馬相松

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650231)

0 引 言

在礦山開采過程中，礦體的開挖必然會(huì)形成大量的地下采空區(qū)，嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)和安全，進(jìn)而對(duì)周邊圍巖和地表產(chǎn)生影響；有時(shí)加上無秩序、無規(guī)劃的開采，造成空區(qū)周邊留設(shè)大量不合理的無法回采的礦柱，同時(shí)還破壞和浪費(fèi)了寶貴的礦石資源， 因此合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)布置和采空區(qū)穩(wěn)定性研究對(duì)于指導(dǎo)控制采場(chǎng)地壓、維持采場(chǎng)穩(wěn)定和控制地表沉降及塌陷方面顯得尤為重要[1]。本文采用數(shù)值模擬方法分析三維立體分析采場(chǎng)頂板巖層的塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布規(guī)律及其變形程度。

某銅礦上部礦體距離地表較近，而地表又不允許出現(xiàn)明顯變形塌陷，故而對(duì)井下礦體開采有一定的制約性。因此，本礦床的采礦方法能否有效地控制該礦山地下開采對(duì)地表產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析。該礦采用的是淺孔留礦嗣后充填法，本文通過FLAC3D數(shù)值模擬，根據(jù)其賦存條件、巖體力學(xué)特性、采空區(qū)分布等現(xiàn)狀基本情況，建立三維數(shù)值模擬計(jì)算模型，來計(jì)算分析論證在該采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，地下采空區(qū)對(duì)地表的穩(wěn)定性是否產(chǎn)生影響。

1 工程地質(zhì)概況

礦區(qū)地處云貴高原北部，屬高原山區(qū)，北臨資江，南達(dá)德羅山頂，為深切割峽谷地貌?？傮w地形特征表現(xiàn)為南部高北部低、中部高東西兩側(cè)低，南部海拔一般為 2 000～3 000 m。區(qū)內(nèi)山高、谷深、坡陡，地勢(shì)十分險(xiǎn)峻，平均坡度在20～30°，靠近河流、沖溝的谷地部位，地形坡度可達(dá)50～70°。

礦區(qū)出露地層主要為中甘陽群黑山組第一至第二段以及青龍山組。地層由下而上劃分如下：

1)黑山組一段(Pt2kn2h1)，在東部、中部、西部均有分布，巖性為灰-青灰色中厚層狀灰?guī)r、白云巖。與上覆黑山組第二段整合接觸。

2)黑山組二段(Pt2kn2h2)，在礦區(qū)東部、中部、西部均有分布，薄層狀炭質(zhì)板巖：黑色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)、板狀構(gòu)造。

3)青龍山組(Pt2kn2q)，環(huán)繞黑山組二段分布，巖性為灰-青灰色厚層-塊狀白云巖，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，厚層狀、塊狀構(gòu)造。其中灰白色中厚層狀硅化白云巖為該銅礦的主要賦礦層位[2]。

4)大營(yíng)盤組(Pt2kn3d)，巖性為灰黑色絹云板巖夾炭質(zhì)板巖，頂部夾泥灰?guī)r、砂巖，底部夾多層基性火山巖，底為鐵質(zhì)板巖、礫巖[2]。

通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查，礦體巖體質(zhì)量中等偏上，巖性條件好，巖石微風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，節(jié)理裂隙多呈閉合狀，巖性好，巖石平均抗壓強(qiáng)度 87.7 MPa，平均抗拉強(qiáng)度 8.2 MPa，礦石堅(jiān)硬，礦層完整性較好，屬于穩(wěn)固的巖體。礦區(qū)礦體頂、底板巖層質(zhì)量好，巖石微風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，節(jié)理裂隙多呈閉合狀，巖性好，巖石抗壓強(qiáng)度83.4～118.9 MPa，抗拉強(qiáng)度7.7～9.4 MPa，巖石堅(jiān)硬，礦體頂?shù)装鍘r層完整性好，屬于中等穩(wěn)固偏上巖體。

圖1 采場(chǎng)布置Fig.1 Stope layout

2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸

為適應(yīng)該銅礦礦體薄至中厚、急傾斜的賦存條件，需要選擇地壓管理安全方便的采礦方法，采用合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸是保證回采過程中采場(chǎng)頂板及地表穩(wěn)定安全的第一步措施[3]。

淺孔留礦空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：采場(chǎng)沿走向布置，沿走向長(zhǎng) 50 m，中段高度 120 m，上分段高 60 m，下分段高 60 m，礦房長(zhǎng) 44 m，間柱寬 6 m，頂?shù)字?12 m(圖1)。

充填體特性：采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)處于采場(chǎng)主要位置，對(duì)底部結(jié)構(gòu)充填體強(qiáng)度比采空區(qū)充填體強(qiáng)度要適當(dāng)提高，采用灰砂比1∶4的膠結(jié)充填體，強(qiáng)度要求 14 d>2 MPa。而采空區(qū)的充填體強(qiáng)度采用1∶25的膠結(jié)充填體，強(qiáng)度要求 28 d> 0.15 MPa。

根據(jù)采礦方法的要求同時(shí)兼顧到充填成本，該礦在上、下中段間采用先采下中段、后采上中段的開采順序，在分段上亦采用首先采下分段后采上分段的回采順序。每個(gè)采場(chǎng)回采結(jié)束后，及時(shí)對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填。

該銅礦礦區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)根據(jù)中南大學(xué)和江蘇華東地質(zhì)調(diào)查有限責(zé)任公司于2019年9月提交的《某銅礦采空區(qū)調(diào)查及穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)報(bào)告》的研究成果進(jìn)行選取，巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

圖2 三維數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.2 3D numerical simulation calculation model

圖3 采場(chǎng)布置形態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of stope layout

3 地下開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響分析

深部原生礦頂部距離地表埋深152～203 m，為進(jìn)一步驗(yàn)證地表及圍巖穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)建立了包括地表的整體模型，采用FLAC3D進(jìn)行了地表、采場(chǎng)頂板及礦柱穩(wěn)定性的模擬計(jì)算；分析論證空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ暮侠硇院烷_采過程中的地表安全保障性。

3.1 計(jì)算模型的建立

為了滿足計(jì)算分析內(nèi)容的要求，本次計(jì)算采用的數(shù)值模型尺寸范圍盡可能地按照地表地形和采場(chǎng)實(shí)際形態(tài)建立。本次模擬計(jì)算采用莫爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。模型共劃分 852 924 個(gè)單元體、880 650 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖2、3所示。

圖4 890～1 010 m中段之間礦體開挖后， 采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布云圖Fig.4 After excavation of ore body between 890 m and 1 010 m,cloud chart of plastic zone distribution of stope surrounding rock

3.2 計(jì)算分析內(nèi)容

為了顯示地下開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響狀況，本次分2階段用FLAC3D來模擬礦體開挖形成采空區(qū)后，采場(chǎng)頂板巖層和地表變形與應(yīng)力變化發(fā)展趨勢(shì)。模擬地下開采順序步驟如下：

第一步890 m 中段至1 010 m 中段之間礦體開挖后，地下開采對(duì)地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析。

第二步1 010 m 中段至1 120 m 中段之間礦體開挖后，地下開采對(duì)地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析。

3.3 890～1 010 m 中段之間礦體開挖后，地下開采對(duì)地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析

礦體被開挖后，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭受破壞，應(yīng)力重新分布，造成圍巖和礦柱應(yīng)力集中，維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定性主要是依靠圍巖、充填體及礦柱自身強(qiáng)度來控制采場(chǎng)跨度并支撐采場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)。

1)巖體進(jìn)入塑性區(qū)后，其強(qiáng)度和承載能力將會(huì)大大降低。因此，采場(chǎng)塑性區(qū)的大小是判斷其穩(wěn)定性的一個(gè)重要標(biāo)志。從塑性區(qū)分布云圖4～10可以得出：890～1 010 m 中段之間礦體開挖后，地表也未出現(xiàn)塑性擾動(dòng)區(qū)；對(duì)于采空區(qū)頂板及上下盤圍巖而言，頂板產(chǎn)生了 15 m 高的塑性區(qū)高度，上盤基本未產(chǎn)生塑性區(qū)，下盤圍巖則產(chǎn)生了一定寬度的處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)的塑性區(qū)承壓帶，寬度為 35 m 左右，圍巖會(huì)出現(xiàn)有限范圍的破壞開裂，說明890～1 010 m 中段之間礦體開挖后引起上下盤產(chǎn)生的塑性擾動(dòng)區(qū)是非常有限的，并未波及貫通到地表，不會(huì)對(duì)地表的穩(wěn)定造成影響。同時(shí)空區(qū)嗣后充填后，使采空區(qū)及時(shí)得到支撐，限制圍巖和礦柱變形的發(fā)展，減小滯后充填產(chǎn)生的頂板壓力，會(huì)大幅度減少塑性擾動(dòng)區(qū)的出現(xiàn)(圖6)，極大地保證了工作面的安全以及降低了地層和地表的下沉程度。

圖5 890～1 010 m中段之間礦體開挖后， 地表塑性區(qū)分布云圖Fig.5 After excavation of ore body between 890 m and 1 010 m, cloud chart of plastic zone distribution of surface

圖6 890～1 010 m中段之間空區(qū)充填后，采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布云圖Fig.6 After goaf filling between 890 m and1 010 m, cloud chart of plastic zonedistribution of stope surrounding rock

2)從頂板和地表下沉位移變形圖7、8可以看出：采場(chǎng)頂板的變形基本呈現(xiàn)拱形效應(yīng)，頂板整體最大下沉位移值為 4 cm，頂板下沉變形量較小，基本處于可控范圍；地表最大下沉位移值為 1.3 cm(圖7)，數(shù)值很小，對(duì)地表基本無影響。由此可見，現(xiàn)有的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸布置較為合理，采場(chǎng)頂板自穩(wěn)能力較強(qiáng)，穩(wěn)固性較高，充填后安全保障性更高。

3)地下采空區(qū)形成后，會(huì)引起采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布，從最大壓應(yīng)力分布云圖9、10可以看出：采場(chǎng)礦柱出現(xiàn)了應(yīng)力集中，礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為 22 MPa 左右，處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)；采場(chǎng)頂板及周邊圍巖所承受的壓應(yīng)力為4～24 MPa 之間，在采場(chǎng)下盤周邊界角隅處，則出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力最大值為 24 MPa。充填體所承受的壓應(yīng)力為 0.078 MPa 左右。

3.4 1 010～1 120 m 中段之間礦體開挖后，地下開采對(duì)地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析

圖11 1 010～1 120 m中段之間礦體開挖后， 采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布云圖Fig.11 After excavation of ore body between 1 010 m and 1 120 m, cloud chart of plastic zone distribution of stope surrounding rock

1)從塑性區(qū)分布云圖(圖11—17)可以得出：1 010～1 120 m 中段之間礦體開挖后，地表也未出現(xiàn)塑性擾動(dòng)區(qū)；對(duì)于采空區(qū)頂板及上下盤圍巖而言，頂板只是產(chǎn)生了零星的塑性區(qū)，上盤基本未產(chǎn)生塑性區(qū)，下盤圍巖則產(chǎn)生了一定寬度的處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)的塑性區(qū)承壓帶，寬度為 15 m 左右，圍巖會(huì)出現(xiàn)有限范圍的破壞開裂，說明 1 010～1 120 m 中段之間礦體開挖后引起上下盤產(chǎn)生的塑性擾動(dòng)區(qū)也是非常有限的，并未波及分布到地表，不會(huì)對(duì)地表的穩(wěn)定造成影響。同時(shí)空區(qū)嗣后充填后，會(huì)抑制采場(chǎng)頂板的變形，會(huì)大幅度減少塑性擾動(dòng)區(qū)的出現(xiàn)(圖12)，極大地保證了工作面的安全以及降低了地層和地表的下沉程度。

2)從頂板和地表下沉位移變形圖(圖14、15)可以看出：采場(chǎng)頂板的變形基本呈現(xiàn)拱形效應(yīng)，頂板整體最大下沉位移值為 5 cm(圖15)，頂板下沉變形量較小，基本處于可控范圍；地表最大下沉位移值為 1.8 cm(圖14)，下沉位移值很小，對(duì)地表擾動(dòng)影響很小，通過模擬分析可知，現(xiàn)有的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸布置合理，采空區(qū)周邊圍巖和礦柱巖性好、自穩(wěn)能力較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)地表的穩(wěn)定，充填后安全保障性更高。

3)地下采空區(qū)形成后，會(huì)引起采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布，從最大壓應(yīng)力分布云圖(圖16、17)可以看出：采場(chǎng)礦柱出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為 26 MPa 左右，處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)；采場(chǎng)頂板及周邊圍巖所承受的壓應(yīng)力為6～14 MPa 之間。充填體所承受的壓應(yīng)力為 0.011 MPa 左右。

圖12 1 010～1 120 m中段之間空區(qū)充填后，采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布云圖 圖13 1 010～1 120 m中段之間礦體開挖后，地表塑性區(qū)分布云圖照片

4 結(jié) 語

綜合以上模擬計(jì)算分析，可得到如下結(jié)論。

1)該銅礦礦體厚度薄，開挖后形成的采空區(qū)跨度有限，不足以引起頂板巖層產(chǎn)生大范圍垮塌冒落，模擬計(jì)算顯示：頂板產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍非常有限，未波及影響到地表，不會(huì)對(duì)地表穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

2)每個(gè)中段回采以后，地表下沉變形量都很小，在 2 cm 以內(nèi)，此時(shí)的地表整體上處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。由此說明地下開采不會(huì)對(duì)地表造成影響，現(xiàn)有的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸布置合理，能夠控制采場(chǎng)頂板的下沉變形，采場(chǎng)圍巖和礦柱穩(wěn)固性較高，安全有一定保障性。

3)雖然分析結(jié)果表明地表下沉變形量都很小，地表處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是為了更加有效地控制采場(chǎng)地壓，建議采空區(qū)還是要嗣后充填，可阻止頂板變形破壞的發(fā)展。

4)礦體回采過程中盡可能地采取強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充和“跳采”的開采措施，縮短礦柱的暴露時(shí)間，降低采場(chǎng)的跨度，這樣可大幅度防止頂板下沉變形，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)地壓的有效地管理，保障頂板巖層和地表的穩(wěn)定安全。