某銅礦水平礦柱開采力學(xué)效應(yīng)研究

周德照 熊睿

（①溫州東泰建設(shè)工程有限公司溫州325000 ②江西銅業(yè)集團東同礦業(yè)有限責(zé)任公司東鄉(xiāng) 331800）

1 概述

某銅礦-385m～-400m 的水平礦柱，是一種臨時結(jié)構(gòu)物，在其涉及到的相關(guān)采礦工程結(jié)構(gòu)體系中，屬于重要的臨時結(jié)構(gòu)體，關(guān)系到礦山的整體穩(wěn)定性。水平礦柱自身的穩(wěn)定性又是一個潛在的安全隱患源，一旦水平礦柱突然失穩(wěn)，勢必造成采場地壓劇烈顯現(xiàn)，采空區(qū)上下盤圍巖急劇移動變形，影響水平礦柱的安全回收，甚至可能影響到礦區(qū)的整體穩(wěn)定性，且剩余的礦體將無法回收。通過研究礦體的回采過程，分析開采累積擾動對水平礦柱的力學(xué)參數(shù)影響變化，水平礦柱與充填體的共同作用力學(xué)效應(yīng)的變化規(guī)律，從而對水平礦柱自身穩(wěn)定性的科學(xué)評估判斷和礦柱回采方案研究的提供重要的依據(jù)。研究礦體歷史累計回采過程中，分析水平礦柱的力學(xué)效應(yīng)顯現(xiàn)規(guī)律，對礦山的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的影響。

2 數(shù)值模擬模型及力學(xué)參數(shù)

2.1 計算模型的建立

通過某銅礦各礦體資料的收集與分析，將所得各中段平面圖及地質(zhì)剖面圖CAD格式的資料進行預(yù)處理后，通過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成實際坐標(biāo)后導(dǎo)入Surpac 形成線串文件，在此建立該區(qū)域的數(shù)值計算礦段模型。

為了便于塊體單元之間的銜接，兼顧FLAC3D幾何模型的單元尺寸，整個模型用統(tǒng)一的塊體模型來擬合，塊體模型最小單元尺寸為5m×5m×5m。同時，為了數(shù)據(jù)導(dǎo)出方便，將礦體旋轉(zhuǎn)一個角度，并帶基點移動到坐標(biāo)零點，再通過建立塊體約束文件來區(qū)分圍巖的上下盤，并對上下盤圍巖賦值巖性等屬性，安慶銅礦各礦體計算模型如下圖1所示。

圖1 礦體計算模型

2.2 模型介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

參與計算的巖體主要有四種：大理巖、閃長巖、矽卡巖和礦石，礦體上盤圍巖為角礫狀大理石，礦體下盤圍巖為矽卡巖、蝕變閃長巖，輕變質(zhì)粉砂巖石和鈣質(zhì)角頁巖。其中矽卡巖分布相對較少，其力學(xué)參數(shù)與閃長巖相近，為避免繁瑣，故在賦參數(shù)時將其歸至閃長巖一類。模型中采場的充填體有2 種：（1）作為采場假底和一步驟回采礦房的高配比尾砂膠結(jié)充填體；（2）二步驟礦柱回采后的非膠結(jié)尾砂充填體。計算模型中的巖體力學(xué)參數(shù)由巖石力學(xué)參數(shù)折減而來，各種介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)取值列于表1。

表1 計算模型中各種介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

3 水平礦柱力學(xué)效應(yīng)顯現(xiàn)

3.1 水平位移

原有采礦累積活動在-400m 水平X 方向位移空間分布如圖2所示。

由圖可知，原有采礦活動在-400m水平X方向位移分布特征是：

圖2 原有采礦活動在-400m水平X方向位移云圖

原有累積采礦活動在-385m～-400m 水平礦柱產(chǎn)生X方向向左移動與向右移動區(qū)域存在一個北偏東45°角的明顯分界限。在2線以西斜下方呈向右移動趨勢，2線以東斜上方呈向左移動趨勢。這是由于水平礦柱受上部充填體壓力及水平應(yīng)力共同作用造成的，這表明水平礦柱有產(chǎn)生兩端向中間壓縮的趨勢；水平礦柱在15m厚度方向上，水平位移變形規(guī)律近似一致，不同高度上未發(fā)生明顯變化；最大向左位移區(qū)域形態(tài)近似橢圓形分布，位以1線以西下盤邊緣區(qū)域，最大向右移位于西部厚大礦體2線上盤邊緣區(qū)域及8線下盤邊緣區(qū)域；水平向左位移量最大位移值為-9.22mm左右，向右位移量最大為9.59mm，兩者最大位移量區(qū)域都分別集中于間厚大礦體區(qū)域上下盤，主要是因為厚大礦體回采之后造成采空區(qū)面積較大，造成位移量較大；總體上原有采礦活動引起水平礦柱的水平變形位移值較小，說明原有采礦活動開采對水平礦柱穩(wěn)定性影響不大。

3.2 最小主應(yīng)力

原有累積采礦在-400m樓板水平剖面最小主應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 原有采礦活動在-400m水平最小主應(yīng)力等值線云圖

由圖可知，-400m 水平剖面的原巖的最小主應(yīng)力約為-17.00Mpa。隨著礦體的開采，采區(qū)跨度逐步擴大，水平礦柱應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)移到采區(qū)上、下盤等四周圍巖上，誘發(fā)形成采空區(qū)圍巖新次一級應(yīng)力場，最小主應(yīng)力的空間分布在具體演變過程中，均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；在原有采礦活動后，所對應(yīng)的水平礦柱礦體區(qū)域，形成明顯的最小主應(yīng)力降低區(qū)，在色譜圖中產(chǎn)生為紅色區(qū)域代表的應(yīng)力降低區(qū)，該區(qū)域位于4 線以東，尤其明顯于8 線附近，其最小主應(yīng)力值為-8.51Mpa；在4 線以西較厚大礦體區(qū)域，采區(qū)范圍所對應(yīng)的水平礦柱上下盤圍巖等接觸處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即沿采區(qū)上、下盤邊界等產(chǎn)出的近似連續(xù)的藍(lán)色條帶代表的高應(yīng)力（或應(yīng)力集中）區(qū)，尤其以1 線以西較為明顯，其最小主應(yīng)力值為-31.82Mpa；在礦體走向的水平礦柱的兩側(cè)圍巖應(yīng)力集中區(qū)域范圍較其它邊界區(qū)域面積大，下盤應(yīng)力集中區(qū)域比上盤大。

3.3 最大主應(yīng)力

原有累積采礦在水平礦柱-400m剖面最大主應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

與原巖地應(yīng)力場的最大主應(yīng)力（最大主應(yīng)力背景值：-10.00Mpa）分布相比，由圖4 知，在水平礦柱-400m剖面上，最大主應(yīng)力在空間分布上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：

在水平礦柱礦體中及上下盤圍巖附近存在最大主應(yīng)力明顯降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)域的空間分布形態(tài)受原有采礦的影響；受累計回采影響，水平礦柱巖體3線至0線之間及4線以東的最大主應(yīng)力值與原巖應(yīng)力值相比，降低極為明顯，頂板的最大主應(yīng)力值為0.45Mpa；-400m 水平礦柱兩端盤圍巖及2 線上盤圍巖等接觸處存在最大主應(yīng)力升高區(qū)，或者最大主應(yīng)力輕度集中區(qū)，其最大主應(yīng)力值為-11.37Mpa；-400m水平礦柱礦體中出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象，但出現(xiàn)的區(qū)域及拉應(yīng)力值較小，樓板在穩(wěn)定性范圍以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對某銅礦礦體開采過程的數(shù)值模擬，分析了-385～-400m 水平礦柱周邊巖體巖移和地壓活動區(qū)域，可以得到以下結(jié)論：

⑴水平礦柱上下盤圍巖應(yīng)力集中區(qū)域增大，主要集中在4 線以西，尤以2 線附近較為明顯，采場充填后，水平礦柱應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解；

⑵水平礦柱在本年度有下沉的趨勢，最大下沉變形區(qū)域的最大位移值為-9.93mm，最大上升變形區(qū)域的最大位移值為3.19mm；

⑶建議礦山在采場出礦完畢后及時進行充填工作，以緩解水平礦柱的下沉和圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象。