羅河鐵礦鑿巖硐室條柱開采擾動(dòng)效應(yīng)研究

劉 康 何曉文 袁錦鋒 魏福海 袁海濤

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

受地質(zhì)條件和開采條件影響，采空區(qū)空間形態(tài)及其分布將有較大差異，有的空區(qū)由于應(yīng)力重新分布和局部應(yīng)力集中已經(jīng)發(fā)生垮塌，同等規(guī)模下有的則相對(duì)較穩(wěn)定［1-2］。垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法是一種高效、安全、低成本的采礦方法，但隨著開采深度的不斷增加，地壓危害將逐步突顯，尤其對(duì)于巖體裂隙較發(fā)育和側(cè)幫有效暴露面積較大的礦房，地壓危害將更加顯著［3-4］。

針對(duì)羅河鐵礦20聯(lián)巷以北高階段采場(chǎng)礦體開采模式優(yōu)化，與現(xiàn)場(chǎng)二步采鑿巖硐室預(yù)留條柱大面積破壞現(xiàn)象，本研究應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，分析硐室支撐條柱的采場(chǎng)穩(wěn)定性效應(yīng)，為后續(xù)開采設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

根據(jù)羅河鐵礦鑿巖硐室的工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，對(duì)所建立的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提高計(jì)算精度，以便得到更準(zhǔn)確的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)等數(shù)據(jù)，為后期安全穩(wěn)定回采提供依據(jù)。所建模型范圍由19進(jìn)路到33進(jìn)路附近，模型原點(diǎn)所處位置絕對(duì)坐標(biāo)為（531 300 m，3 434 000 m，-615 m），模型x方向范圍由531 300 m到531 675 m，模型y方向范圍由3 434 000 m到3 434 200 m，模型底面高程為-615 m（XOY平面在高程為-615 m的水平面上），頂面高程為-375 m，z軸垂直向。離散后的四面體單元數(shù)為533 079個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)889 730個(gè)。

2 計(jì)算方案

根據(jù)礦體賦存情況和開采初步設(shè)計(jì)方案，20聯(lián)巷以北高階段采場(chǎng)布置形式為采區(qū)采場(chǎng)垂直礦體走向布置，設(shè)計(jì)礦房采高為85 m、礦房寬為45 m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度，分段高度依次為25，21，24，20 m。硐室采高為4.15 m，寬為5 m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度，條柱采高為4.15 m，寬為5 m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度，炮孔采高為85 m，每個(gè)礦房寬為15 m，長(zhǎng)度為礦體的水平厚度。為模擬不同開采順序和開采方式，本研究設(shè)計(jì)了先開采硐室再回采條柱，形成13個(gè)模擬工況，如表1所示。

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3 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算所用到的力學(xué)參數(shù)是模型計(jì)算準(zhǔn)確的前提，力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響模型的計(jì)算結(jié)果。但是由于巖體不連續(xù)性、地質(zhì)條件復(fù)雜以及巖石取樣點(diǎn)的困難性等因素，由于巖體力學(xué)參數(shù)無法全部通過試驗(yàn)得到，所以只能采取以往同一礦區(qū)其他采場(chǎng)或者類似礦井的力學(xué)參數(shù)，本研究采用經(jīng)典的Mohr-Coulomb巖石屈服準(zhǔn)則，各種巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示，斷層、充填體參數(shù)參照現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

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4 鑿巖硐室開采擾動(dòng)效應(yīng)分析

根據(jù)先開采硐室再回采條柱的方案，對(duì)20聯(lián)巷以北高階段采場(chǎng)礦房的開采所引起的周邊巖體擾動(dòng)導(dǎo)致破壞情況以及硐室周邊圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬計(jì)算。

4.1 次生應(yīng)力場(chǎng)分布特征

在地下巖體開挖后，原來處于應(yīng)力平衡的巖體，受到開挖擾動(dòng)而引起所開挖空間周邊巖體的應(yīng)力集中，巖體的應(yīng)力再次重分布，應(yīng)力重分布即次生應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定至關(guān)重要，所以對(duì)次生應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力大小、位移及塑性區(qū)情況的掌握尤為重要。本研究通過礦體開采過程中所引起二次應(yīng)力重分布情況，掌握周邊圍巖的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的分布規(guī)律，可以具體了解巖體的受力情況，同時(shí)通過對(duì)比分析，了解巖體次生應(yīng)力重分布特征。

圖1所示的是工況6的-455～-450 m中間礦房硐室15 m分步開采最大主應(yīng)力分布云圖，圖2所示的是y=62 m剖面的最大主應(yīng)力分布云圖，圖3為工況3、工況4、工況5、工況6y=62 m剖面的最大剪應(yīng)力分布云圖，對(duì)各工況應(yīng)力分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析，得到如下結(jié)果。

（1）礦體開采后，采場(chǎng)周邊礦體及巖體的應(yīng)力釋放、次生應(yīng)力場(chǎng)重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從圖1可見，礦體拉應(yīng)力主要分布在采空區(qū)上方頂板處，壓應(yīng)力主要集中在中間礦柱和兩側(cè)礦體處，左右硐室不斷開挖擾動(dòng)導(dǎo)致巖體的最大主應(yīng)力隨著y軸方向不斷向前延伸，同時(shí)其應(yīng)力數(shù)值也處在不斷變化中，拉應(yīng)力從0.59 MPa升高至1.21 MPa又降低到0.65 MPa，壓應(yīng)力從8.78 MPa升高至10.2 MPa又降低至8.88 MPa，從這些數(shù)據(jù)可以得到后續(xù)的開采活動(dòng)影響了應(yīng)力的變化。

（2）從圖2可見，隨著開采的不斷推進(jìn)，其采空區(qū)空間不斷擴(kuò)大，其周邊巖體的最大主應(yīng)力值也有不同程度的增大，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力保持比較平穩(wěn)，拉應(yīng)力在在0.60 MPa左右，壓應(yīng)力保持在8.77 MPa，同時(shí)可以看出巖體受到的壓應(yīng)力主要集中在中間條柱和兩幫礦體處。各工況硐室上方受力較復(fù)雜，存在拉壓應(yīng)力交錯(cuò)的情況，而各工況開采時(shí)硐室上方的拉應(yīng)力最大，因此在這些位置更容易發(fā)生破壞，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)?？傮w來說礦房受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2 MPa以下，礦房較為安全。

（3）由圖3可知，各工況開采后中間條柱及采空區(qū)兩幫礦體有著數(shù)值較大的剪應(yīng)力值，各工況中間條柱發(fā)生破壞的可能性較大。

4.2 變形與位移分布特征

圖4～圖5所示分別為工況6不同剖面水平位移等值云圖，圖6為y=62 m剖面不同工況豎直位移等值云圖。并對(duì)各開采工況變形與位移規(guī)律進(jìn)行了分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

（1）從圖4可知，在y=62 m剖面開采擾動(dòng)后，隨著剖面從y=62 m到y(tǒng)=137 m，礦體的水平位移呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢(shì)，從3.27 mm增大至3.89 mm又減小至3.74 mm。從水平位移的量值上來說位移值變化不大，水平位移值相對(duì)來說在安全范圍內(nèi)，但左硐室左側(cè)幫位移整體大于右側(cè)幫，右硐室如此。尤其在左側(cè)硐室左側(cè)幫和右側(cè)硐室左側(cè)幫有較大水平位移出現(xiàn)，不排除會(huì)出現(xiàn)片幫等現(xiàn)象。

（2）從圖5可知，在y=62 m剖面，在礦體開采過程中，巖體變形量在總體上是變化不大的，保持在3.25 mm，而在工況3、4、5、6中，較大水平位移主要集中于左側(cè)硐室左側(cè)幫和右側(cè)硐室左側(cè)幫，存在片幫滑落的風(fēng)險(xiǎn)，且左側(cè)硐室左側(cè)幫和右側(cè)硐室左側(cè)幫需重監(jiān)測(cè)控制。

（3）從圖6可知，在礦體開采過程中，始終存在2處明顯變形，即硐室頂板附近巖體產(chǎn)生較明顯的沉降，而在底板附近則出現(xiàn)了底鼓現(xiàn)象，這是礦體開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放造成的。隨著開采的推進(jìn)，巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來越大，頂板巖體沉降位移變化不大，底板附近突出巖體隆起位移在開采過程中保持穩(wěn)定。硐室頂板沉降量為4.81 mm，底板隆起位移為4.04 mm。圍巖變形較小，比較穩(wěn)定。

4.3 破壞接近區(qū)分布特征

礦體的開采必然引起周邊巖體擾動(dòng)與破壞，開采過程中巖體受力比較復(fù)雜，其破壞形式有拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合破壞［5-6］。塑性破壞區(qū)主要分布在采場(chǎng)頂板中央、采場(chǎng)隅角、斷層及斷層與采場(chǎng)間巖橋等應(yīng)力集中區(qū)與構(gòu)造破碎帶等強(qiáng)度薄弱區(qū)。頂板中部為拉伸破壞，礦柱與頂?shù)装褰唤缣帪榧羟衅茐模瑪鄬硬糠譃榫植块_采擾動(dòng)破壞，斷層與采場(chǎng)間巖橋?yàn)榧羟衅茐摹?/p>

（1）由圖7～圖8可知，在開采完成后，在硐室兩幫礦體和中間條柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢(shì)，從破壞接近區(qū)分布云圖可知，頂板塑性區(qū)變形小，發(fā)生冒落可能性較小，底板塑性變形較小，圍巖比較穩(wěn)定，主要在硐室兩幫礦體和中間條柱處塑性變形較大，因此在開采時(shí)應(yīng)對(duì)側(cè)幫進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)、加固措施。

（3）由圖9可知，破壞接近區(qū)主要分布在硐室兩幫礦體、中間條柱、各工況頂板和底板等應(yīng)力集中區(qū)。工況3、4、5、6的硐室兩幫礦體及中間條柱處均存在一定的破壞，有片幫的可能。當(dāng)受到進(jìn)一步的開采擾動(dòng)后，采場(chǎng)周邊巖體及條柱的破壞分布區(qū)域均有所增加，圍巖較為穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）硐室開采模擬結(jié)果顯示，各工況硐室上方受力較復(fù)雜，存在拉壓應(yīng)力交錯(cuò)的情況，而各工況開采時(shí)硐室上方的拉應(yīng)力最大，因此在在這些位置更容易發(fā)生破壞，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)?？傮w來說礦房受拉應(yīng)力，且應(yīng)力值在2 MPa以下，礦房較為安全；各工況開采后中間條柱及采空區(qū)兩幫礦體有著數(shù)值較大的剪應(yīng)力?？傮w來說，硐室中間條柱發(fā)生破壞的可能性較大。最大水平位移為3.89 mm；巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來越大，頂板巖體沉降位移變化不大，底板附近突出巖體隆起位移在開采過程中保持穩(wěn)定。硐室頂板沉降量為4.81 mm，底板隆起位移為4.04 mm。

（2）礦體開采后，采場(chǎng)周邊礦體及巖體的應(yīng)力釋放、次生應(yīng)力場(chǎng)重分布并局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。總體上，礦體拉應(yīng)力主要分布在采空區(qū)上方頂板處，壓應(yīng)力主要集中在中間礦柱和兩側(cè)礦體處，左右硐室不斷開挖擾動(dòng)導(dǎo)致巖體的最大主應(yīng)力隨著y軸方向不斷向前延伸，同時(shí)其應(yīng)力數(shù)值也處在不斷變化中，拉應(yīng)力從0.59 MPa升高至1.21 MPa，又降低到0.65 MPa，壓應(yīng)力從8.78 MPa升高至10.2 MPa，又降低至8.88 MPa，說明后續(xù)的開采活動(dòng)產(chǎn)生了明顯應(yīng)力擾動(dòng)。