近距離復(fù)雜薄礦脈群開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律研究

李朝良，李應(yīng)武

(1.江城縣水利局， 云南普洱市 665900；2.云南馳宏資源勘查開(kāi)發(fā)有限公司， 云南曲靖市 655000)

近距離復(fù)雜薄礦脈群開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律研究

李朝良1，李應(yīng)武2

(1.江城縣水利局， 云南普洱市 665900；2.云南馳宏資源勘查開(kāi)發(fā)有限公司， 云南曲靖市 655000)

受復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，某礦山呈現(xiàn)出薄礦脈在相對(duì)狹小的范圍內(nèi)富集的現(xiàn)象，多條礦脈集中發(fā)育，且礦脈間距離較近，礦脈延展變化很大。薄礦脈群的開(kāi)采必然形成相互影響，在前期開(kāi)采過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鄰近礦體開(kāi)采圍巖變形較為明顯，圍巖難以自穩(wěn)，支護(hù)成本居高不下，甚至出現(xiàn)冒頂片幫事故。為深入研究復(fù)雜薄礦脈群開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律，在礦體圍巖充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立逼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際三維數(shù)學(xué)模型，模擬分析礦脈開(kāi)采后圍巖應(yīng)力和位移變化。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，提出相關(guān)建議措施以確保后續(xù)回采工作順利開(kāi)展。

薄礦脈；巖層移動(dòng)；應(yīng)力變化

1 礦山基本概況

某礦位于云南西南部橫斷山區(qū)，受長(zhǎng)時(shí)間的地質(zhì)演化作用，形成一復(fù)雜近距離石英脈群，礦脈走向?yàn)楸蔽?0°～80°，傾向北東，傾角69°～85°，脈厚1～3 m，一般厚2 m左右，礦脈延長(zhǎng)100～300 m，延深200～600 m，規(guī)模小至大型不等。礦脈與礦脈間距離較小，為5～20 m不等。礦脈主要特征為:脈體總體平直穩(wěn)定，局部有時(shí)呈大角度彎曲，其彎曲度在155°～180°之間，分枝復(fù)合情況較少，僅在主脈側(cè)旁有羽毛狀小脈出現(xiàn)，長(zhǎng)度一般較短，多為2～20 m，少數(shù)達(dá)25～40 m。垂直面上分枝現(xiàn)象一般少見(jiàn)，愈深則分枝小，礦脈愈不發(fā)育。

薄礦脈群采用淺孔留礦法由下向上開(kāi)采，目前已形成5個(gè)開(kāi)采中段。在前期開(kāi)采過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鄰近礦體開(kāi)采圍巖變形較為明顯，圍巖難以自穩(wěn)，支護(hù)成本居高不下，甚至出現(xiàn)冒頂片幫事故。為保證礦脈安全高效開(kāi)采，必須對(duì)薄礦脈群開(kāi)采后的巖移進(jìn)行深入研究，以優(yōu)化礦脈開(kāi)采順序，減少近距離回采時(shí)相互擾動(dòng)，確保后續(xù)回采工作順利開(kāi)展。

2 三維實(shí)體模型的建立

2.1 建立三維實(shí)體模型

該礦礦體較為特殊，由多條急傾斜薄礦脈組成。此次礦體模型主要范圍由1中段以下5中段以上礦體組成，包括1脈、2脈、3脈、4脈、5脈和6脈等主要開(kāi)采礦脈。在CAD中圈定各中段礦體范圍，并根據(jù)地表等高線圖，運(yùn)用MIDAS中的實(shí)體工具建立礦區(qū)薄礦脈群三維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 礦體圍巖三維實(shí)體模型(透視)

為清楚展示各脈間相對(duì)位置關(guān)系，整體模型建好之后，在礦脈的走向方向上，切出x＝600和x＝800兩個(gè)豎向剖面，將礦脈標(biāo)識(shí)出來(lái)，反映在圖2中。

從圖2中可以明顯看出兩個(gè)明顯特征:首先薄礦脈在狹小的范圍內(nèi)成集聚狀，各脈間距離很近，尤其是1脈和2脈、5脈和6脈間部分區(qū)域，距離不足8 m。其次，各脈形態(tài)變化較大，如1脈在3中段～4中段間幾乎成90°直角分布，4脈在5中段～6中段間也延伸近似成一直角。

2.2 模型力學(xué)屬性賦值

在模型中根據(jù)巖性的不同賦予不同力學(xué)參數(shù)，主要涉及到的力學(xué)參數(shù)有彈性模量、泊松比、容重、飽和容重、粘聚力、膨脹角、抗拉強(qiáng)度、初始應(yīng)力參數(shù)以及本構(gòu)模型。該模型的計(jì)算選用了常用的摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)獲取了基本的力學(xué)參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行折算得到巖體力學(xué)參數(shù)，對(duì)有限元模型的巖體性質(zhì)賦值，如表1所示。

圖2 各薄礦脈群間的相對(duì)位置關(guān)系

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算分析

一般來(lái)說(shuō)，伴隨著礦體開(kāi)采，采空區(qū)的形成是一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，依照各礦脈開(kāi)采順序，此次數(shù)值模擬開(kāi)采順序?yàn)閺纳现料赂髦卸沃鸩酵七M(jìn)，直至6中段以上礦體開(kāi)采結(jié)束。數(shù)值模擬分析重點(diǎn)在于6中段以上礦體開(kāi)采后，開(kāi)采區(qū)域空區(qū)的地壓活動(dòng)。

3.1 采空區(qū)位移分析

采空區(qū)位移呈現(xiàn)“上大下小”的現(xiàn)象，即上部空區(qū)位移相對(duì)較大，下部空區(qū)位移相對(duì)較小，距地表越近的空區(qū)位移越大。而最大位移量發(fā)生在1脈、2脈之間的小范圍區(qū)域，下向位移達(dá)10～12 cm，如圖3～圖4所示。

圖3x＝600處的豎向位移

采空區(qū)的豎向位移隨開(kāi)采范圍的擴(kuò)大逐漸增大。1中段開(kāi)采后，最大位移僅5～6 cm，位于1脈間，豎向位移幾乎可以忽略不計(jì)；此后位移量逐漸增加，4中段開(kāi)采結(jié)束后，最大位移量為9～10 cm；6中段開(kāi)采結(jié)束后，最大位移量增至12 cm。由于各脈均為極薄礦脈，采幅小，采空區(qū)的橫向位移較小，一般為2 cm以下。

圖4x＝800處的豎向位移

3.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

由于礦巖體抗壓強(qiáng)度較大，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小，通常其抵抗拉破壞的能力也相對(duì)較弱。此次應(yīng)力分析著重介紹薄礦脈群開(kāi)采后拉應(yīng)力場(chǎng)的變化情況。

從最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)云圖分析，2中段礦體開(kāi)采后，拉應(yīng)力主要集中采空區(qū)周圍小范圍區(qū)域，拉應(yīng)力值約0.4 MPa，如圖5所示；隨著開(kāi)采范圍擴(kuò)大，4中段開(kāi)采后，拉應(yīng)力集中區(qū)域相應(yīng)增大，最大拉應(yīng)力值約0.5 MPa；6中段開(kāi)采后，拉應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步增大，影響深度擴(kuò)大至整個(gè)開(kāi)采區(qū)域，其中1脈空區(qū)外圍超過(guò)20 m圍巖均產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力值約0.5 MPa(見(jiàn)圖6)。

3.3 塑性區(qū)分析

礦體回采過(guò)程中出現(xiàn)一定的塑性破壞，主要為拉伸破壞。塑性區(qū)主要分布在采空區(qū)上下盤圍巖，礦脈距離較近的采空區(qū)塑性區(qū)較為集中。開(kāi)采范圍越大，塑性區(qū)分布越廣。2中段礦體開(kāi)采后，幾乎無(wú)塑性區(qū)分布；4中段開(kāi)采后，1脈和2脈間圍巖分布有少量塑性區(qū)(見(jiàn)圖7)，此時(shí)塑性區(qū)已逐漸連成一片；6中段開(kāi)采后，在采空區(qū)集中的中心區(qū)域，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，特別是1脈和2脈、5脈和6脈之間，孤立的塑性區(qū)貫通成一整體，采空區(qū)與采空區(qū)間圍巖產(chǎn)生一定區(qū)域拉伸破壞，如圖8所示。

圖5 2中段開(kāi)采后的最大主應(yīng)力云圖

圖6 6中段開(kāi)采后的最大主應(yīng)力云圖

圖7 2中段開(kāi)采后的塑性區(qū)分布

圖8 6中段開(kāi)采后的塑性區(qū)分布

4 結(jié) 論

(1)近距離復(fù)雜薄礦脈群開(kāi)采后采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)存在一定差異。從位移場(chǎng)的變化分析，隨著回采中段的下降，采空區(qū)圍巖位移不斷增加，其中以豎向位移為主。礦脈間距越短，采空區(qū)數(shù)量越集中，位移量越大，其中1脈和2脈采空區(qū)位移量相對(duì)較大，最大豎向位移為12 cm，最大橫向位移為7 cm。

(2)在整個(gè)開(kāi)采區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)了較小拉應(yīng)力，均不超過(guò)0.5 MPa，其中1脈、5脈和6脈采空區(qū)周圍為拉應(yīng)力集中區(qū)域，這一區(qū)域的穩(wěn)定性相對(duì)較差，圍巖易發(fā)生拉伸破壞。

(3)對(duì)塑性區(qū)的分析表明，采空區(qū)圍巖以拉伸破壞為主，塑性區(qū)分布較為零散，面積較小，采空區(qū)整體穩(wěn)定性較好。但近距離的礦脈開(kāi)采，可導(dǎo)致其周邊出現(xiàn)較為集中的塑性區(qū)。1脈和2脈、5脈和6脈距離相對(duì)較近，礦脈回采后圍巖受拉破壞，并可能產(chǎn)生局部冒落。在這一區(qū)域內(nèi)應(yīng)采取有效措施，防止冒頂片幫事故發(fā)生。

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2015-12-24)

李朝良(1974-)，男，云南普洱人，地質(zhì)工程師，從事水利水電地質(zhì)勘察工作，Email:402624007@qq.com。