高峰礦深部多空區(qū)下充填采礦地壓分布特征*

馬生徽 王文杰 鄧金燦 王越嶺 馬雄忠

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院;2.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司)

隨著金屬礦山開采深度不斷延伸，礦山進(jìn)入深部開采面臨著“三高一擾”的復(fù)雜環(huán)境:深部地壓活動干擾愈加頻繁，導(dǎo)致深部采場與巷道的維護也變得困難，造成高損失、高貧化和高安全事故的技術(shù)難題。高峰礦在100號礦體延深開采以及105號礦體的開采中，由于開采深度增加以及原有民采及探礦過程中的亂采亂挖，礦巖的完整性受到很大破壞，出現(xiàn)許多不規(guī)則空區(qū)和大面積的破碎礦巖體，給礦床正常開發(fā)利用帶來了極大的安全隱患［1］。雖已對空區(qū)進(jìn)行了充填處理，但隨著開采深度的增加，地壓顯現(xiàn)將日漸顯著，其上部采空區(qū)充填體的穩(wěn)定性將受到影響，且直接危害下部開采的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和作業(yè)安全。因此有必要結(jié)合高峰礦現(xiàn)有地質(zhì)資料，利用ANSYS－Workbench建立高峰礦開采數(shù)值模型，導(dǎo)入FLAC3D計算分析，研究高峰礦深部多空區(qū)下充填采礦的地壓分布特征［2］，并針對高峰礦生產(chǎn)管理中存在的問題，提出合理地壓控制措施，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而降低礦山安全事故和提高經(jīng)濟效益。

高峰大廠礦田西礦帶生物礁灰?guī)r中的100號礦體及深部延伸部分的垂向深度大于1 000 m，－79 m標(biāo)高以上稱為100號礦體，－79 m以下為100號礦體的延伸部分稱為105號礦體，礦體從標(biāo)高+690至－50 m，傾角由陡變緩，礦體由大變小;從標(biāo)高－50 m以下，傾角由緩變陡，礦體由小變大，礦體平面投影呈馬蹄狀。105號礦體總體走向近南北，總體傾向于東至南東，傾角陡，礦體在深部往南至南西方向側(cè)伏，礦體走向長100～300 m，水平厚度10～70 m，礦體由致密塊狀礦石組成，與圍巖界線清楚，普氏系數(shù)f為8～10，礦巖構(gòu)造上既有褶皺和一系列斷層的切割，也有花崗巖脈的穿插，也形成一定范圍的破碎巖體。從采空區(qū)的分布來看，民采盜采形成的采空區(qū)主要分布在－166 m水平以上，且頂板暴露面積在2 000 m2以上，是影響安全開采的主因。－166 m水平以下的采空區(qū)規(guī)模較小，頂板暴露面積在2 000 m2以下，且采空區(qū)內(nèi)都留有一定的礦柱，采空區(qū)相互獨立處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，加之高峰礦近幾年大量投入對采空區(qū)進(jìn)行充填處理，使采空區(qū)周圍地壓活動趨于穩(wěn)定。

1 深部開采數(shù)值模擬

1.1 計算模擬的建立

由于礦體從地表淺部向下延伸超過1 000 m，其走向、傾向、傾角、各水平截面都是逐漸變化的，為世界罕見的巨型囊狀－透鏡狀特富礦體，復(fù)雜的礦體形態(tài)難以在FLAC3D中直接建模，因此利用ANSYSWorkbench建立高峰礦開采模型，劃分網(wǎng)格后，通過轉(zhuǎn)換程序?qū)隖LAC3D有限差分程序中進(jìn)行計算分析［3-4］。劃分網(wǎng)格時選用適應(yīng)性較強的四面體網(wǎng)格，模型如圖1所示，共380 653個單元，518 890個節(jié)點，模型主要分為圍巖、礦體和采空區(qū)。

圖1 導(dǎo)入FLAC3D后的計算模型

1.2 力學(xué)參數(shù)的選取

數(shù)值模擬中主要考慮圍巖、礦體、充填體都為彈塑性材料，因此采用摩爾－庫侖屈服準(zhǔn)則，計算中把100號礦體和105號礦體的巖體參數(shù)區(qū)分開來，100號巖體的相關(guān)參數(shù)由高峰礦提供，105號礦體的相關(guān)參數(shù)在巖石力學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，通過巖體的RMR值與巖體參數(shù)之間關(guān)系轉(zhuǎn)化所得，礦巖物理參數(shù)如表1所示。計算中對于模型開挖后的空區(qū)選用FLAC3D內(nèi)置的空模型(Null)，對于開挖前以及開挖后的非空區(qū)部分都采用摩爾－庫侖塑性模型。

1.3 邊界條件與計算方案

根據(jù)高峰礦歷次地應(yīng)力測量的結(jié)果，進(jìn)行回歸分析后，得出地應(yīng)力與深度H之間的關(guān)系如式(1)所示。

表1 數(shù)值計算中礦巖的物理參數(shù)

按照快速應(yīng)力邊界法施加初始應(yīng)力［5］，由于地表起伏，取地表的平均標(biāo)高為模型上表面標(biāo)高，采用快速應(yīng)力邊界法施加初始條件并計算平衡后，進(jìn)行后續(xù)的開挖計算時要對模型施加位移邊界條件，即固定模型底部Z向位移，模型左右表面X向位移，模型前后表面Y向位移。

為了便于在FLAC3D里計算分析，對高峰礦開采模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，忽略節(jié)理和裂隙等不連續(xù)面的影響，也不考慮巖體地下水、地震和爆破震動等因素。計算中采用了各中段分步回采的計算方式，即開挖充填+690～+540 m、+540～+400 m、+400～+250 m、+250～+100 m、+100～－50 m和開挖充填所有空區(qū)，總共6步回采順序，每個階段的計算均按順序在前一階段計算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行，從而客觀地反映了礦體逐步開采過程中，巖體應(yīng)力累積、變形延續(xù)與破壞逐漸發(fā)展的力學(xué)進(jìn)程，最后得出高峰礦在多空區(qū)群回采充填后的力學(xué)效應(yīng)，用以分析深部地壓分布特征。考慮礦山實際生產(chǎn)情況，數(shù)值模擬結(jié)果主要分析－151 m和－200 m 2個主要回采中段水平的地壓分布狀態(tài)以及典型多空區(qū)群開挖充填對地壓分布的影響。

2 深部地壓分布特征分析

2.1 －151 m水平應(yīng)力分布狀態(tài)

圖2(a)所示為多空區(qū)群充填前－151 m水平最大主應(yīng)力云圖(應(yīng)力符號:壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正)，應(yīng)力值在－15.0～－59.8 MPa，圖中空白區(qū)域為17號空區(qū)，承壓區(qū)主要分布在采空區(qū)四周、礦體北部以及脈外巷區(qū)域，19號采空區(qū)底板恰好位于礦體北部應(yīng)力集中區(qū)，可見承壓區(qū)形成的主因是空區(qū)開挖后應(yīng)力重新分布而在采空區(qū)四周出現(xiàn)次生應(yīng)力集中，承壓區(qū)中的礦巖因過度應(yīng)力集中易發(fā)生破壞，這與現(xiàn)場巖石條件相吻合。卸壓區(qū)主要分布在礦體上盤中部與下盤沿礦體走向區(qū)域，特別是在礦體下盤出現(xiàn)1條明顯的卸壓帶。圖2(b)為空區(qū)充填后－151 m水平最大主應(yīng)力云圖，應(yīng)力集中區(qū)保持不變而集中值明顯下降，其他區(qū)域應(yīng)力分布狀態(tài)基本與充填前一致，說明充填空區(qū)對局部的應(yīng)力集中有所改善，但對整體的應(yīng)力分布狀態(tài)影響不大。

圖2 －151 m水平最大主應(yīng)力分布

2.2 －200 m水平應(yīng)力分布狀態(tài)

圖3(a)為空區(qū)充填前－200 m水平最大主應(yīng)力云圖，應(yīng)力值在－36.0～－52.6 MPa，承壓區(qū)主要在礦體北部和南部花崗斑巖附近。在垂直礦體走向上，應(yīng)力分布狀態(tài)表現(xiàn)為應(yīng)力值先減小，后逐漸增大，最后趨于該水平平均水平。由于受多空區(qū)群影響較小，在－200 m中段水平承壓區(qū)都處于礦體上盤，卸壓區(qū)位于礦體下盤，在礦體下盤形成1條明顯的卸壓帶。圖3(b)為空區(qū)充填后－200 m水平最大主應(yīng)力云圖，與空區(qū)開挖后基本趨于一致。在南部花崗斑巖附近的承壓區(qū)內(nèi)井巷工程較為密集，水倉、變電站等也布置在此，出現(xiàn)的局部應(yīng)力集中造成巖體較破碎，支護量大、成本高，巷道變形劇烈，應(yīng)盡量加強該區(qū)域圍巖的監(jiān)測以及巷道的支護。

圖3 －200 m水平最大主應(yīng)力分布

2.3 采空區(qū)群對地壓分布影響

由于深部空區(qū)群眾多，這里選取各采空區(qū)中相鄰空間區(qū)間頂?shù)装搴穸刃『捅┞睹娣e大的空區(qū)群作為研究對象［6-8］。圖4為2號、4號、15號和23號共4個采空區(qū)的空間位置圖，最上面的2號空區(qū)位于105號礦體的－79～－103 m標(biāo)高，頂板暴露面積為3 632 m2，4號空區(qū)在－106～－110 m標(biāo)高，并與15號、23號空區(qū)部分重疊。

圖4 典型多空區(qū)群相對位置

取典型多空區(qū)群的縱剖面進(jìn)行分析。圖5(a)為計算截面上充填前的采空區(qū)群最大主應(yīng)力分布狀態(tài)，可以看出在采空區(qū)群的頂?shù)装鍏^(qū)域為卸壓區(qū)，易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，拉應(yīng)力的存在與擴展對采空區(qū)穩(wěn)定性構(gòu)成較大威脅。在采空區(qū)兩側(cè)形成承壓區(qū)，并逐漸向外延伸，應(yīng)力最大值為－69.9 MPa，巖體也容易發(fā)生壓縮破壞，承壓區(qū)主要在15號空區(qū)與23號空區(qū)兩側(cè)。圖5(b)為充填后采空區(qū)群最大應(yīng)力分布狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)卸載區(qū)和承載區(qū)的位置未發(fā)生變化，但是承載區(qū)的應(yīng)力集中值有所下降，說明充填后有利于巖體中的能量向充填體轉(zhuǎn)移，有效減少次生應(yīng)力集中。

圖5 各空區(qū)的最大主應(yīng)力分布

從采空區(qū)的地質(zhì)調(diào)查來看，前期民采形成的空區(qū)群底板標(biāo)高最低為－180 m水平，且暴露面積大的空區(qū)群在－166 m水平以上，結(jié)合－151 m水平和－200 m水平的地壓分布特征，可以發(fā)現(xiàn)多空區(qū)群的存在對－151 m水平的地壓分布影響較大，導(dǎo)致局部形成了明顯的承壓區(qū)和卸壓區(qū)，上部多空區(qū)群對－200 m水平地壓分布影響較小。

2.4 深部地壓控制措施建議

高峰礦深部地壓分布特征為:在沿礦體走向上，上盤形成1條承壓帶，下盤形成1條卸壓帶，受多空區(qū)的影響，在空區(qū)四周也形成次生應(yīng)力集中。而高峰礦大量采準(zhǔn)開拓工程布置在承壓帶上，造成采場與巷道頂板變形大，支護困難，地壓顯現(xiàn)頻繁，應(yīng)加強該區(qū)域采場與巷道的監(jiān)測，提高支護等級，井巷工程應(yīng)盡量布置在卸壓帶上，并采用卸壓、錨桿支護等多種方式維護頂板的穩(wěn)定［9-11］。原則上應(yīng)先回采承壓區(qū)內(nèi)的礦體，后回采卸壓區(qū)內(nèi)的礦體，采用前進(jìn)式回采順序，以控制地壓有序的釋放，防止中間礦帶始終處于應(yīng)力集中狀態(tài)而導(dǎo)致巷道與炮孔易發(fā)生變形與破壞。采場應(yīng)強采強出強充，減少頂板暴露面積與時間。因此，在合理回采順序的前提下，優(yōu)化井巷工程布置，加強目前承壓區(qū)內(nèi)井巷工程的維護是保證高峰礦深部安全高效回采的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

數(shù)值模擬研究表明，深部空區(qū)群同時開挖充填后，對離多空區(qū)較近水平地壓分布影響大，對離多空區(qū)群較遠(yuǎn)的深部水平地壓分布影響較小，充填開采在高峰深部礦體上下盤產(chǎn)生明顯的承壓區(qū)與卸壓區(qū)，而高峰礦大量井巷工程布置在上盤承壓帶上，這成為導(dǎo)致高峰礦深部地壓活動頻繁的主要因素。針對高峰礦深部地壓分布特征，采用合理的回采順序與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化布置井巷工程等措施能有效控制地壓災(zāi)害的發(fā)生，使地壓活動規(guī)律能為生產(chǎn)作業(yè)服務(wù)，保證高峰礦深部回采安全高效地進(jìn)行。

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