采場(chǎng)開(kāi)采順序與采場(chǎng)穩(wěn)定性研究

夏長(zhǎng)念

（中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

隨著我國(guó)采礦技術(shù)的發(fā)展和探礦工作的重大突破，一大批大規(guī)模的地下礦山進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性開(kāi)發(fā)階段。為有效保護(hù)環(huán)境，大多數(shù)礦山均采用了充填法開(kāi)采，為了提高產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本，礦山均優(yōu)先選用大直徑深孔采礦法[1-3]。但該方法同時(shí)也會(huì)因?yàn)楦罂臻g的暴露，易導(dǎo)致空區(qū)失穩(wěn)引起較大的生產(chǎn)和安全事故[4-5]。因此，開(kāi)展開(kāi)采過(guò)程中的采空區(qū)穩(wěn)定性分析、加強(qiáng)采空區(qū)管理十分重要。

當(dāng)前數(shù)值計(jì)算方法成為了研究采空區(qū)穩(wěn)定問(wèn)題的主要方法。可以通過(guò)輸入礦巖體物理力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力參數(shù)和開(kāi)采條件等，通過(guò)數(shù)值模擬軟件能夠進(jìn)行直觀進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分析，從而對(duì)前期推薦的開(kāi)采參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，得到圍巖變形破壞的分析結(jié)果[6]。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該礦的成礦巖體為花崗斑巖，具有典型的斑狀結(jié)構(gòu)。該礦床主礦體只有一個(gè)，是本礦床中規(guī)模最大的礦體，占總金屬資源量的99%。設(shè)計(jì)采用主井、副井+輔助斜坡道的開(kāi)拓系統(tǒng)，生產(chǎn)規(guī)模為1000萬(wàn)噸/年，采礦方法為大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，采?chǎng)空區(qū)采用全尾砂高濃度膠結(jié)充填，首采中段為-450m中段，距地表深度約800m。

2 原巖應(yīng)力測(cè)量

2.1 主井工勘鉆孔地應(yīng)力測(cè)量

主井工勘鉆孔孔口標(biāo)高為+378.14m，孔底標(biāo)高為-650.15m，鉆孔深度為1028.19m?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)獲得的9段有效壓裂曲線進(jìn)行了初步分析和篩選，選取了4個(gè)壓裂段進(jìn)行印模試驗(yàn)，以確定鉆孔最大水平主應(yīng)力方位。4個(gè)印模試驗(yàn)段深度分別為：464.00m、494.45m、502.00m和565.00m。主井鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量壓裂參數(shù)和主應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主井工勘鉆孔地應(yīng)力測(cè)量主要參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

2.2 1#進(jìn)風(fēng)井工勘鉆孔地應(yīng)力測(cè)量

1#進(jìn)風(fēng)井工勘鉆孔孔口坐標(biāo)為397.012m，孔底坐標(biāo)為-490.038m，孔深887.05m。根據(jù)鉆孔巖芯觀察結(jié)果，選擇了20個(gè)深度段作為水壓致裂測(cè)試的預(yù)選段?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作自上而下依次進(jìn)行?？傆?jì)獲得了8個(gè)測(cè)段的有效測(cè)試數(shù)據(jù)，具體測(cè)段深度及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 1#進(jìn)風(fēng)井工勘鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表

2.3 2#進(jìn)風(fēng)井工勘鉆孔地應(yīng)力測(cè)量

2#進(jìn)風(fēng)井工勘鉆孔孔口坐標(biāo)為+283.226m，孔底坐標(biāo)為-456.314m，孔深739.54m。通過(guò)試驗(yàn)，累計(jì)在該鉆孔458m深度以上進(jìn)行了壓裂試驗(yàn)13次，獲得有效測(cè)量曲線12段，為確定該孔主應(yīng)力大小提供了翔實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2#進(jìn)風(fēng)井鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量壓裂參數(shù)和主應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2#進(jìn)風(fēng)井鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

3 巖石力學(xué)性質(zhì)

頂部圍巖覆于礦體之上，礦體中心部位厚度較小，一般200m～350m，最小地段不足200m，向四周厚度漸增，至礦體外圍與底部圍巖連為一體，沒(méi)有明確的分界線。巖性為黃鐵絹英巖化正長(zhǎng)巖及蝕變較強(qiáng)二長(zhǎng)花崗巖等。巖石破碎，性脆，裂隙較發(fā)育，尤其閉合狀隱形細(xì)裂紋發(fā)育，錘擊易碎裂。鉆孔R(shí)QD值4.7%～78%不等，平均48.6%。巖石單軸天然抗壓強(qiáng)度81.6～183.1MPa，平均為106MPa。巖石完整性穩(wěn)定性均較差，變化較大，與礦體直接接觸構(gòu)成礦體直接頂板。對(duì)礦山開(kāi)采有較大的不利影響。

含礦帶為蝕變正長(zhǎng)巖及花崗巖，總體呈筒狀，埋藏較淺的礦體裂隙發(fā)育，破碎，完整性穩(wěn)固性較差。隨埋藏深度的增加礦石完整性越來(lái)越好，深部礦石裂隙被后期蝕變礦物充填愈合程度很高，RQD值46.0%～94.2%，平均RQD為80.6%。礦石單軸天然抗壓強(qiáng)度97.7～166.4MPa,平均為141.5MPa，屬堅(jiān)硬巖石，礦體的完整性、穩(wěn)定性總體較好。

由于埋藏深度較大，巖石裂隙多被充填愈合，RQD值一般大于80%，鉆孔平均RQD值為90.3%，巖石質(zhì)量屬極好的。礦石單軸天然抗壓強(qiáng)度84.2～165.5MPa,平均為128.8MPa，屬堅(jiān)硬巖石，巖石完整性、穩(wěn)固性均很好。

礦巖石及巖體質(zhì)量分級(jí)見(jiàn)表4所示。

表4 巖石及巖體質(zhì)量分級(jí)表

4 模型建立

建模范圍：走向長(zhǎng)1200m，垂直走向600m，高度700m，模型參數(shù)及開(kāi)采范圍見(jiàn)表5，模型見(jiàn)圖1。

表5 模型參數(shù)表

圖1 開(kāi)采數(shù)值模擬模型

5 計(jì)算參數(shù)

本次數(shù)值模擬的參數(shù)主要依據(jù)地質(zhì)報(bào)告并參考其他礦山選取，計(jì)算中采用的礦巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 計(jì)算中采用的巖體力學(xué)參數(shù)表

計(jì)算中原巖應(yīng)力根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量研究報(bào)告成果選取，其規(guī)律如下：

6 計(jì)算方案及結(jié)果

6.1 計(jì)算方案

按照采礦工藝方案進(jìn)行模擬開(kāi)挖，開(kāi)挖的礦房高度為100m，礦房大小為40m×40m。模型開(kāi)挖順序見(jiàn)圖2。

圖2 采場(chǎng)回采步驟示意圖

6.2 計(jì)算結(jié)果

為了方便了解每步開(kāi)采后圍巖的應(yīng)力及塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)狀態(tài)，計(jì)算中選取了三個(gè)垂直剖面I-I、II-II、III-III及一個(gè)-400m水平面，垂直剖面位置見(jiàn)圖2。

（1）第一步采場(chǎng)開(kāi)挖

開(kāi)采第一步采場(chǎng)后，II-II剖面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖3和圖4，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖5。圖3中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增大區(qū)域，主要分布在頂、底板應(yīng)力釋放區(qū)后部，最大主應(yīng)力為35MPa。圖4最小主應(yīng)力分布中黃色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力釋放區(qū)，最小主應(yīng)力為-0.178MPa，在該剖面上沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。圖5反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)。

圖3 開(kāi)采第一步采場(chǎng)II-II剖面最大主應(yīng)力分布

圖4 開(kāi)采第一步采場(chǎng)II-II剖面最小主應(yīng)力分布

圖5 開(kāi)采第一步采場(chǎng)II-II剖面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布

開(kāi)采第一步采場(chǎng)后，采場(chǎng)中部-400m平面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖6和圖7，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖8。圖6中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增大區(qū)域，兩邊的采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)域分布在角落處，中間采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)分布在應(yīng)力釋放區(qū)后部，此剖面上最大主應(yīng)力為37.98MPa。在圖7最小主應(yīng)力分布中，采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力釋放區(qū)很明顯，在中間的采場(chǎng)側(cè)壁有個(gè)別單元出現(xiàn)拉應(yīng)力（圖7中淺黃色區(qū)域），最大拉應(yīng)力為0.059MPa。圖8反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)。

圖6 開(kāi)采第一步采場(chǎng)-400m平面最大主應(yīng)力分布圖

圖7 開(kāi)采第一步采場(chǎng)-400m平面最小主應(yīng)力分布圖

圖8 開(kāi)采第一步采場(chǎng)-400m平面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

（2）第二步采場(chǎng)開(kāi)挖

開(kāi)采第二步采場(chǎng)后，II-II剖面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖9和圖10，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖11。圖9中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增大區(qū)域，主要分布在采場(chǎng)的四個(gè)角落處，最大主應(yīng)力為35.4MPa。圖10最小主應(yīng)力分布中局部單元出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.03MPa。圖11反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)。

圖9 開(kāi)采第二步采場(chǎng)II-II剖面最大主應(yīng)力分布圖

圖10 開(kāi)采第二步采場(chǎng)II-II剖面最小主應(yīng)力分布圖

圖11 開(kāi)采第二步采場(chǎng)II-II剖面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

開(kāi)采第二步采場(chǎng)后，采場(chǎng)中部-400m平面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖12和圖13，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖14。圖12中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)域分布在角落處，此剖面上最大主應(yīng)力為35.77MPa。在圖13最小主應(yīng)力分布中，采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力釋放區(qū)很明顯，在采場(chǎng)側(cè)壁有個(gè)別單元出現(xiàn)拉應(yīng)力（圖13中淺黃色區(qū)域），最大拉應(yīng)力為0.374MPa。圖14反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)。

圖12 開(kāi)采第二步采場(chǎng)-400m平面最大主應(yīng)力分布圖

圖13 開(kāi)采第二步采場(chǎng)-400m平面最小主應(yīng)力分布圖

圖14 開(kāi)采第二步采場(chǎng)-400m平面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

（3）第三步采場(chǎng)開(kāi)挖

開(kāi)采第三步采場(chǎng)后，I-I剖面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖15和圖16，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖17。圖15中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增大區(qū)域，主要分布在采場(chǎng)的四個(gè)角落處，最大主應(yīng)力為37.7MPa。圖16最小主應(yīng)力分布中采場(chǎng)側(cè)壁局部單元出現(xiàn)拉應(yīng)力（圖中淺黃色部分），最大拉應(yīng)力為0.305MPa。圖17反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)，淺綠色區(qū)域?yàn)樵?jīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域。

圖15 開(kāi)采第三步采場(chǎng)I-I剖面最大主應(yīng)力分布圖

圖16 開(kāi)采第三步采場(chǎng)I-I剖面最小主應(yīng)力分布圖

圖17 開(kāi)采第三步采場(chǎng)I-I剖面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

開(kāi)采第三步采場(chǎng)后，采場(chǎng)中部-400m平面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖18和圖19，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖20。圖18中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)域分布在采場(chǎng)原巖的角落處，此剖面上最大主應(yīng)力為38.68MPa。在圖19最小主應(yīng)力分布中，采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力釋放區(qū)很明顯，在采場(chǎng)側(cè)壁有個(gè)別單元出現(xiàn)拉應(yīng)力（圖19中淺黃色區(qū)域），最大拉應(yīng)力為0.599MPa。圖20反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)，淺綠色區(qū)域?yàn)樵?jīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域。

圖18 開(kāi)采第三步采場(chǎng)-400m平面最大主應(yīng)力分布圖

圖19 開(kāi)采第三步采場(chǎng)-400m平面最小主應(yīng)力分布圖

圖20 開(kāi)采第三步采場(chǎng)-400m平面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

（4）第四步采場(chǎng)開(kāi)挖

開(kāi)采第四步采場(chǎng)后，III-III剖面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖21和圖22，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖23。圖21中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增大區(qū)域，主要分布在采場(chǎng)側(cè)壁角落處及底板角落，最大主應(yīng)力為39.21MPa。圖22最小主應(yīng)力分布中淺黃色部分為最大的應(yīng)力釋放區(qū)，在此剖面上沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。圖23反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)。

圖23 開(kāi)采第四步采場(chǎng)III-III剖面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

開(kāi)采第四步采場(chǎng)后，采場(chǎng)中部-400m平面最大、最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖24和圖25，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖26。圖24中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，采場(chǎng)應(yīng)力集中區(qū)域分布在采場(chǎng)的四個(gè)角落處，此剖面上最大主應(yīng)力為37.62MPa。在圖25最小主應(yīng)力分布中，采場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)力釋放區(qū)很明顯，在采場(chǎng)側(cè)壁有個(gè)別單元出現(xiàn)拉應(yīng)力（圖25中淺黃色區(qū)域），最大拉應(yīng)力為0.193MPa。圖26反映了采場(chǎng)周?chē)乃苄詤^(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)，僅出現(xiàn)在第四步開(kāi)采角落的二個(gè)采場(chǎng)圍巖中。

圖24 開(kāi)采第四步采場(chǎng)-400m平面最大主應(yīng)力分布圖

圖25 開(kāi)采第四步采場(chǎng)-400m平面最小主應(yīng)力分布圖

圖26 開(kāi)采第四步采場(chǎng)-400m平面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布圖

開(kāi)采第四步采場(chǎng)后，采場(chǎng)頂板平面最小主應(yīng)力分布見(jiàn)圖27，塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布見(jiàn)圖28。在圖27最小主應(yīng)力分布中，淺黃色區(qū)域?yàn)椴蓤?chǎng)頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力的單元，最大拉應(yīng)力為0.178MPa。圖28反映了采場(chǎng)頂板的塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布，圖中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)樽罱K的剪切塑性區(qū)，主要出現(xiàn)在第四步開(kāi)采角落的二個(gè)采場(chǎng)頂板中。

圖27 開(kāi)采第四步采場(chǎng)頂板平面最小主應(yīng)力分布

圖28 開(kāi)采第四步采場(chǎng)頂板平面塑性區(qū)拉應(yīng)力區(qū)分布

7 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析可得如下結(jié)論：

（1）第一步的采場(chǎng)開(kāi)采時(shí)，最大主應(yīng)力為37.98MPa，周邊礦柱圍巖出現(xiàn)最大拉應(yīng)力僅為0.059MPa，且此時(shí)第二步驟的礦柱沒(méi)有被塑性區(qū)貫通，不會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)情況；

（2）第二步的采場(chǎng)開(kāi)采時(shí)，最大主應(yīng)力為35.77MPa，周邊礦柱圍巖拉應(yīng)力最大值為0.374MPa，且此時(shí)采場(chǎng)兩邊的塑性區(qū)范圍較小，不會(huì)對(duì)第三和第四步驟采場(chǎng)的穩(wěn)定性造成較大的不利影響；

（3）第三步的采場(chǎng)開(kāi)采時(shí)，最大主應(yīng)力為38.68MPa，周邊礦柱圍巖拉應(yīng)力最大值為0.599MPa，且此時(shí)采場(chǎng)兩邊的塑性區(qū)沒(méi)有貫通第四步驟采場(chǎng)的礦柱，因此第四步驟采場(chǎng)礦柱不會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)情況；

（4）第三步的采場(chǎng)開(kāi)采時(shí)，最大主應(yīng)力為39.21MPa，周邊礦柱圍巖拉應(yīng)力最大值為0.193MPa，且此時(shí)已回采區(qū)域周邊并沒(méi)有出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，因此對(duì)后續(xù)采場(chǎng)的穩(wěn)定性影響不大；

（5）整體四步驟的采場(chǎng)全部回采完畢后，采場(chǎng)頂板出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力僅為0.178MPa，且沒(méi)有出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，因此對(duì)上一個(gè)中段的采場(chǎng)穩(wěn)定性也不會(huì)造成太大的影響；

（6）設(shè)計(jì)選定的40m×40m×100m采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及確定的開(kāi)采順序能夠滿足周邊礦柱及圍巖穩(wěn)定的要求，生產(chǎn)中的安全可以得到保證。