復(fù)雜開采環(huán)境下采場失穩(wěn)垮塌過程分析

羅周全，秦亞光，謝承煜，汪 偉

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

0 引言

礦山巖體失穩(wěn)垮塌不僅對井下人員及設(shè)備安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還可能導(dǎo)致周邊相鄰區(qū)域出現(xiàn)大面積失穩(wěn)，致使該地區(qū)成為了隱患區(qū)域，影響范圍內(nèi)的資源成為了典型的隱患資源。隱患資源是指在資源的開采過程中存在的受自然條件和人為因素影響的安全環(huán)境復(fù)雜，資源開采回收率較低的一種難采資源。包括:未按正規(guī)開采設(shè)計而進(jìn)行的采富棄貧、采厚棄薄的無序化開采，以及亂采濫挖形成的各種采空區(qū)群周邊的殘留礦產(chǎn)資源(如開采過程中預(yù)留的礦柱、間柱及頂?shù)字?;礦山開采過程中由于礦巖或空區(qū)失穩(wěn)垮塌造成的，在其影響范圍內(nèi)未開采的礦產(chǎn)資源?？逅鷧^(qū)隱患資源的回收是采礦技術(shù)領(lǐng)域的難點之一，其開采條件極其復(fù)雜，在垮塌區(qū)內(nèi)進(jìn)行采礦作業(yè)常常因受到安全、技術(shù)等各種問題的困擾而無法達(dá)到預(yù)期效果［1-4］。長期以來許多專家學(xué)者對礦體失穩(wěn)垮塌進(jìn)行了研究分析，如閆長斌［5］等研究了下巖體工程建設(shè)或礦山采掘生產(chǎn)中采用鉆爆法，頻繁爆破作業(yè)產(chǎn)生的動荷載對周圍巖體產(chǎn)生累積損傷危害，誘發(fā)地下工程巖體失穩(wěn)。楊官濤、李夕兵［6］等人運(yùn)用能量的原理，借助突變理論的方法，推導(dǎo)出了采場開挖前后系統(tǒng)失穩(wěn)破壞的能量突變準(zhǔn)則，通過計算開挖前后能量變化值，判斷采場系統(tǒng)失穩(wěn)的可能性。但大部分研究都是針對巖體失穩(wěn)垮塌的靜態(tài)分析，缺乏對巖體失穩(wěn)破壞動態(tài)變化過程的研究。本文針對某地下大型鉛鋅礦-320 m中段因0#采場失穩(wěn)造成主礦體垮塌的實際情況，采用真實破裂過程分析(RFPA2D)數(shù)值模擬軟件對該鉛鋅礦-320 m中段0#采場失穩(wěn)后主礦體垮塌的實際情況進(jìn)行了動態(tài)數(shù)值模擬，通過分析采場動態(tài)垮塌順序、垮塌范圍、程度以及破壞形式等狀況，確定0#采場的垮塌給周邊采場帶來的影響范圍，為隱患資源安全高效回收確定合理的充填工藝及采礦方法提供依據(jù)。

1 工程概況

該鉛鋅礦主礦體-320 m中段0#采場在回采過程中，由于受礦巖結(jié)構(gòu)破碎、斷層、采礦爆破震動、空區(qū)暴露時間過長等因素的影響，發(fā)生了兩幫充填體跨幫，從而導(dǎo)致周邊相鄰區(qū)域出現(xiàn)較大面積失穩(wěn)，致使該地區(qū)成為隱患區(qū)域，其影響范圍內(nèi)的資源開采安全技術(shù)條件變得極為復(fù)雜，影響范圍內(nèi)的資源成為了典型的隱患資源。然而此部分隱患資源品位高，屬高價值資源，目前這部分資源約有30多萬噸礦石量，因此具有重要的回收價值。

-320 m中段0#采場發(fā)生失穩(wěn)垮塌后，對周邊相鄰采場的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，使得該地區(qū)資源開采處于一個安全性極其復(fù)雜的環(huán)境中，這樣給主礦體資源的回收帶來了困難。0#采場及其周邊采場開挖充填情況見圖1，其中N0-1#采場-280 m二分段到-280 m水平、N1-2#采場-280 m一分段到-320 m四分段、S0-1#付采場-280 m二分段到-280 m水平及S1#付-1#采場-280 m三分段到-280 m水平采空區(qū)為非膠結(jié)充填;其它采空區(qū)均為膠結(jié)充填。

圖1 采場開挖充填情況Fig．1 Excavation and filling condition of stope

2 巖石力學(xué)參數(shù)實驗及仿真模型建立

為了進(jìn)行采礦設(shè)計和巖體穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算分析，通常需要知道礦巖塊體密度、彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)［7-11］。依據(jù)上述研究目的，確定進(jìn)行的測試項目為:①密度試驗(塊體密度);②單軸抗壓強(qiáng)度試驗;③拉伸強(qiáng)度試驗(巴西劈裂法);④抗剪斷試驗。

根據(jù)采場設(shè)計參數(shù)及礦石、圍巖、充填體的力學(xué)實驗參數(shù)，對巖石力學(xué)參數(shù)折減換算成巖體力學(xué)參數(shù)(表1)，建立了數(shù)值模型。采場埋深為332 m，高度為70 m，走向長度為107.5 m。所建模型水平位移和豎直位移均為140 m，水平方向和豎直方向各取280個單元，則模型計算單元總數(shù)為280×280=78400個。模擬開挖從下往上，開挖長度為22 m。

表1 巖體及充填體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass and filling body

3 采場失穩(wěn)垮塌數(shù)值分析

3.1 采場失穩(wěn)垮塌動態(tài)過程、范圍及程度分析

其中采場編號從1到13分別對應(yīng)采場N2-3#采場到S1-2#采場(圖2)。隨著0#采場的開挖周邊采場逐漸發(fā)生松動甚至坍塌。N0-1#采場和S1#付-1#采場充填體與礦體接觸面首先出現(xiàn)松動垮塌，隨后N0#采場和S0#采場出現(xiàn)大范圍的松動，最后發(fā)生垮塌。N0#采場為膠結(jié)充填體，充填體強(qiáng)度相對非膠結(jié)充填體來說強(qiáng)度較大，由于受0#采場采動影響，充填體出現(xiàn)松動，上部有將近10 m高度的垮塌;N0-1#采場-280 m水平到-280 m三分段為非膠結(jié)充填體，充填體強(qiáng)度較小，從第二步到第三步可以明顯觀察出該分段內(nèi)充填體垮塌比較嚴(yán)重;0#采場北部其它采場受采動影響比較小，充填體有輕微松動，無明顯垮落現(xiàn)象出現(xiàn);0#采場南部的S0-1#采場以及S1#付-1#采場-280 m水平到-280 m三分段出現(xiàn)垮塌，這是由于S0-1#采場緊鄰0#采場，受采動影響比較大，而S1#付-1#采場垮塌部分為非膠結(jié)充填體，充填體強(qiáng)度小所致。

總體來看，受0#采場失穩(wěn)影響發(fā)生松動垮塌的區(qū)域主要包括0#采場北部的N0-1#采場、N1#以及南部的 S0#采場、S0-1#付采場、S1#采場、S1#付 -1#采場。失穩(wěn)垮塌過程為:首先出現(xiàn)松動垮塌的采場為N0-1#采場和S1#付-1#采場;然后逐漸向兩邊擴(kuò)展，最終0#采場左邊到N1-2#采場，右邊到S1#付-1#采場均出現(xiàn)了失穩(wěn)垮塌。采場失穩(wěn)垮塌程度:其中緊鄰0#采場的N0#采場、N0-1#采場、S0#采場及充填體強(qiáng)度較低的采空區(qū)失穩(wěn)垮塌比較嚴(yán)重，而距離0#采場較遠(yuǎn)的采場以及膠結(jié)充填的采空區(qū)相對穩(wěn)定。通過對采場失穩(wěn)垮塌過程、范圍及垮塌程度的分析，為后續(xù)主礦體制定合理的開采順序，確定充填位置及充填體材料提供了參考依據(jù)。

圖2 垮塌區(qū)動態(tài)破壞過程Fig．2 Dynamic failure process of collapse area

3.2 采場失穩(wěn)垮塌破壞形式分析

材料受機(jī)械荷載時，其內(nèi)部會發(fā)射出一系列斷續(xù)的短脈沖群的聲現(xiàn)象。如受力巖體內(nèi)部由于顆粒間的相對位移，產(chǎn)生微小裂隙，原有裂隙發(fā)展以及殘余應(yīng)力釋放，都會產(chǎn)生聲波，使變形能轉(zhuǎn)化為彈性振動，即發(fā)出聲響，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。自動作出聲發(fā)射圖對巖石的破壞過程分析，可作為預(yù)報巖石破壞的有效手段［12-15］。

圖3中聲發(fā)射圓是根據(jù)聲發(fā)射的能量所作，白色圓代表當(dāng)前步剪切破壞引起的聲發(fā)射情況、紅色圓代表當(dāng)前步拉伸破壞引起的聲發(fā)射。

由圖3可知，從0#采場開挖底部向兩邊采場方向出現(xiàn)一個“V”字型剪切破壞區(qū)域，“V”字型破壞區(qū)域高度和0#采場開挖高度相當(dāng);圖中紅色部分(箭頭所指區(qū)域)為拉伸破壞區(qū)域，破壞比較嚴(yán)重，主要出現(xiàn)在N0-1#采場、N1-2#采場、S0-1#采場及 S1#采場，其中N0#采場及S0#采場局部出現(xiàn)輕微地拉伸破壞。在工程實際中，發(fā)生拉伸破壞的區(qū)域主要為非膠結(jié)充填。采用膠結(jié)充填的采場主要發(fā)生剪切破壞。由此可以得出:剪切拉伸破壞主要發(fā)生在強(qiáng)度較低的充填體;在不同材料強(qiáng)度的充填體中，強(qiáng)度較高的膠結(jié)充填體主要破壞形式為剪切破壞，而材料強(qiáng)度比較低的非膠結(jié)充填體以拉伸破壞為主。

圖3 對應(yīng)破壞過程聲發(fā)射圖Fig．3 The corresponding acoustic emission figure to destruction process

根據(jù)聲發(fā)射圖可以得到采場破壞形式及垮塌嚴(yán)重程度，在后續(xù)開采形成的采空區(qū)進(jìn)行充填時，可以采用強(qiáng)度較高地膠結(jié)充填體代替強(qiáng)度低的回填渣。對于破壞嚴(yán)重的區(qū)域，在開采前提前進(jìn)行支護(hù)，確?；夭蛇^程中人員設(shè)備的安全。

4 結(jié)論

采動影響下的周邊采場失穩(wěn)破壞是一個及其復(fù)雜的過程，主要表現(xiàn)為充填體結(jié)構(gòu)的模糊性、采動影響應(yīng)力變化的復(fù)雜性。通過利用RFPA2D軟件對0#采場失穩(wěn)誘發(fā)周邊采場松動垮塌規(guī)律及主要破壞形式進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了0#采場周邊采場充填體動態(tài)破壞過程，確定了隱患資源范圍。

得到如下主要結(jié)論:

(1)N0-1#采場和S1#付-1#采場充填體與礦體接觸面首先出現(xiàn)松動垮塌，隨后N0#采場和S0#采場出現(xiàn)大范圍的松動，最后發(fā)生垮塌。

(2)受采動影響發(fā)生松動垮落的采場集中在0#采場北部的兩個采場以及南部的四個采場，緊鄰0#采場以及充填體強(qiáng)度較小的空區(qū)失穩(wěn)垮塌比較嚴(yán)重，最大垮落高度達(dá)到了10 m。

(3)通過對采場受力聲發(fā)射圖分析得出，從0#采場開挖底部向兩邊采場方向出現(xiàn)一個“V”字型剪切破壞區(qū)域，與現(xiàn)場實測相吻合。不同強(qiáng)度充填體的破壞形式，強(qiáng)度較高的膠結(jié)充填體及礦體以剪切破壞為主，而材料強(qiáng)度較低的非膠結(jié)充填體以拉伸破壞為主。

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