香山銅鎳礦采空區(qū)與主井井筒穩(wěn)定數(shù)值模擬研究

吳亞飛，張 寶，顧生春，李志軍，李 勇

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引 言

香山銅鎳礦礦區(qū)所有礦體均產(chǎn)于基性-超基性侵入巖體內(nèi)，其巖體的頂板為單輝橄欖巖、二輝橄欖巖、橄欖巖等，底板為輝長(zhǎng)巖、凝灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖等。按巖土工程學(xué)對(duì)巖石的分類，礦體的頂、底板均屬堅(jiān)硬巖石，其巖石的工程力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。香山銅鎳礦床礦山開拓方式為豎井+平巷開拓方式，空?qǐng)龇ú傻V，隨著礦山生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，井下將形成很多采空區(qū)，地面也將形成礦渣堆放場(chǎng)。

因歷史原因，礦山采富棄貧，無序開采，2008年后期生產(chǎn)因強(qiáng)采強(qiáng)挖，造成主井 24線附近部分空區(qū)采場(chǎng)預(yù)留間柱塌陷，導(dǎo)致上下、相鄰采場(chǎng)聯(lián)通，礦山也未進(jìn)行處理，致使620水平至748水平空區(qū)塌陷，導(dǎo)致部分礦體遺留未采。空區(qū)塌陷后對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行了調(diào)查、測(cè)量。在720水平以及上部部分間柱、頂柱完好。塌陷空區(qū)計(jì)算體積為22萬m3。

在采空區(qū)分布范圍內(nèi)，將會(huì)有地面沉陷的可能，勢(shì)必影響井下生產(chǎn)、運(yùn)輸井巷和作業(yè)人員生命財(cái)產(chǎn)的安全。為分析現(xiàn)有空區(qū)對(duì)主井井筒穩(wěn)定性的影響，礦區(qū)開展了新疆哈密市香山銅鎳礦采空區(qū)及主井井筒穩(wěn)定性分析研究。

1 穩(wěn)定性數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬方案

為完全模擬分析采空區(qū)和井筒受力狀態(tài)，以新疆哈密市香山銅鎳礦提供的香山 620，670，720，770，820中段平面圖、24線地質(zhì)剖面圖為建模的基礎(chǔ)資料。根據(jù)各勘探線剖面圖之工程地質(zhì)巖性、采空區(qū)分布等情況，依次平行相連形成三維結(jié)構(gòu)體，所形成的有限差元模擬分析模型如圖1所示，圖中不同的顏色表示不同的礦巖，模型單元為1385314個(gè)，節(jié)點(diǎn)為241753個(gè)。

圖1 經(jīng)HyperMesh網(wǎng)格化后的模型剖面

數(shù)值分析計(jì)算模型范圍x=800 m（東西方向），y=500（南北方向），z=445（470水平到地面高度）；收斂采用自動(dòng)控制時(shí)間步來求解模型。模型邊界約束采用位移約束。

為研究香山礦區(qū)采空區(qū)形成之后，主井井筒、采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性及破壞擴(kuò)展情況，盡可能模擬出在礦體采出之后應(yīng)力、應(yīng)變的演變過程，因此安排了多步開挖步驟進(jìn)行模擬：

（1）建立 3D模型，導(dǎo)入 Hypermesh劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換為Flac3D文件并賦相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)；

（2）計(jì)算原巖應(yīng)力場(chǎng)；

（3）主井井筒形成后應(yīng)力應(yīng)變；

（4）計(jì)算 770中段以上采空區(qū)形成后的應(yīng)力應(yīng)變；

（5）計(jì)算 720中段以上采空區(qū)形成后的應(yīng)力應(yīng)變；

（6）計(jì)算其余采空區(qū)形成后的應(yīng)力應(yīng)變。

1.2 力學(xué)判據(jù)與巖體力學(xué)參數(shù)

（1）力學(xué)判據(jù)。采空區(qū)和豎井井筒穩(wěn)定性分析涉及到圍巖體、礦體，這些介質(zhì)均屬?gòu)椝苄圆牧希m用于摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則分析研究，故采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則來確定礦體開挖后，采空區(qū)和豎井井筒周圍應(yīng)力、位移及塑性區(qū)等分布規(guī)律：

式中，σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；C、φ分別為材料粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角；fs為破壞判斷系數(shù)。當(dāng)fs≥0時(shí)，材料處于塑性流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)fs≤0時(shí)，材料處于彈性變形階段。在拉應(yīng)力狀態(tài)下，若拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，材料將發(fā)生拉伸破壞。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)。根據(jù)新疆香山銅鎳礦提供的礦巖體力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果及經(jīng)計(jì)算后井筒力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)模型中所采用的巖體力學(xué)參數(shù)

2 穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果分析

從地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研來看，香山礦區(qū)井筒建立在穩(wěn)定的基巖中，實(shí)踐證明，只有發(fā)生破壞的基巖才會(huì)對(duì)井筒襯砌產(chǎn)生壓力，可以認(rèn)為不破壞的基巖層對(duì)井筒的穩(wěn)定性無影響。模擬分析主要探尋采空區(qū)和主井井筒周圍的巖層分布應(yīng)力、應(yīng)變，判斷應(yīng)力是否受到采空區(qū)過大的影響，分析主井井筒的穩(wěn)定性狀況。

2.1 主應(yīng)力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，從 24號(hào)勘探線最大、最小主應(yīng)力圖可以看出（見圖2、見圖3），在空區(qū)形成之后的應(yīng)力已經(jīng)影響到了井筒，具體的位置為圖中兩橫線之間，其中最大主應(yīng)力影響為井筒標(biāo)高725～743 m，最小主應(yīng)力影響為井筒標(biāo)高731～758 m，其中在標(biāo)高725～731 m處將受到附加最大、小主應(yīng)力同時(shí)作用，此段為最危險(xiǎn)處。

圖2 24號(hào)勘探線最小主應(yīng)力圖

圖3 24號(hào)勘探線最大主應(yīng)力圖

另外，從各平面最大、最小主應(yīng)力來看，在空區(qū)形成之后的主應(yīng)力并未影響到井筒，但最小主應(yīng)力已經(jīng)有一部分影響到了井筒；其中 620，670平面中空區(qū)的上盤出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，720平面中空區(qū)的下盤出現(xiàn)一定拉應(yīng)力，拉應(yīng)力對(duì)空區(qū)的穩(wěn)定性不利，這部分受拉應(yīng)力的巖體將可能在重力的作用下剝落。

2.2 整體位移分析

根據(jù)圖4和表2可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)整體位移最大為28 mm，在礦井淺部位移主要產(chǎn)生在礦體的上盤，在礦井的深部位移主要產(chǎn)生在礦體的下盤；井筒周圍的位移最大不超過6 mm，最小值小于2 mm，可以認(rèn)為井筒周圍受位移的影響不明顯，整個(gè)井筒的混泥土襯砌不會(huì)出現(xiàn)因位移引起的裂縫與剝落。

圖4 24號(hào)勘探線位移

表2 主井井筒周圍位移

2.3 剪應(yīng)變?cè)隽糠治?/h3>

如圖5所示，剪應(yīng)變?cè)隽恐饕a(chǎn)生在采空區(qū)邊緣部位，其中最大值為1×10-3；井筒周圍受剪應(yīng)變?cè)隽康挠绊懹邢蓿渲?70平面上井筒邊緣剪應(yīng)變?cè)隽繛?.36×10-5，其余各處井筒邊緣的剪應(yīng)變?cè)隽恐刀夹∮?.36×10-5。從剪應(yīng)變?cè)隽康慕嵌葋碓u(píng)價(jià)井筒的穩(wěn)定性可以認(rèn)為井筒是穩(wěn)定的，井筒受目前采空區(qū)的影響較小。

圖5 24號(hào)勘探線剖面剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

2.4 塑性區(qū)分析

如圖6、表3所示，出現(xiàn)的破壞主要為抗剪、抗拉破壞，其中以抗拉破壞居多，抗剪破壞較少。兩類破壞主要出現(xiàn)在采空區(qū)的邊緣處，在井筒的周圍未出現(xiàn)破壞。從塑性區(qū)分布的角度來分析井筒的穩(wěn)定性，可以認(rèn)為在井筒的周圍不存在塑性破壞，井筒穩(wěn)定。

圖6 24號(hào)勘探線剖面塑性區(qū)分布

表3 塑性區(qū)體積/m3

3 結(jié) 論

（1）香山礦區(qū)井筒處于穩(wěn)定的基巖中，實(shí)踐表明只有主井井筒周圍發(fā)生破壞的基巖才會(huì)對(duì)井筒襯砌產(chǎn)生壓力，可以認(rèn)為不破壞的基巖層對(duì)井筒的穩(wěn)定性無影響。結(jié)合整體位移分析、剪應(yīng)變?cè)隽糠治黾八苄詤^(qū)分布分析，空區(qū)形成過程中所引起的巖層移動(dòng)、剪切應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布未波及到井筒周圍的巖層，可以認(rèn)為井筒是穩(wěn)定。

（2）通過最大、最小主應(yīng)力分析，采空區(qū)形成過程中所引起最大主應(yīng)力影響為井筒標(biāo)高 725～743 m，最小主應(yīng)力影響為井筒標(biāo)高731～758 m，其中在標(biāo)高725～731 m處將受到附加最大、最小主應(yīng)力同時(shí)作用，此段為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

（3）采空區(qū)中兩個(gè)頂柱已經(jīng)受拉、受剪破壞，這兩個(gè)頂柱易受爆破震動(dòng)而失穩(wěn)。主井井筒距離采空區(qū)70 m左右，隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)頂板會(huì)不斷冒落，空區(qū)越來越大，高度也來越高，有可能影響主井井筒的安全。

因此，應(yīng)采取應(yīng)力、應(yīng)變、位移等多種觀測(cè)手段和方法對(duì)空區(qū)與井筒襯砌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握礦巖應(yīng)力變化規(guī)律，做到提前安全預(yù)報(bào)，預(yù)防災(zāi)害事故，確保安全生產(chǎn)。