L27號脈礦柱及采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

趙小平，張寶，王玉丁，吳亞飛

(1.金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌市 737100；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025)

0 引言

隨著目前安全生產(chǎn)及環(huán)保要求越來越嚴，采空區(qū)存在的問題逐步顯現(xiàn)，大量的采空區(qū)有可能引發(fā)地質(zhì)災害及生產(chǎn)安全事故，嚴重威脅公司職工生命及財產(chǎn)安全。因此，為進一步加強礦山安全技術管理和現(xiàn)場生產(chǎn)管理工作，須加快采空區(qū)隱患的排查和治理，排除采空區(qū)潛在的安全隱患，徹底消除由采空區(qū)引發(fā)的地質(zhì)災害及重特大安全生產(chǎn)事故。

某金礦賦存于含金構(gòu)造蝕變破碎帶內(nèi)，該蝕變帶經(jīng)工程揭露其連續(xù)性較好，礦體形態(tài)呈規(guī)則脈狀、大透鏡狀。礦體總體走向為 12°，總體傾向為282°，傾角為 45°～70°，平均傾角約 58°。礦體厚度平均為4.81 m，厚度變化較穩(wěn)定。礦體品位為5.62 g/t，礦體有用組分分布較均勻。該礦段的主要礦石類型為構(gòu)造蝕變巖型金礦石。礦山采用淺孔留礦法開采，形成了大量采空區(qū)。

通過對照礦山安全設施設計、礦山采掘工程平面圖、井上井下對照圖、礦山開采工程布置圖等相關資料，建立采空區(qū)及礦柱的三維立體模型，開展采空區(qū)穩(wěn)定性、安全隱患辨識和分析。

基于采一礦區(qū)開采技術條件、礦山開采現(xiàn)狀以及調(diào)查結(jié)果，利用AutoCAD和3DMine軟件完成了該金礦L27號脈934～1054 m標高采空區(qū)三維數(shù)字建模，通過Midas-GTS和FLAC3D仿真計算軟件，得到了該礦區(qū)歷史開采過程的位移場、應力場及塑性區(qū)分布情況，方便今后高品位礦柱的回采方案研究，為該區(qū)域后續(xù)采空區(qū)治理及頂?shù)字?、間柱的回采提供了參考依據(jù)。

1 礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

1.1 礦柱應力分析

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，礦體開挖后，采場的頂柱、底柱以及間柱兩側(cè)形成開挖臨空面，失去礦巖支撐，進而在應力作用下往采空區(qū)內(nèi)部方向發(fā)生變形。L27號礦脈934～1054 m中段采場開挖后形成臨空面，開挖邊界應力釋放明顯，礦柱初始應力場重新分布并形成二次應力場，采空區(qū)頂板和底板區(qū)域巖體應力有一定程度地釋放，而采場間柱和頂?shù)字鶠橹饕獞袇^(qū)，且采空區(qū)體積越大，距離地表越遠，礦柱應力集中更為顯著。

L27號礦脈盡管礦體較厚，采場開挖后形成的空區(qū)體積比較大，但由于預留礦柱尺寸較大，同時礦巖穩(wěn)固，因而絕大部分礦柱張拉程度相對較輕，主要為壓應力集中，如采空區(qū) C20006、C10007、C10008，最大值達到23.19 MPa，超過巖體的抗壓強度。礦柱由于失去巖體支撐，抗剪性能減弱，因而容易發(fā)生剪切變形和塑性破壞。僅個別采空區(qū)即C40006頂柱巖體形成小范圍的拉應力顯現(xiàn)區(qū)域，其余采空區(qū)均未出現(xiàn)拉應力區(qū)域。另外，從數(shù)值上來看，C40006采空區(qū)頂柱拉應力極值為6.47 kPa，遠小于礦體的張拉屈服強度（見圖1、圖2和表1）。

圖1 L27號脈開挖后礦柱最大主應力分布

圖2 L27號脈開挖后礦柱最小主應力分布

1.2 礦柱位移分析

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，采場開挖后采空區(qū)間柱往采場內(nèi)部方向發(fā)生水平變形，而礦脈中部間柱水平變形程度明顯高于礦脈兩端。另外，間柱距離地表越深，對應采空區(qū)體積越大，間柱水平變形程度越劇烈。間柱沿水平方向整體位移量較小，最大位移量不超過 0.91 cm，因而從變形角度來看，該礦脈采空區(qū)兩側(cè)間柱整體穩(wěn)固性好（見圖3和表1）。依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料，L27號礦脈934 m水平間柱多未塌方，與數(shù)值分析結(jié)果比較相符。

圖3 L27號脈開挖后礦柱水平方向位移

采場開挖形成采空區(qū)后，其周邊巖體向采空區(qū)內(nèi)部方向產(chǎn)生變形。因采空區(qū)體積、所處中段位置不同，不同采空區(qū)的頂?shù)装宄两祷虻坠奈灰埔灿兴町?，整體表現(xiàn)為采空區(qū)體積越大、所處中段位置越低、越靠近礦脈中部，對應的采空區(qū)頂?shù)字怪弊冃瘟吭酱?。根?jù)統(tǒng)計，該礦脈所有頂柱的最大沉降量不超過 3.52 cm，根據(jù)容許極限位移量判據(jù)可知，采場頂柱的最大下沉量在2～5 cm范疇，巖體也可以保持穩(wěn)定性。礦脈采空區(qū)底柱底鼓量整體大于頂板下沉量，個別采空區(qū)如C10007、C10008（采空區(qū)的體積明顯高于其他采空區(qū)，體積量超出 10 000 m3）的最大底鼓量超出5 cm，最大值達到5.59 cm，依據(jù)容許極限位移量判據(jù)，采空區(qū)存在潛在穩(wěn)定性問題（見圖4和表1）。

表1 L27號礦脈所有空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖4 L27號脈開挖后礦柱豎向位移

1.3 礦柱塑性破壞分析

從礦脈塑性區(qū)分布來看，采空區(qū)頂?shù)字烷g柱塑性破壞程度較輕，未顯現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，但存在局部的片幫和冒頂現(xiàn)象，且片幫和冒頂程度隨采空區(qū)體積、距離地表深度增大和距離礦脈中部距離減少而逐步加劇（見圖5和表1）。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研資料，L27號礦脈934 m水平頂?shù)组g柱多未塌方，同時沿脈巷道完好、未進行任何支護，而數(shù)值分析結(jié)果中934 m采空區(qū)頂柱、間柱以及沿脈巷所在的底柱塑性破壞程度均相對比較輕微，與現(xiàn)場實際比較相吻合。

圖5 L27號脈開挖后礦柱塑性區(qū)分布

2 采空區(qū)上下盤圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 采空區(qū)上下盤數(shù)值計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，934～1054 m各中段采場回采后，在原巖內(nèi)部形成臨空面，采空區(qū)周邊巖體向其內(nèi)部方向產(chǎn)生變形，頂?shù)装寮吧舷卤P形成明顯的應力釋放區(qū)域，兩側(cè)間柱內(nèi)部則發(fā)生不同程度的應力集中現(xiàn)象。應力集聚程度因采空區(qū)體積、所處中段位置、距離礦脈中部遠近以及間柱自身尺寸而存在差異，具體表現(xiàn)為間柱周邊采空區(qū)體積越大、距離地表越遠，距離礦脈中部越近、自身尺寸越小，應力集聚程度更為劇烈。L27號脈各中段采場開挖后各中段采空區(qū)上下盤圍巖的應力場、位移場和塑性區(qū)的分布情況如圖6所示，所有空區(qū)的穩(wěn)定性分析結(jié)果見表2。

表2 L27號礦脈所有空區(qū)上下盤穩(wěn)定性分析

圖6 L27號礦脈上下盤圍巖應力場、位移場及塑性區(qū)分布（934 m中段）

2.2 采空區(qū)上下盤穩(wěn)定性分析

從模擬計算結(jié)果來看，L27號礦脈各中段采場回采后，由于礦房回采造成礦脈上下盤形成臨空面，水平應力導致上下盤巖體往采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生變形，L27號礦脈下盤巖體變形程度較上盤劇烈，進而在部分采空區(qū)下盤巖體內(nèi)部形成拉應力區(qū)域，如C30007、C20007，有小范圍區(qū)域的拉應力極值超過圍巖的張拉屈服強度，容易造成下盤圍巖產(chǎn)生小范圍的拉伸破壞。

采場礦體開挖后，周邊上下盤圍巖因受擾動影響而發(fā)生巖層移動，并以采空區(qū)為中心向四周呈“弧狀”擴展，移動程度逐步減弱。從變形數(shù)值上看，各個采空區(qū)上下盤圍巖的水平位移量相對較小，最大值不超過 4.23 cm，因而從變形角度看，該礦脈采空區(qū)上下盤圍巖整體穩(wěn)固性好。在計算過程中，最大不平衡力的整個平衡過程比較平緩，無明顯突變，所有空區(qū)頂?shù)装宓拇怪蔽灰屏靠刂圃?0 cm以內(nèi)，說明采空區(qū)不會產(chǎn)生大規(guī)模的破壞。

L27號礦脈各中段采場回采作業(yè)導致周邊上下盤圍巖發(fā)生不同程度的松動破壞，塑性破壞程度同樣受采空區(qū)體積、所處中段位置、是否存在臨近礦脈采空區(qū)等因素影響。974 m水平C20007采空區(qū)受下盤鄰近礦脈 L27-5采場回采擾動影響，與C20008采空區(qū)發(fā)生了塑性貫通，因而穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生塌方?，F(xiàn)場調(diào)查資料顯示，934 m水平大部分采空區(qū)上下盤保持穩(wěn)定，未發(fā)生塌方等失穩(wěn)現(xiàn)象，與數(shù)值分析結(jié)果比較一致。由于L27號礦脈礦體圍巖節(jié)理裂隙不太發(fā)育，整體穩(wěn)固性好，因而采場開挖后采空區(qū)上下盤的塑性破壞程度較輕，不易發(fā)生塌方等災害。

3 結(jié)論

（1）從 L27脈礦柱應力、位移和塑性區(qū)分布情況來看，采場間柱和頂?shù)字鶠橹饕獞袇^(qū)，礦柱整體上穩(wěn)定，在C20006、C10007、C10008采空區(qū)周圍礦柱應力最大值達到23.19 MPa，超過巖體的抗壓強度，最大底鼓量也超過了5 cm，發(fā)生剪切變形和塑性破壞，存在潛在的穩(wěn)定性問題。另外，C30006頂柱巖體形成小范圍的拉應力顯現(xiàn)區(qū)域，其余均未出現(xiàn)拉應力區(qū)域。頂?shù)字烷g柱塑性破壞程度較輕，未顯現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，但存在局部的片幫和冒頂現(xiàn)象。

（2）在計算過程中，最大不平衡力的整個平衡過程比較平緩，無明顯的突變，L27號礦脈所有采空區(qū)頂?shù)装宓拇怪蔽灰屏靠刂圃?0 cm以內(nèi)，說明采空區(qū)不會產(chǎn)生大規(guī)模的破壞。采空區(qū)下盤巖體變形程度較上盤劇烈，在C30007、C20007部分采空區(qū)下盤巖體內(nèi)部形成拉應力區(qū)域，容易造成下盤圍巖產(chǎn)生小范圍的拉伸破壞。974 m水平 C20007采空區(qū)受下盤鄰近礦脈L27-5采場回采擾動影響，與C20008采空區(qū)發(fā)生了塑性貫通，因而穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生塌方。

（4）考慮到巖體質(zhì)量差異性以及鑿巖爆破作業(yè)擾動等因素影響，進行礦柱回采時應采取一些礦柱應力及位移實時監(jiān)測和預警措施，回采不穩(wěn)定采空區(qū)周圍礦柱時要盡量采用遙控設備，避免人員進入采空區(qū)，條件允許時應先充填采空區(qū)，然后在充填體的保護下進行殘礦資源的回采，以確保礦山井下生產(chǎn)安全。