于世波 楊小聰 王志修 原 野

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628）

南非、加拿大等幾個(gè)國家已經(jīng)進(jìn)入深部高應(yīng)力開采階段［1-3］，我國隨著會(huì)澤鉛鋅礦等一批礦山轉(zhuǎn)向深部開采，中國硬巖礦山已經(jīng)逐步進(jìn)入深部開采階段。深部開采中巖爆是硬巖礦山最主要的災(zāi)害之一［4-6］，已有實(shí)踐記錄表明巖爆已經(jīng)給安全生產(chǎn)造成巨大威脅。其中在采場尺度層面，微震監(jiān)測結(jié)果顯示諸多礦塊開采末期遺留的8～12 m厚的頂?shù)字驗(yàn)閮?chǔ)存的高能量與高應(yīng)力導(dǎo)致巖爆發(fā)生頻次多、量級(jí)大［3］，已成為礦山開采的“硬骨頭”。針對(duì)這一問題，通過技術(shù)手段降低高應(yīng)力礦柱賦存的高應(yīng)力、并實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力礦柱的主動(dòng)卸荷是重要的對(duì)策措施。Andrieux等提出了基于堵塞式卸荷爆破孔制造應(yīng)力隔斷帷幕的方式對(duì)高應(yīng)力礦柱實(shí)現(xiàn)卸荷以及應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)現(xiàn)卸荷的解析評(píng)價(jià)方法［7-10］，從而降低高應(yīng)力礦柱回采過程中的巖爆事件量級(jí)，但應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施后對(duì)于高應(yīng)力礦柱卸荷程度欠缺清晰的定量化評(píng)價(jià)。

本項(xiàng)目以會(huì)澤鉛鋅礦采礦實(shí)踐為背景，采用數(shù)值模擬方法，研究應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施前后的應(yīng)力場、變形場和巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的變化特征，從而揭示和量化應(yīng)力隔斷帷幕對(duì)于高應(yīng)力礦柱的卸荷效應(yīng)，為深部高應(yīng)力礦柱的安全高效回采奠定理論基礎(chǔ)。

1 應(yīng)力隔斷帷幕模擬實(shí)現(xiàn)

1.1 工程背景

會(huì)澤鉛鋅礦目前的開拓水平已經(jīng)到達(dá)1 500 m埋深，深部高應(yīng)力巖爆現(xiàn)象已經(jīng)在豎井掘砌和1 274 m水平（埋深約1 120 m）時(shí)逐步顯現(xiàn)，因此，預(yù)測到1 500 m埋深時(shí)中段間的頂?shù)字鶓?yīng)力水平會(huì)較高，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的災(zāi)害現(xiàn)象。因此，必須對(duì)頂?shù)字扇”匾男逗纱胧?/p>

深部巖體為陡山陀組白云巖，單軸抗壓強(qiáng)度為178.20 MPa，巖體結(jié)構(gòu)較為完整，巖體質(zhì)量RMR值為63，屬于典型的高硬、高強(qiáng)、高脆性巖體。根據(jù)北京礦冶科技集團(tuán)有限公司在礦山廠1 274 m水平（埋深1 120 m）開展的地應(yīng)力測量，推測894 m水平地應(yīng)力值大小：σ1=84.7 MPa、σ2=54.0 MPa、σ3=44.6 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹73.6°W。本次研究以894 m水平的地應(yīng)力水平為基準(zhǔn)開展模擬分析。

根據(jù)會(huì)澤鉛鋅礦的開采情況，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)分段高度為12 m，本次模擬考慮在上下中段開采時(shí)最后殘留的12 m高度底柱作為應(yīng)力隔斷帷幕對(duì)高應(yīng)力礦柱卸荷的研究對(duì)象。

1.2 應(yīng)力隔斷帷幕假設(shè)

根據(jù)已有的研究［7-9］，對(duì)高應(yīng)力礦柱進(jìn)行卸荷是在礦體與上下盤接觸面附近采用堵塞式密集排孔預(yù)先爆破方式，使得孔內(nèi)巖體產(chǎn)生破壞形成連通從而形成應(yīng)力無法傳遞的隔斷帷幕，這一過程中存在部分炮孔仍有破壞后碎石擠壓現(xiàn)象，但破壞后碎石無法傳遞應(yīng)力，因此，本次模擬將應(yīng)力隔斷帷幕等效為人工巖體切縫進(jìn)行研究。

1.3 工程地質(zhì)力學(xué)模型

建立的工程地質(zhì)力學(xué)模型容納2個(gè)階段，高度60 m，2個(gè)階段同時(shí)由下向上回采，中間設(shè)置底柱采場，高度12 m。建立的模型長×寬×高=240 m×130 m×330 m。為了簡化模擬程序，本次在底柱采場的下盤設(shè)置應(yīng)力切縫帷幕，切縫帷幕模擬寬度為0.5 m，長度覆蓋整個(gè)底柱采場的走向長度，高度為底柱采場的斜向高度，如圖1所示。模型計(jì)算采用的FLAC3D中設(shè)置的Mohr-Coulumn本構(gòu)模型。計(jì)算所用的巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 應(yīng)力隔斷帷幕的卸荷效應(yīng)

根據(jù)已建立的應(yīng)力隔斷帷幕的數(shù)值模型，分析上下中段回采完畢后底柱應(yīng)力在實(shí)施隔斷帷幕前后的應(yīng)力場、變形場和巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)的變化特征，從三個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)應(yīng)力隔斷帷幕對(duì)于高應(yīng)力底柱的卸荷效應(yīng)。

2.1 應(yīng)力場的變化

在上下階段回采完畢后，受到深部高應(yīng)力的影響，在底柱采場產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖2（a）所示。形成的最大擾動(dòng)主應(yīng)力值達(dá)到172.2 MPa，約為初始最大主應(yīng)力值的2倍，應(yīng)力集中最明顯的區(qū)域在底柱采場，底柱成為連接上、下盤應(yīng)力傳遞的主要通道。因此，底柱回采時(shí)將面臨極高的應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)。

通過圖2（b）可以看出，在下盤區(qū)域采用隔斷帷幕后，底柱應(yīng)力水平明顯降低，應(yīng)力主要轉(zhuǎn)移到上階段頂柱、下階段的底柱區(qū)域中，在這2個(gè)位置的應(yīng)力水平由卸荷前的90 MPa增高到138 MPa；同時(shí)可以看到，應(yīng)力轉(zhuǎn)移的另一個(gè)去處為相鄰的采場區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)力水平提升到162 MPa。雖然這些應(yīng)力增高區(qū)域應(yīng)力水平值較高，應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)較大，但是，由于其遠(yuǎn)離研究區(qū)域底柱采場，因此，底柱采場回采時(shí)的安全性大大提高。同時(shí)可以看出，底柱采場中的卸荷并沒有使應(yīng)力消除或消失，而是通過技術(shù)措施，改變了應(yīng)力的轉(zhuǎn)移路徑，使應(yīng)力集中區(qū)域遠(yuǎn)離了對(duì)象區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)開采區(qū)域的“卸荷”，即采場尺度上的卸荷是對(duì)所研究目標(biāo)采場的卸荷。

結(jié)合圖3選擇的上、下盤不同位置的最大擾動(dòng)主應(yīng)力值變化可以看出，隔斷帷幕實(shí)施后，上、下盤最大主應(yīng)力值發(fā)生了大幅度的下降，下降幅度大于20%，下降應(yīng)力值均大于13 MPa，可見應(yīng)力隔斷帷幕對(duì)于底柱采場的卸荷效果顯著。若在上、下盤布置鉆孔應(yīng)力計(jì)完全可以捕捉到一次成功的應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施前后相對(duì)應(yīng)力值的變化，這為深部卸荷監(jiān)測措施的實(shí)施提供了理論支撐。

2.2 變形場的變化

原巖礦柱作為重要的支撐結(jié)構(gòu)，在開采淺部區(qū)域地壓控制中發(fā)揮了積極的作用，其主要的作用是能夠控制上、下盤的相對(duì)移動(dòng)變形，如圖4（a）所示?？梢钥闯?，在底柱采場支撐作用下，將上下階段明顯分割成2個(gè)變形單元，底柱采場的水平變形量微小。當(dāng)采取隔斷帷幕后，切斷了底柱采場對(duì)上、下盤圍巖的支撐作用，上下階段之間的變形呈現(xiàn)明顯的連續(xù)性。通過圖4（b）以及圖5可以看出，隔斷帷幕不但對(duì)下盤變形的影響巨大，同時(shí)對(duì)于上盤的影響同樣較大，尤其是距離礦體20 m左右的上、下盤區(qū)域變形量仍然較大，隔斷帷幕前后的變形差值在1 cm左右，隔斷帷幕實(shí)施后比實(shí)施前的變形量提高了16%以上，變形量的急劇增加代表了變形能的快速釋放，從而起到了對(duì)底柱有效卸荷的作用?，F(xiàn)場實(shí)踐時(shí)可以通過在上、下盤布置多點(diǎn)位移計(jì)捕捉應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施前后不同位置的變形量來判斷隔斷帷幕的卸荷效果。

2.3 巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)的變化

高應(yīng)力巖爆發(fā)生的可能性及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有許多種方法。其中，近年來發(fā)展起來的以偏應(yīng)力強(qiáng)度比法為代表的巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法由于其經(jīng)過了現(xiàn)場大量巖爆事件、微震事件與采礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互饋分析，在加拿大Creighton礦得到了較好的應(yīng)用［11］，其巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)表達(dá)式為

式中，σ1為最大主應(yīng)力值，MPa；σ3為最小主應(yīng)力值，MPa；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

由式（1）確立的巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：SH＜0.4，巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)很低；0.4≤SH＜0.5，巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)低；0.5≤SH＜0.7，巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)中等～高；SH≥0.7，巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)很高。

根據(jù)圖6底柱應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施前后的巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)分布可以看出，在實(shí)施隔斷帷幕前，底柱中的應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)達(dá)到0.77，按照判別標(biāo)準(zhǔn)屬于很高的巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)，在底柱回采過程中極易發(fā)生量級(jí)大的巖爆事件。當(dāng)在底柱下盤區(qū)域?qū)嵤└魯噌∧缓?，底柱的?yīng)力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)下降到0.3以下，屬于巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)很低的情況，發(fā)生巖爆事件的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

3 結(jié)論

以會(huì)澤鉛鋅礦采礦實(shí)踐為工程背景，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，研究了應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施前后的應(yīng)力場、變形場和巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的變化特征。研究結(jié)果表明：

（1）基于應(yīng)力隔斷帷幕的底柱采場的卸荷，并沒有使應(yīng)力消除或消失，而是改變了應(yīng)力的傳遞路徑，使應(yīng)力集中遠(yuǎn)離目標(biāo)開采區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)開采區(qū)域的“卸荷”。

（2）應(yīng)力隔斷帷幕實(shí)施后的變形量增幅明顯，變形能得到快速釋放，起到了對(duì)高應(yīng)力底柱的有效卸荷作用。

（3）應(yīng)力隔斷帷幕的實(shí)施大幅度降低了底柱的巖爆應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，巖爆事件發(fā)生的概率和量級(jí)大幅度降低。