某礦井下開(kāi)采地壓分布規(guī)律研究

王輝林，李艷剛，馬鴻錄，黃生福，歐任澤

(1.西部礦業(yè)股份有限公司， 青海 西寧 810000；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

工程采動(dòng)必將影響到圍巖體及地表的變形，造成地壓分布的改變，在開(kāi)采活動(dòng)過(guò)程中，地壓不斷循環(huán)“轉(zhuǎn)移—重分布”演化過(guò)程[1-3]。采場(chǎng)地壓不同于隧道、水電、鐵路等地下工程開(kāi)挖后產(chǎn)生的地壓現(xiàn)象，采場(chǎng)地壓具有顯現(xiàn)劇烈，波及范圍大，活動(dòng)規(guī)律難于認(rèn)識(shí)等突出特點(diǎn)。礦山生產(chǎn)過(guò)程中，由于井下開(kāi)采范圍不斷擴(kuò)大，開(kāi)采空間形態(tài)極其復(fù)雜，隨著開(kāi)采工作的進(jìn)行，空區(qū)規(guī)模和形態(tài)又不斷變化，巖體受到多次重復(fù)擾動(dòng)，原巖應(yīng)力重分布，部分區(qū)域應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出極其復(fù)雜的受力狀態(tài)[4]。采場(chǎng)地壓活動(dòng)從顯現(xiàn)區(qū)域和影響范圍上一般可分為大面積地壓活動(dòng)和局部地壓活動(dòng)兩種。大面積地壓活動(dòng)發(fā)生時(shí)，影響區(qū)域和危害性極大，可以影響礦區(qū)大部分區(qū)域或整個(gè)礦區(qū)，甚至波及地表，嚴(yán)重破壞生產(chǎn)系統(tǒng)。局部地壓活動(dòng)影響范圍小，可能是個(gè)別采場(chǎng)或幾個(gè)采場(chǎng)，也可能是巷道的某一地段，多發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域、礦體轉(zhuǎn)折區(qū)段、未處理的采空區(qū)及空區(qū)周邊小區(qū)域[5-8]。

由某礦山地質(zhì)情況可知，礦區(qū)內(nèi)存在斷裂構(gòu)造，且存在滑移，表明礦山存在構(gòu)造應(yīng)力作用。因此，礦山的地應(yīng)力由自重應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)耦合形成。礦山目前未開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量工作，具體的地應(yīng)力方向與大小尚不明確。為了解礦山地壓的分布情況，本文采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，為了使數(shù)值模擬結(jié)果貼近實(shí)際情況，采用數(shù)值反演的方法來(lái)開(kāi)展數(shù)值模擬。

1 工程概況

1.1 井下開(kāi)采現(xiàn)狀

井下開(kāi)采為平硐-斜坡道-溜井開(kāi)拓，開(kāi)采對(duì)象為4～23線1884 m水平以上1號(hào)礦體的I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦段，以 11線為界劃分為東西兩個(gè)采區(qū)。中段高度為 60 m，具體劃分為 2124，2064，2004，1944，1884 m共5個(gè)中段，西部采用底柱分段崩落法開(kāi)采，東部采用充填法開(kāi)采。

（1）西部開(kāi)采現(xiàn)狀。西部主要采礦地點(diǎn)在2004，1992 m 及 1980 m 三個(gè)水平，以 2004 m與1992 m為主要采礦水平。1980 m水平為底部結(jié)構(gòu)，底部結(jié)構(gòu)工程已基本施工完畢，準(zhǔn)備施工切割槽；1968 m水平、1956 m水平脈外巷、穿脈基本施工完成，尚未施工鑿巖巷；1944 m水平17～19線采用充填法回采了部分高品位礦石；1932 m水平脈外巷及穿脈施工結(jié)束，17～19線施工了部分鑿巖巷；1920 m水平正在施工脈外巷及穿脈，1920 m水平以下西部無(wú)工程。

（2）東部開(kāi)采現(xiàn)狀。東部主要開(kāi)采中段為1884，1944 m 及 2004 m 三個(gè)中段。1884 m 中段目前有 1896 m 水平 3～5線Ⅱ礦體、1920 m 水平 3～7線3#進(jìn)路及1932 m水平7～9線7-1#穿脈、7-2#穿脈、5-7線+1#、+2#，1～0線Ⅱ礦體未回采，其余礦體基本回采結(jié)束。1944 m中段目前有1944 m水平3～5線1#進(jìn)路至0～5線新沿脈之間的Ⅲ礦體、0～2線Ⅱ礦體、1956 m水平、1968 m水平的穿脈礦柱、1980 m水平3～5線2#礦體及1992 m水平的5～7線Ⅲ部分礦體未回采，其余已全部回采結(jié)束。2004 m中段受前期開(kāi)采、工程布置及民采影響，礦體完整性較差，除2004 m水平7～11線V低品位礦體、2022 m水平7～11線V低品位礦體、1～5線靠近露天邊坡Ⅲ礦體、2034 m水平1～5線Ⅲ、V低品位礦體及2046 m水平1～3線少部分礦體未回采外，其余基本回采結(jié)束或無(wú)法回采。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)地壓情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及工程地質(zhì)資料可知，礦體與圍巖原生結(jié)構(gòu)面發(fā)育，按照ISRM節(jié)理間距的分類方法，礦區(qū)白云巖、黑破巖、砂巖和含礦白云巖節(jié)理的平均間距均在6～20 cm之間，其發(fā)育程度屬于密集。隨著回采活動(dòng)的進(jìn)行，采空區(qū)逐漸擴(kuò)大，在采空區(qū)頂板及側(cè)幫巖體的原生結(jié)構(gòu)面普遍出現(xiàn)張開(kāi)度增大、結(jié)構(gòu)面相互貫通等情況，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性十分不利。目前在2034 m水平的11～13線，2022 m水平的11～13 線，2004 m 水平的 13～15 線，1992 m水平的9線穿脈，1980 m水平的5線穿脈，1968 m與1956 m水平的5與9線穿脈，1944 m水平的3～5線，1932 m水平的7～9線之間的礦巖體地壓顯現(xiàn)較為明顯。為進(jìn)一步了解開(kāi)采后的地壓分布及發(fā)展規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析研究。

2 地應(yīng)力數(shù)值模擬研究

2.1 建立模型

根據(jù)巖體力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）及礦體資料，建立包含礦體、多種巖層與斷層的三維數(shù)值分析模型，模擬約定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，設(shè)置X、Y邊界及底部邊界速度為 0，模型長(zhǎng) 1152.43 m，寬886.88 m，高 395.65～1065.10 m。共 1332239 個(gè)單元，521062個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖1、圖2所示，模型中的“byy”代表白云巖，“hp”代表黑破巖，“sy”代表砂巖，“kt”代表含礦白云巖。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 計(jì)算模型

圖2 礦體模型

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了解礦體開(kāi)采過(guò)程中地應(yīng)力轉(zhuǎn)移與重分布的過(guò)程，模擬與實(shí)際情況相符合的各個(gè)水平礦體開(kāi)采，最終得到地應(yīng)力集中的區(qū)域，為后期礦體安全開(kāi)采與巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3為最大主應(yīng)力分布云圖及地表變形云圖，由圖3可知，主應(yīng)力在地表主要沿著F15斷層分布（圖中紅色長(zhǎng)條區(qū)域）。由于西部井下采用無(wú)底柱崩落法開(kāi)采礦體，導(dǎo)致上覆巖體垮塌崩落，牽引F15斷層西南側(cè)的巖體往西部移動(dòng)，導(dǎo)致露天坑北部邊坡2064臺(tái)階在F15斷層處錯(cuò)臺(tái)2.1 m左右。由圖4可知，隨著井下礦體的開(kāi)采，地表發(fā)生變形、垮塌、崩落及上覆巖土體發(fā)生滑坡等現(xiàn)象。上述模擬顯現(xiàn)的現(xiàn)象與礦山實(shí)際情況相符合，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的，可以依托數(shù)值模擬來(lái)模擬出此礦山地壓分布的規(guī)律。

圖3 礦山最大主應(yīng)力分布云圖

圖4 礦山地表變形區(qū)

2.2.2 地應(yīng)力模擬分析

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，得出了井下巷道、采場(chǎng)嚴(yán)重破碎區(qū)域的分布情況，見(jiàn)表2。由于井下礦體的開(kāi)采，導(dǎo)致地應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移-重分布的演化過(guò)程，在井下最直觀的體現(xiàn)在巷道片幫、冒頂、擠壓變形、采場(chǎng)冒頂、礦柱垮塌等現(xiàn)象。但由于觀察區(qū)域有限，不能反應(yīng)礦山整體的地應(yīng)力分布情況，故采用數(shù)值模擬的手段進(jìn)行分析。圖5為最大主應(yīng)力云圖，圖中紅色區(qū)域?yàn)榫碌貞?yīng)力分布區(qū)域，此區(qū)域包含了表2統(tǒng)計(jì)的部分及更大的地應(yīng)力分布區(qū)域范圍，說(shuō)明地壓顯現(xiàn)區(qū)域分布的基本規(guī)律可以通過(guò)數(shù)值模擬獲得。

表2 井下巷道、采場(chǎng)嚴(yán)重破碎的區(qū)域

圖5 最大主應(yīng)力云圖

由圖5及表2可知，紅色區(qū)域主要受拉應(yīng)力，其他區(qū)域主要受壓應(yīng)力，礦區(qū)中最大拉應(yīng)力為0.79 MPa，最大壓應(yīng)力為6～8 MPa。對(duì)比巖體的抗拉與抗壓強(qiáng)度可知，白云巖基本不會(huì)發(fā)生拉壓破壞，而黑破巖、砂巖及含礦白云巖巖體很可能發(fā)生拉壓破壞，尤其黑破巖的抗拉壓強(qiáng)度較低，很容易發(fā)生破壞，這與井下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果相符合。由于黑破巖不能夠像白云巖一樣承受地應(yīng)力的作用，容易在臨空面發(fā)生破碎、垮塌，造成在黑破巖中的巷道很難支護(hù)。

由圖5與表2可知，現(xiàn)狀條件下地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：3～5線的1932～2004 m水平、5～9線的1968～2004 m水平及11～15線 2004～2064 m水平。本次模擬針對(duì)1992，1980，1968，1956，1944 m及1932 m水平進(jìn)行地應(yīng)力模擬分析。

在現(xiàn)狀模擬的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了后期階段礦體開(kāi)采的井下地應(yīng)力分布規(guī)律研究工作。圖6為 1992水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖。由圖6可知：整個(gè)模型中在采空區(qū)附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，淺層圍巖體以承受拉應(yīng)力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應(yīng)力破壞為主。應(yīng)力隨深度的增加而增大，開(kāi)挖之后的空區(qū)附近應(yīng)力變大；受巖性條件影響，在巖層交接部位，應(yīng)力的擾動(dòng)較大。地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：5～9線的1992～2004 m水平、11～15線1992～2064 m水平及17～19線的2034～2064 m水平。

圖6 1992水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖

圖7為1992 m水平開(kāi)采后1980 m水平礦體地應(yīng)力分布云圖。由圖7可知，淺層的圍巖體以承受拉應(yīng)力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應(yīng)力破壞為主。應(yīng)力隨深度的增加而增大，開(kāi)挖之后在空區(qū)附近的應(yīng)力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位，應(yīng)力的擾動(dòng)較大。地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：5～9線的 1980～2004 m 水平、9～11線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1980～2064 m水平及17～19線的1980～2064 m水平。

圖7 1980水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖

圖8為1980 m水平開(kāi)采后1968 m水平礦體地應(yīng)力分布云圖，由圖8可知，淺層的圍巖體以承受拉應(yīng)力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應(yīng)力破壞為主。應(yīng)力隨深度的增加而增大，開(kāi)挖之后在空區(qū)附近的應(yīng)力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位應(yīng)力的擾動(dòng)較大。地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：5～9線的1968～2004 m水平、9～11線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1968～2064 m 水平及17～19線的1968～2064 m水平。

圖8 1968水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖

圖9為1968 m水平開(kāi)采后1956 m水平礦體地應(yīng)力分布云圖。由圖9可知，淺層的圍巖體以承受拉應(yīng)力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應(yīng)力破壞為主。應(yīng)力隨深度的增加而增大，開(kāi)挖之后在空區(qū)附近的應(yīng)力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位、應(yīng)力的擾動(dòng)較大。地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：5～9線的 1956～2004 m 水平、9～11線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1980～2064 m水平、15～17線的1956～2046 m水平及17～19線的 1956～2064 m 水平。

圖9 1956水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖

圖10為1956 m水平開(kāi)采后開(kāi)展的1944 m水平礦體地應(yīng)力分布云圖。由圖10可知：淺層的圍巖體以承受拉應(yīng)力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應(yīng)力破壞為主。應(yīng)力隨深度的增加而增大，開(kāi)挖之后采在空區(qū)附近的應(yīng)力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位，應(yīng)力的擾動(dòng)較大。地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：5～9線的1956～2004 m水平、9～11線的1980～2004 m水平、11～15線1980～2064 m 水平、15～17 線的 1956～2046 m 水平及17～19線的1956～2064 m水平。

圖10 1944水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖

圖11為1944 m水平開(kāi)采后1932 m水平礦體地應(yīng)力分布云圖。由圖11可知：淺層的圍巖體以承受拉應(yīng)力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應(yīng)力破壞為主。應(yīng)力隨深度的增加而增大，開(kāi)挖之后在空區(qū)附近的應(yīng)力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位，應(yīng)力的擾動(dòng)較大。地應(yīng)力可能會(huì)在以下區(qū)域顯現(xiàn)：5～9線的1932～2004 m水平、9～11 線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1980～2064 m水平、15～17線的1932～2046 m水平及17～19線的1932～2064 m水平。

圖11 1932水平開(kāi)采后地應(yīng)力云圖

根據(jù)上述各水平開(kāi)采后的地應(yīng)力分布分析，礦山在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)采取以下地壓控制措施：嚴(yán)格按照采礦設(shè)計(jì)進(jìn)行開(kāi)采；合理布置巷道及采場(chǎng)；選擇合理的回采順序；減少爆破振動(dòng)效應(yīng)；合理規(guī)劃采礦周期；加強(qiáng)對(duì)地壓活動(dòng)的監(jiān)測(cè)；加強(qiáng)采空區(qū)治理；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理工作。

3 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬顯示主應(yīng)力在地表主要沿著F15斷層分布，隨著井下礦體的開(kāi)采，地表發(fā)生變形、垮塌、崩落及上覆巖土體滑坡等現(xiàn)象，與礦山實(shí)際情況一致，說(shuō)明模擬結(jié)果是可靠的。

（2）數(shù)值模擬顯示礦區(qū)中最大拉應(yīng)力為 0.79 MPa，最大壓應(yīng)力為6～8 MPa，說(shuō)明白云巖基本不會(huì)發(fā)生拉壓破壞，而黑破巖、砂巖及含礦白云巖巖體很可能發(fā)生拉壓破壞，尤其黑破巖的抗拉壓強(qiáng)度較低，很容易發(fā)生破壞，容易在臨空面發(fā)生破碎、垮塌，造成在黑破巖中的巷道支護(hù)困難。

（3）具體分析了各水平開(kāi)挖后的地應(yīng)力顯現(xiàn)區(qū)域，在上水平開(kāi)采后應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行地壓控制，建議后期礦山開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量，完善地應(yīng)力分布規(guī)律的研究工作。