金川二礦區(qū)1#礦體上盤貧礦開采對(duì)14行回風(fēng)井的穩(wěn)定性影響研究

汪小平 寇永淵 郭赟林 康隴平 王 鑫 馬蘇龍

（金川集團(tuán)股份有限公司二礦區(qū)，甘肅 金昌 737100）

豎井工程的穩(wěn)定性對(duì)于地下礦山的生產(chǎn)意義重大［1-2］。由于大多數(shù)豎井工程受不良地質(zhì)條件作用及采礦巖移的影響，在服役過程中不可避免地會(huì)發(fā)生不同程度的變形破壞甚至垮塌，嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)。金川二礦區(qū)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，大多數(shù)豎井井筒在投入使用后都發(fā)生了一定程度的變形破壞，對(duì)礦區(qū)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。由于前期富礦開采破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，使得貧礦體自身的應(yīng)力場環(huán)境更為復(fù)雜，從而使1 250 m水平以上貧礦開采面臨更大困難；后期貧礦開采將會(huì)擴(kuò)大采空區(qū)范圍，對(duì)采場圍巖和上覆巖層產(chǎn)生二次擾動(dòng)，必然會(huì)加劇對(duì)14行主回風(fēng)井等主要構(gòu)筑物的影響。因此，在貧礦體開采時(shí)一方面要充分考慮貧礦開采自身的安全性問題，同時(shí)還要考慮貧礦開采對(duì)礦區(qū)豎井穩(wěn)定性的影響。

由于豎井工程自身的特殊性，目前數(shù)值模擬計(jì)算是地下工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中比較常用的理論分析方法。孫強(qiáng)等［3］利用有限元軟件模擬豎井的開挖過程，分析了復(fù)雜地質(zhì)條件下豎井開挖的穩(wěn)定性，并優(yōu)化了加固參數(shù)；魏秀泉等［4］通過數(shù)值模擬手段預(yù)測了井筒變形的區(qū)域；陳祥福等［5］采用數(shù)值模擬方法對(duì)井壁破壞時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況以及塑性區(qū)的范圍、破裂形態(tài)、破裂時(shí)間等相關(guān)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究；周舒威等［6］利用大型有限元軟件，系統(tǒng)分析了二維、三維建模情況下數(shù)值模擬結(jié)果存在的誤差；陳勛等［7］通過模擬礦山動(dòng)態(tài)開采過程，得到深部礦體開采后豎井井筒圍巖位移變形規(guī)律、應(yīng)力分布特征和塑性區(qū)分布特征。此外部分學(xué)者還通過工程地質(zhì)調(diào)查、地表變形監(jiān)測以及井筒位移測量等多種手段，對(duì)井筒的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。孫闖等［8］結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查及數(shù)值模擬手段，對(duì)煤礦深部豎井井壁變形破壞機(jī)制進(jìn)行分析研究，并對(duì)豎井井筒支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。呂顯州等［9］建立智能監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了立井井壁的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，掌握了井筒的變形規(guī)律，并通過理論模型預(yù)測了井壁的破壞時(shí)間和部位。

基于上述關(guān)于豎井井筒穩(wěn)定性的研究，本文采用數(shù)值模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場變形監(jiān)測相結(jié)合的方法，有針對(duì)性地研究了1 250 m以上貧礦開采對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響，通過與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬過程的可靠性，為后續(xù)貧礦開采提供了有力理論基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)概況

金川二礦區(qū)1#礦體礦脈深千余米，其中，富礦（SN-A1）長1 300 m，平均寬度69 m，傾向SW230°，傾角60°～75°。頂部主要為貧礦石，中、深部主要為富礦型礦石，富礦的周圍、頂部或一側(cè)是貧礦，如圖1所示。二礦區(qū)1#礦體在一期開采時(shí)采取“采富保貧”的方針，對(duì)1 100 m水平以上的上盤貧礦進(jìn)行了保留。

14行回風(fēng)井井深717 m（+1 717～+1 000 m），井筒凈直徑6.5 m，設(shè)計(jì)總回風(fēng)量420 m3/s，于2000年12月25日建成使用。二礦區(qū)采用兩翼進(jìn)風(fēng)、中央集中回風(fēng)的通風(fēng)模式，14行主回風(fēng)井作為井下生產(chǎn)污風(fēng)的唯一通道，其穩(wěn)定性對(duì)于保證二礦區(qū)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，由于長期受采礦巖移影響以及不良地質(zhì)條件的作用，發(fā)生了不同程度的變形破壞，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。14行回風(fēng)井井筒圍巖的巖體結(jié)構(gòu)分布及穩(wěn)定性分級(jí)如表1所示。

二礦區(qū)14行回風(fēng)井安全穩(wěn)定性問題成為可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，根據(jù)所圈定的1 250 m水平以上貧礦開采的巖體移動(dòng)和塌落區(qū)范圍，如圖2所示。

2 開采過程對(duì)豎井變形的機(jī)理探究

2.1 影響豎井圍巖穩(wěn)定性的因素

豎井圍巖變形的因素大致可分為地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素。地質(zhì)因素是影響圍巖變形和穩(wěn)定的基本的決定性因素，主要包括圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力條件以及地下水的狀態(tài)等；非地質(zhì)因素是通過地質(zhì)因素的作用而起作用的，主要包括井筒規(guī)格、支護(hù)措施、回采及掘進(jìn)過程等，具體影響因素如表2所示。

2.2 采動(dòng)影響下豎井破壞機(jī)理

豎井開挖過程中圍巖將首先被破壞，并逐漸向深部擴(kuò)展，直至在一定深度取得新的應(yīng)力平衡為止，此時(shí)圍巖已過渡到破碎狀態(tài)，形成松動(dòng)圈，而松動(dòng)圈以外是塑性極限平衡區(qū)及彈性區(qū)［10］，如圖3所示。豎井的變形破壞是由圍巖破壞引起的，圍巖的穩(wěn)定性與松動(dòng)圈密切相關(guān)，而松動(dòng)圈的特征又與巖石強(qiáng)度、應(yīng)力分布等情況密切相關(guān)。

金川二礦區(qū)礦體為急傾斜礦體，因此可用開采傾斜礦體的應(yīng)力及位移分布規(guī)律分析井壁破壞的原因。當(dāng)采礦受到開采擾動(dòng)后，原巖應(yīng)力進(jìn)行重分布，在拉應(yīng)力的作用下，圍巖的內(nèi)聚力將減小并發(fā)生松動(dòng)變形。從圖4中發(fā)現(xiàn)，沿礦體傾斜方向的拉應(yīng)力分布區(qū)與14行回風(fēng)井相交，相交區(qū)域拉應(yīng)力相對(duì)集中，說明距離井口90～255 m處的井壁段容易出現(xiàn)變形破壞。此外，由于14行回風(fēng)井井筒穿過F207斷層及其影響帶，該段水文工程條件極差，是井壁未來發(fā)生變形破壞的潛在重大風(fēng)險(xiǎn)，因此在后期貧礦開采過程中，必須重點(diǎn)關(guān)注該段井筒的變形情況。

3 貧礦開采對(duì)14行回風(fēng)井影響的數(shù)值模擬分析

3.1 模型破壞準(zhǔn)則

金川礦區(qū)礦巖節(jié)理裂隙十分發(fā)育，但在深部高應(yīng)力環(huán)境中，圍巖和礦體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)不太顯著，在數(shù)值模型建立的過程中仍可將其視為各向同性的彈性連續(xù)介質(zhì)；此外，充填體作為人工材料，雖然存在一定程度的離析分層，但其物理力學(xué)性能更加接近于均質(zhì)體，可視為彈塑性連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中各種材料均采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型。

3.2 主要巖體參數(shù)的選取

礦區(qū)范圍內(nèi)主要的巖石試樣類型包括二輝橄欖巖、橄欖輝石巖、貧礦、富礦、特富礦、大理巖和混合巖等，其巖體力學(xué)參數(shù)推薦值如表3所示。

3.3 模擬開采方案及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)礦區(qū)的開采建設(shè)情況，首先開展前期的富礦開采數(shù)值模擬，直至與當(dāng)前的開采實(shí)際情況相一致，再將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測的結(jié)果做對(duì)比分析，論證模型的可靠性。在本次模擬時(shí)僅考慮開挖和充填，簡化開采順序，按照礦山實(shí)際開采狀況長遠(yuǎn)規(guī)劃共分為6步，具體開采區(qū)段、充填步驟和開采時(shí)間如表4所示。

根據(jù)二礦區(qū)的實(shí)際開采過程，即+1 350～+1 250 m富礦開采結(jié)束后，14行回風(fēng)井的三維模型如圖5所示。

為討論1#礦體上盤貧礦開采對(duì)14行回風(fēng)井的影響，在貧礦開采前，對(duì)豎井模型體進(jìn)行狀態(tài)清零操作，再進(jìn)行+1 250 m以上貧礦的開采、充填模擬計(jì)算，計(jì)算所得結(jié)果如圖6所示。根據(jù)金川礦區(qū)最近研究成果，二礦區(qū)最大主應(yīng)力為水平構(gòu)造應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向?yàn)楸北睎|向，與礦體走向垂直，收斂采用自動(dòng)控制時(shí)間步來求解模型，直到最大不平衡力精度為1×10-5為止。

圖6（a）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面X軸方向位移云圖，由圖中可看出，井筒最大水平位移值出現(xiàn)在+1 300～+1 400 m之間，最大累積變形值約1 m，變形由中間向兩側(cè)逐漸減小。圖6（b）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面Y軸方向位移云圖，由圖中可看出，井筒最大水平位移值出現(xiàn)在+1 300～+1 400 m水平之間，累積最大變形值約1.2 m，變形量呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小的特點(diǎn)，變形值的分布規(guī)律與X軸方向變形相似，但影響范圍更大。圖6（c）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面豎直方向上的位移云圖，由圖中可看出，豎井的上半部分發(fā)生沉降，而下半部分發(fā)生隆起，變形方向指向礦體開挖方向。最大沉降值出現(xiàn)在+1 500 m附近，累積最大變形值約0.33 m，最大隆起值出現(xiàn)在豎井底部，即+1 000 m附近，累積最大變形值約0.27 m。豎井發(fā)生豎直方向變形的范圍更大，+1 000～+1 650 m之間的豎井均發(fā)生了不同程度的變形；圖6（d）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面上的應(yīng)力云圖，由圖中可看出，井壁應(yīng)力在+1 400 m以上表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約15.6 MPa；而在+1 400 m以下表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大的壓應(yīng)力達(dá)到了28 MPa。

對(duì)上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出14行回風(fēng)井井筒可能在以下幾個(gè)位置發(fā)生變形破壞：①+1 500～+1 600 m范圍內(nèi)，特別是在+1 510～+1 590 m段，該區(qū)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，井筒可能出現(xiàn)拉裂破壞；②+1 300～+1 400 m段，特別是在+1 335～+1 345 m段，井筒受采動(dòng)影響程度增大，變形將更加明顯，從而加速該段圍巖冒落和井壁變形破壞。

4 14行回風(fēng)井地表現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

通過對(duì)14行回風(fēng)井地表位置進(jìn)行長期的跟蹤觀察，其監(jiān)測點(diǎn)的變形曲線如圖7所示。

由圖7分析可知，14行回風(fēng)井附近地表變形每半年的沉降量在23～40 mm之間，水平位移量在9～27 mm之間，三維位移量在26～44 mm之間。自2012—2014年，沉降量和三維位移略呈增加的趨勢，水平位移速率基本穩(wěn)定；2015年后沉降速率有減緩趨勢，但是在2015年后，水平位移速率有所增加，按半年累積位移量變化曲線呈近直線，累計(jì)變形仍在持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

如圖8所示，通過對(duì)14行回風(fēng)井井筒的現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其變形破壞主要有以下幾種形式：

（1）井壁開裂錯(cuò)動(dòng)。14行回風(fēng)井井壁主要有橫向裂隙、豎向裂隙和交叉傾斜裂隙，其中以豎向裂隙及傾斜裂隙為主。井壁出現(xiàn)裂隙的原因主要有：①較高的水平應(yīng)力集中；②采動(dòng)引起的拉應(yīng)力集中；③巖體沿軟弱層面的滑動(dòng)。

（2）片幫冒落。井壁圍巖的片幫冒落較為常見，大部分表現(xiàn)為井壁脫皮、掉塊，少數(shù)則可能出現(xiàn)井壁離層，與圍巖之間形成空腔，這類變形破壞將很有可能演變?yōu)榇笮兔奥涫鹿省?/p>

將1#礦體上盤貧礦回采過程的數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)14行回風(fēng)井井筒的主要變形破壞區(qū)域和形式與實(shí)際情況比較一致，說明數(shù)值模擬分析結(jié)果具有較高的可靠性。

5 結(jié) 論

（1）+1 250 m以上貧礦開采、充填后，井筒剖面向采區(qū)方向移動(dòng)，X、Y方向最大水平位移均出現(xiàn)在+1 300～+1 400 m之間，X、Y方向累積最大變形分別約1 m和1.2 m，變形由中間向兩側(cè)逐漸減小。整體上井筒剖面上半部分發(fā)生沉降，而下半部分發(fā)生隆起，最大沉降、隆起值分別為0.33 m和0.27 m。

（2）14行回風(fēng)井附近地表每半年的沉降量在23～40 mm之間，水平位移量在9～27 mm之間，三維位移量在26～44 mm之間。按半年累積位移量變化曲線呈近直線，變形仍在持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

（3）14行回風(fēng)井的變形破壞主要表現(xiàn)為井壁開裂錯(cuò)動(dòng)、片冒破壞2種形式。