鑫達(dá)金礦豎井保安礦柱圈定及穩(wěn)定性分析

張飛，王昊，郝勇浙

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭市 014000)

0 引言

地下金屬礦山使用全面法或留礦法開(kāi)采礦體后會(huì)遺留下大量的采空區(qū)，造成上覆巖層的移動(dòng)、破壞[1]。隨著開(kāi)采深度和范圍的增加，豎井不可避免地會(huì)處于開(kāi)采移動(dòng)范圍內(nèi)，為減小采礦對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響，礦山通常會(huì)按設(shè)計(jì)的巖石移動(dòng)角圈定保安礦柱。這種方法的缺陷就是采深越大，保安礦柱范圍越大，特別是對(duì)于深部開(kāi)采的礦山，會(huì)導(dǎo)致大量?jī)?yōu)質(zhì)的可采資源無(wú)法開(kāi)采。豎井保安礦柱圈定的實(shí)質(zhì)是留下部分礦體不進(jìn)行開(kāi)采，使需要保護(hù)的豎井位于開(kāi)采移動(dòng)范圍之外，也就是說(shuō)，控制地下開(kāi)采引起的上覆巖層的移動(dòng)，使巖移不向豎井方向發(fā)展是優(yōu)化保安礦柱的關(guān)鍵所在。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于地下礦山開(kāi)采的覆巖移動(dòng)規(guī)律和控制做了大量的研究，張東杰等[2]研究了開(kāi)采傾斜厚礦體的覆巖移動(dòng)機(jī)理，提出巖體冒落特征表現(xiàn)為緩慢－快速交替拱形冒落。韓文斌等[3]通過(guò)三維物理模型實(shí)驗(yàn)的方法再現(xiàn)了眼前山鐵礦巖層移動(dòng)全過(guò)程。關(guān)守安等[4]結(jié)合FLAC3D、3DEC和隨機(jī)介質(zhì)3種計(jì)算方法研究粗榆金礦充填開(kāi)采過(guò)程中的巖移規(guī)律，3種方法的計(jì)算結(jié)果都表明粗榆金礦覆巖沉降變形形式為筒形陷落。何榮興等[5]使用FLAC3D模擬分析了有、無(wú)散體充填條件下上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律，計(jì)算結(jié)果表明，向空區(qū)內(nèi)充填散體對(duì)控制上覆巖層移動(dòng)變形具有顯著作用。劉永亮等[6]提出急傾斜礦體開(kāi)采后上覆圍巖變形分為劇增、緩增和劇增3個(gè)階段，其中緩增階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，為類似礦山的開(kāi)采提供了參考。

本研究結(jié)合鑫達(dá)金礦地質(zhì)與開(kāi)采條件，提出利用臨界散體柱作用機(jī)理控制上覆巖層的移動(dòng)范圍，從而重新圈定豎井保安礦柱，有效解決了傳統(tǒng)保安礦柱過(guò)度圈定這一問(wèn)題。

1 工程概況

鑫達(dá)金礦13號(hào)脈（采）區(qū)共發(fā)現(xiàn)40余條金礦體，其中13，32號(hào)礦體是區(qū)內(nèi)主礦體。13號(hào)礦體傾角為45°～85°，厚度為0.43～8.36 m，32號(hào)礦體傾角為40°～65°，厚度為0.45～5.96 m。據(jù)礦體賦存特征及開(kāi)采技術(shù)條件，結(jié)合礦山目前采用的采礦方法，對(duì)于傾角大于 30°的礦體，采用淺孔留礦法開(kāi)采。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長(zhǎng)度為50 m，其中礦房44 m，頂柱 4 m，間柱6 m，底柱6 m，寬度為礦體厚度。傾角小于 30°的礦體，采用全面法開(kāi)采。礦體頂?shù)装鍑鷰r均為片麻巖，屬于半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖石，整體穩(wěn)定性較好。

13號(hào)脈盲豎井位于13號(hào)礦體下盤(pán)，于13號(hào)礦體與32號(hào)礦體之間，井口標(biāo)高為698 m，卷?yè)P(yáng)機(jī)及卷?yè)P(yáng)機(jī)硐室位于698 m標(biāo)高，井底標(biāo)高為188 m，井深510 m，井筒直徑為5 m，凈斷面為19.63 m2。盲豎井位置如圖1所示，未留設(shè)保安礦柱，但隨著礦體向深部開(kāi)采及礦山探礦工程的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn) 32號(hào)脈深部礦體傾角逐漸變緩，在標(biāo)高-300 m處已經(jīng)和13號(hào)脈相交，礦山后續(xù)32號(hào)脈的開(kāi)采必會(huì)對(duì)上方 13號(hào)脈盲豎井的穩(wěn)定性造成影響。為保證盲豎井的安全穩(wěn)定，必須預(yù)留合理尺寸的保安礦柱，以保證礦山的安全生產(chǎn)。按傳統(tǒng)移動(dòng)角圈定保安礦柱壓礦量過(guò)大，因此礦山急需開(kāi)展盲豎井保安礦柱圈定方案研究。

圖1 豎井與礦體空間位置關(guān)系

2 臨界散體柱高度的確定

2.1 臨界散體柱作用機(jī)理

在地下礦山開(kāi)采過(guò)程中，隨著采深的增加，地表移動(dòng)范圍逐漸增大，當(dāng)開(kāi)采深度達(dá)到一定深度時(shí)，實(shí)際地表的移動(dòng)范圍遠(yuǎn)沒(méi)有設(shè)計(jì)時(shí)按移動(dòng)角圈定的地表移動(dòng)范圍，由此可見(jiàn)一定是有力阻止了移動(dòng)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。臨界散體柱理論認(rèn)為，散體向空區(qū)邊壁施加主動(dòng)側(cè)應(yīng)力，同時(shí)又承受邊壁巖體變形擠壓的被動(dòng)側(cè)應(yīng)力。兩種應(yīng)力共同作用對(duì)邊壁巖體形成較大的側(cè)向承載力，增強(qiáng)邊壁巖體的穩(wěn)定性，就可以控制邊壁巖體的片落與通達(dá)地表的塌陷，限制移動(dòng)范圍的擴(kuò)大。并且散體對(duì)邊壁巖體的側(cè)向支撐力與散體層的厚度有關(guān)，散體層高度增加，則散體提供的側(cè)向支撐力也加強(qiáng)。當(dāng)散體層達(dá)到一定深度且密度逐漸沉實(shí)時(shí)，邊壁巖體發(fā)生碎脹就沒(méi)有空間，以此來(lái)限制邊壁巖體的冒落破壞，這一高度的散體層就稱之為臨界散體柱[7-12]。臨界散體柱的確定方法如圖2所示，從地表塌陷坑的邊界或出現(xiàn)裂隙處按巖石移動(dòng)角向采空區(qū)作錯(cuò)動(dòng)線，得到與采空區(qū)上盤(pán)的交點(diǎn)，交點(diǎn)之上的這一高度散體即為臨界散體柱。

圖2 臨界散體柱確定方法

2.2 臨界散體柱高度的PFC數(shù)值模擬

由于鑫達(dá)金礦 32號(hào)礦體位于樹(shù)草茂密的陡峭山體中，地表移動(dòng)帶的測(cè)量難度太大，同時(shí)采空區(qū)充填后的散體流動(dòng)情況也無(wú)法調(diào)查，因此選擇數(shù)值模擬的方法間接獲得地表的移動(dòng)范圍和驗(yàn)證臨界散體柱的正確性。

對(duì)于PFC中宏細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定方法研究，主要是通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬和巖石室內(nèi)實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出的宏觀特性，若2種方法的宏觀特性基本吻合或接近，即可認(rèn)為參數(shù)標(biāo)定成功。通過(guò)控制變量法逐一調(diào)整不同細(xì)觀參數(shù)，使單軸壓縮數(shù)值模擬的應(yīng)力應(yīng)變曲線與室內(nèi)試驗(yàn)基本吻合，其細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石細(xì)觀參數(shù)

根據(jù)礦山開(kāi)采現(xiàn)狀和礦體賦存條件，對(duì)開(kāi)挖模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，建立的模型如圖3所示。模型長(zhǎng)度為400 m，寬度為500 m，礦體厚度為2 m，傾角為53°，整個(gè)模型生成顆?？倲?shù)為136 168個(gè)，對(duì)模型兩端進(jìn)行邊界約束，模型只考慮自重應(yīng)力作用。

圖3 PFC數(shù)值模擬模型

2.3 模擬結(jié)果分析

礦山一直采用淺孔留礦法和全面采礦法開(kāi)采礦體，礦房和礦柱回采后，崩落的巖石并不能將整個(gè)采空區(qū)充滿，礦山通過(guò)向空區(qū)充填廢石的方法治理采空區(qū)，PFC中模擬礦體開(kāi)采和充填的過(guò)程類似于用散體代替礦石的過(guò)程，50 m分為一層用散體代替礦石，如此循環(huán)，模型最終達(dá)到平衡后的地表位移變化情況如圖4所示。由圖4可知，隨著計(jì)算時(shí)間增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Y方向位移整體上表現(xiàn)為逐漸增加，計(jì)算到一定步數(shù)后趨于穩(wěn)定。在距離礦體270 m（0～90 m）以外，地表Y方向位移小于0.02 m，且位移值隨計(jì)算時(shí)間增加而變化的幅度非常小，可以認(rèn)為距礦體270 m（0～90 m）以外的地表不受礦體開(kāi)采的影響，270 m（90～360 m）以內(nèi)為上盤(pán)巖石移動(dòng)范圍。

圖4 地表位移變化

圖5為礦體與上盤(pán)巖體接觸位置的位移變化曲線。由圖5可知，隨著計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)，上盤(pán)巖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Y方向位移整體上表現(xiàn)為逐漸增加，計(jì)算到一定步數(shù)后趨于穩(wěn)定。上盤(pán)圍巖變形最大區(qū)域位于埋深0～120 m，位移值為0.05～0.06 m。后隨著埋深增加，位移值逐漸較小。當(dāng)埋深到達(dá)240 m以后，隨時(shí)間步增長(zhǎng)位移值幅度明顯減小，當(dāng)埋深達(dá)到270 m時(shí)位移值隨時(shí)間步增長(zhǎng)基本不變化，且位移值控制在0.1 m以內(nèi)，因此可以認(rèn)為臨界散體柱的邊界在埋深240～270 m之間。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線可知，上盤(pán)巖體在埋深淺的區(qū)域變形值遠(yuǎn)大于深部散體充分支撐的區(qū)域，這說(shuō)明空區(qū)內(nèi)充填的散體達(dá)到一定高度后，散體受重力作用逐漸壓實(shí)，下部密實(shí)度較高的散體能夠很好地限制上盤(pán)巖體的側(cè)向變形，而上部密實(shí)度不高的散體限制空區(qū)變形的能力較弱。由于廢石構(gòu)成的松散充填體單體強(qiáng)度高，整體強(qiáng)度較弱，所以深部區(qū)域的上盤(pán)圍巖還會(huì)向空區(qū)方向侵入，但侵入的程度不足以造成上盤(pán)圍巖的變形破壞。

圖5 上盤(pán)巖體與礦體接觸處位移變化

結(jié)合模型平衡后的位移云圖，最終確定地表移動(dòng)范圍為116～370 m之間，上盤(pán)移動(dòng)角為72°，根據(jù)臨界散體柱理論，從地表出現(xiàn)明顯移動(dòng)邊界處按移動(dòng)角向采空區(qū)做錯(cuò)動(dòng)線，得到與采空區(qū)上盤(pán)邊界的交點(diǎn)，交點(diǎn)之上的充填散體即為臨界散體柱，如圖6所示，臨界散體柱高度為257 m。

圖6 臨界散體柱高度

2.4 豎井保安礦柱圈定

通過(guò)分析臨界散體柱理論作用機(jī)理可知，當(dāng)空區(qū)內(nèi)充填散體的高度超過(guò)臨界散體柱高度時(shí)，散體柱高度內(nèi)的空區(qū)邊壁巖體的片落和移動(dòng)就會(huì)受到控制，傳統(tǒng)的保安礦柱圈定方法忽略了散體的支撐作用，往往導(dǎo)致過(guò)大的保安礦柱圈定范圍。因此，保安礦柱的尺寸可以由移動(dòng)角與臨界散體柱的高度兩者共同決定，礦體回采后可以通過(guò)廢石及時(shí)充填空區(qū)的方式保持臨界散體柱高度不變且位置不下移，利用臨界散體柱作用機(jī)理圈定的保安礦柱如圖7所示。

3 豎井穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)鑫達(dá)金礦地質(zhì)條件，建立的礦體開(kāi)挖模型如圖 8所示。模型尺寸為 1000 mm×1000 mm×1600 mm（長(zhǎng)×寬×高），其中13號(hào)礦體賦存標(biāo)高為658～168 m，32號(hào)礦體賦存標(biāo)高400～-300 m，豎井部分為重點(diǎn)研究區(qū)域，網(wǎng)格精度為1 m，礦體周圍網(wǎng)格精度最小為2 m，最大為6 m，其余圍巖體網(wǎng)格精度為40 m。建立的模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為912 961個(gè)，單元數(shù)為1 617 208個(gè)。本次數(shù)值模擬主要考慮自重應(yīng)力的影響，即對(duì)模型施加自重應(yīng)力。模型的邊界條件為位移邊界條件，即對(duì)模型的前后左右4個(gè)面設(shè)置為位移邊界條件，對(duì)于模型的前后兩個(gè)面，設(shè)置為Y方向的位移為0；對(duì)于模型的左右兩個(gè)面，設(shè)置為X方向的位移為0；對(duì)模型的底部設(shè)置為固定邊界條件，即底部位移設(shè)置為X=0，Y=0，Z=0；對(duì)地表設(shè)置為自由邊界條件。巖體和充填體的力學(xué)參數(shù)由力學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)強(qiáng)度折減后得到，見(jiàn)表2。

圖8 FLAC3D礦體開(kāi)挖模型

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)礦山實(shí)際生產(chǎn)情況，開(kāi)采礦體的順序?yàn)殡A段上采用自上而下分中段開(kāi)采，中段內(nèi)采用自遠(yuǎn)而近（自端部向豎井）后退式開(kāi)采，由于模擬主要是分析礦體開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)豎井穩(wěn)定性和地壓分布規(guī)律的影響，因此可適當(dāng)簡(jiǎn)化開(kāi)挖步驟，計(jì)算中采用各中段分步回采的計(jì)算方式，即每次開(kāi)采1個(gè)中段，自上而下分步開(kāi)采。全部回采完畢時(shí)，豎井不同深度變形曲線如圖9所示。豎井在垂直方向的變形比在水平方向上的變形更顯著，受下部礦體開(kāi)采的影響，垂直變形表現(xiàn)為下沉，且下沉量隨著埋深的增加逐漸減小。豎井于300 m處Y方向位移值有由正轉(zhuǎn)負(fù)，說(shuō)明豎井在Y方向上出現(xiàn)了傾斜變形，出現(xiàn)這種情況的原因是上部豎井受采動(dòng)影響較大，豎井向空區(qū)方向移動(dòng)，不過(guò)豎井在水平方向上變形較小，不超過(guò)4 mm。

圖9 豎井不同深度變形

在豎井位置作垂直于X軸的剖面，剖面上的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力云圖如圖 10所示，不同深度處徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力沿Y軸變化曲線如圖11所示。沿著軸向方向，徑向應(yīng)力靠近井壁處為應(yīng)力釋放區(qū)，切向應(yīng)力靠近井壁處為應(yīng)力集中區(qū)，沿著軸向方向，應(yīng)力釋放區(qū)和集中區(qū)范圍隨深度變化不是很明顯。四個(gè)深度處，徑向應(yīng)力在沿著Y軸方向上隨著距井壁距離增加，均快速增加到一定值，然后緩慢增加直至恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，而切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力正好相反，先是降低到一定值，后緩慢降低，最終恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均是在距井壁8 m處恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，說(shuō)明豎井開(kāi)挖的應(yīng)力擾動(dòng)范圍在8 m左右，而豎井不同深度上的應(yīng)力擾動(dòng)范圍幾乎無(wú)變化，證明了礦體開(kāi)挖后的應(yīng)力擾動(dòng)范圍并未波及到豎井周圍。

圖10 應(yīng)力變化云圖

圖11 應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

（1）通過(guò)PFC模擬出32號(hào)礦體開(kāi)采的臨界散體柱高度為257 m，礦體開(kāi)采后若及時(shí)用廢石充填采空區(qū)，使臨界散體柱位置不下移，即可限制上覆巖層的移動(dòng)范圍。

（2）利用臨界散體柱作用機(jī)理重新圈定了鑫達(dá)金礦盲豎井保安礦柱，有效解決了按移動(dòng)角圈定保安礦柱時(shí)壓礦嚴(yán)重的問(wèn)題。

（3）礦體開(kāi)采對(duì)豎井穩(wěn)定性影響較小，豎井垂直方向上變形大于水平方向變形，雖然豎井在水平方向出現(xiàn)了傾斜變形，但最大變形值只有4 mm，豎井處于穩(wěn)定狀態(tài)。