦房9 m寬，條柱3 m寬的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，模擬結(jié)果與實(shí)際相符。同時，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)參數(shù)下，采場地應(yīng)力分布較差，難以適用于深部的采場開采。為保證井下采場地應(yīng)力分布的均勻性及采場的安全穩(wěn)固，在開采200～300 m埋深的礦體時宜選用該參數(shù)，但需注意局部失穩(wěn)區(qū)域，并增加該區(qū)域的支護(hù)措施。

3.2 方案E-方案H數(shù)值模擬計算結(jié)果

結(jié)合方案A-方案D的模擬結(jié)果，減小礦房采場的寬度，建立礦房寬度為7 m、礦柱寬度為3 m的單元模型，分析中上部礦段采場的穩(wěn)固性情況，判斷不同埋深下的地應(yīng)力分布及各方案具體破壞程度，方案E-方案H的應(yīng)力狀況見表4。

表4 方案E-方案H的模擬計算應(yīng)力值/MPa

各方案隨埋深變化的最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力曲線見圖5。由圖5可以看出，埋深超過400 m后，采場及頂?shù)字膽?yīng)力增加趨勢擴(kuò)大，進(jìn)一步驗(yàn)證埋深增加會伴隨著地應(yīng)力的非線性增大。

圖5 中上部礦段采場圍巖最大壓/拉應(yīng)力隨埋藏深度變化曲線

（1）減小了礦房采場的寬度后，空區(qū)頂板的 拉應(yīng)力小于圍巖的抗拉強(qiáng)度，但超過了礦體的抗拉強(qiáng)度。與方案A類似，采場局部區(qū)域發(fā)生失穩(wěn)破壞，存在冒頂情況，但由于縮小了采場寬度，采場頂部的拉應(yīng)力明顯小于方案A（1.213 MPa），故失穩(wěn)區(qū)域較小，安全風(fēng)險較低。同樣的，條柱地應(yīng)力分布相對較好，其壓應(yīng)力未超過礦石抗壓強(qiáng)度，采場處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）當(dāng)采場埋深達(dá)到400 m時，可以看出采場拉應(yīng)力（1.657 MPa）超過礦巖的最大抗拉強(qiáng)度，采場穩(wěn)定性大幅下降。因?yàn)榈V柱的壓應(yīng)力未超過抗壓強(qiáng)度，此時位于400 m埋深下開采生產(chǎn)仍可接受，但周邊地應(yīng)力分布較大，需增加相應(yīng)的支護(hù)措施，避免采場的大面積失穩(wěn)。

（3）當(dāng)采場埋深超過600 m時，采場地應(yīng)力分布較差，采場頂板、礦柱所受應(yīng)力均超過了失穩(wěn)的臨界值，空區(qū)將發(fā)生大面積垮塌，礦柱出現(xiàn)大裂紋，難以支撐兩側(cè)空區(qū)。

綜上所述，當(dāng)將礦房寬度縮短至7 m時，采場地應(yīng)力有了一定的改善，但結(jié)合礦巖特性，其地應(yīng)力在200～400 m范圍內(nèi)有較好的分布，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均未超過破壞的臨界值，采場可以穩(wěn)定開采。局部地方巖性較好時，可以在500 m埋深下開采。中下部及深部礦體的安全開采仍需進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，以調(diào)整地應(yīng)力分布。

3.3 方案I-方案L數(shù)值模擬計算結(jié)果

根據(jù)上述分析，礦柱寬度為3 m，埋深位于400 m時，采場失穩(wěn)，礦柱局部破壞情況較為明顯，故將條柱寬度擴(kuò)大至5 m，選用7 m寬礦房和5 m寬條柱的采場結(jié)構(gòu)，以控制井下地應(yīng)力。為提高研究效率，僅研究模擬分析埋深為400～1000 m的采場，具體結(jié)果見表5。

表5 方案I-方案L的模擬計算應(yīng)力值/MPa

（1）由于增加了礦柱的寬度，礦房采場的應(yīng)力分布有了明顯的改善，當(dāng)采場埋深位為400 m時，采場頂板的拉應(yīng)力（1.111 MPa）雖超過了礦石的抗拉強(qiáng)度，但小于圍巖的最大抗拉強(qiáng)度，僅發(fā)生局部冒落，且礦柱能較好的維持穩(wěn)定?？梢源_定，該采場參數(shù)下的采場各應(yīng)力分布相對均勻合理，采場可安全開采。

（2）當(dāng)采場埋深位為600 m時，采場頂板的拉應(yīng)力達(dá)到1.670 MPa，礦柱內(nèi)的壓應(yīng)力為34.873 MPa，拉壓應(yīng)力均超過礦巖的極限強(qiáng)度，井下地應(yīng)力狀況較差，存在采場出現(xiàn)大面積破壞失穩(wěn)的風(fēng)險。

（3）而當(dāng)采場埋深為600 m時，空場頂板及礦柱的壓、拉應(yīng)力均超過了礦巖的極限強(qiáng)度值，此時開采已經(jīng)難以保證采場的穩(wěn)定。特別地，當(dāng)埋深超過800 m時，模型的應(yīng)力分布進(jìn)一步惡化，礦房7 m +礦柱5 m的采場結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)“即掘即垮”的現(xiàn)象，無法安全開采。

圖6 中下部結(jié)構(gòu)采場圍巖最大壓/拉應(yīng)力隨埋藏深度變化曲線

綜合分析認(rèn)為，設(shè)計礦房7 m +礦柱5 m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，其采場地應(yīng)力僅允許在400～600 m埋深下進(jìn)行開采活動。由于房柱法回采時，工人需暴露在空場下作業(yè)，當(dāng)埋深達(dá)600 m時，上述結(jié)構(gòu)參數(shù)仍會造成采場的局部失穩(wěn)，對于礦巖不穩(wěn)固的厚大礦段，地應(yīng)力分布更差，需做好支護(hù)加固工作或更改采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.4 方案M-方案P數(shù)值模擬計算結(jié)果

為高效安全地回采深部礦體，改善深部采場的地應(yīng)力分布情況，進(jìn)一步縮小礦房寬度，選用5 m礦房+5 m條柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬深部礦體的采場開采穩(wěn)定性，建立相應(yīng)的有限元模型，模擬400～1000 m埋深下采場的穩(wěn)固狀態(tài)，具體結(jié)果見表6。

表6 方案M-方案P的模擬計算應(yīng)力值/MPa

由圖7可知，采場頂?shù)装寮傲粼O(shè)的條柱所受的應(yīng)力均隨埋深的增加而增大，當(dāng)?shù)V體埋深超過400 m時，應(yīng)力增幅擴(kuò)大。由此可知，深部礦體所處地應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)是保障安全生產(chǎn)的重要因素。

圖7 深部礦體結(jié)構(gòu)采場周巖最大壓/拉應(yīng)力隨埋藏深度變化曲線

（1）從模擬結(jié)果可知，當(dāng)?shù)V房寬度變?yōu)? m后，礦柱支撐空區(qū)的能力大幅增加，礦體埋深位為400 m時，采場頂部未出現(xiàn)失穩(wěn)破壞區(qū)域，此時采場處于十分穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)增加礦體埋深至600 m時，采場應(yīng)力分布情況明顯優(yōu)于方案J及方案K，采場頂板的拉應(yīng)力略微超過礦石的最大抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)小于圍巖的抗拉強(qiáng)度，局部區(qū)域會因拉伸破壞而造成小范圍冒落，采用普通的錨網(wǎng)支護(hù)能有效控制采場頂板，確保生產(chǎn)的安全。

（2）而當(dāng)采場埋深為800 m時，采場頂部的拉應(yīng)力（1.004 MPa）遠(yuǎn)高為600 m埋深時的應(yīng)力（0.783 MPa）。同時，礦柱所受壓應(yīng)力超過礦石的單軸抗壓強(qiáng)度（32.794 MPa），此時礦柱會發(fā)生壓縮破壞，產(chǎn)生縱向裂縫，但由于采場頂部應(yīng)力未超過圍巖的極限抗拉強(qiáng)度，采場不會出現(xiàn)大面積的冒落現(xiàn)象，需加強(qiáng)失穩(wěn)區(qū)域的支護(hù)工作，以保證采場的穩(wěn)定性。

（4）當(dāng)采場埋深為1000 m時，受礦體埋深的影響，采場及礦柱所受的地應(yīng)力進(jìn)一步增加，礦柱破壞情況加劇，但采場頂板抗拉強(qiáng)度仍未超過圍巖最大抗拉強(qiáng)度，兩側(cè)采場穩(wěn)固性進(jìn)一步惡化?？傮w而言，采場仍處于穩(wěn)固狀態(tài)，但支護(hù)成本增加。

礦體埋深超過600 m后，地應(yīng)力進(jìn)步增加，采場面臨較大的地應(yīng)力，需嚴(yán)格控制采場的暴露空間。采用礦房5 m+礦柱5 m的采場結(jié)構(gòu)后，采場地應(yīng)力分布大為改善，拉、壓應(yīng)力值明顯優(yōu)于7 m及9 m的采場結(jié)構(gòu)方案。

4 結(jié)論

綜上分析，采場安全開采的影響因素眾多，其中最為重要的為礦體的埋藏深度。埋深的大小直接影響礦體周邊的應(yīng)力環(huán)境，不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)下，其能承受的地應(yīng)力大小也不盡相同，數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，隨著埋深的增加，采場的最大拉壓應(yīng)力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)均隨之增大。具體結(jié)論如下：

（1）大礦房小礦柱結(jié)構(gòu)參數(shù)所能承受的地應(yīng)力較小，以礦巖的最大抗拉強(qiáng)度為破壞標(biāo)準(zhǔn)，礦體埋深小于200 m時，9 m+3 m的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)較為合理，采場可安全回采；

（2）當(dāng)?shù)V體埋深介于200～400 m時，礦體地應(yīng)力增加，7 m+3 m的采場結(jié)構(gòu)在能承受地應(yīng)力的同時，可最大限度地開采礦石；

（3）埋深超過400 m后，地應(yīng)力進(jìn)一步增加，此時需進(jìn)一步增加礦柱寬度，7 m+5 m的采場結(jié)構(gòu)較為適宜于中下部礦段的開采；

（4）礦體向深部延伸時，采場地應(yīng)力較大，較小的采場參數(shù)難以保證礦石的安全開采，針對其地應(yīng)力特征，宜選用5 m+5 m的采場結(jié)構(gòu)，為避免地應(yīng)力過大而發(fā)生采場失穩(wěn)破壞，需嚴(yán)格控制采場暴露空間，加強(qiáng)頂板管理，以控制地應(yīng)力，達(dá)到安全開采的目的。