牛淑慧

(云南德誠礦山工程設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650217 )

0 引 言

由于武定迤納廠鐵銅礦開采年限較長，自建礦以來，礦山形成多個(gè)平硐，礦山已形成大量采空區(qū)，采用的采礦方法是留不規(guī)則礦柱的全面空場法，采場礦柱為不規(guī)則礦柱。隨著開采深度的增加，老采空區(qū)的存在對井下安全生產(chǎn)造成一定影響，導(dǎo)致后續(xù)礦體開采建設(shè)增加了一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了對老采空區(qū)的安全隱患進(jìn)行整改，需要對現(xiàn)有的采空區(qū)圍巖和地表進(jìn)行現(xiàn)狀穩(wěn)定性分析評價(jià)。本文通過FLAC3D有限差分法數(shù)值模擬來計(jì)算論證在該采礦方法條件下，地下開采已形成的多個(gè)孤立的老采空區(qū)對周邊圍巖和地表的穩(wěn)定性是否產(chǎn)生影響，進(jìn)而對現(xiàn)有采空區(qū)和地表穩(wěn)定性作出評價(jià)。

1 礦體及其頂?shù)装宓姆€(wěn)固性

區(qū)內(nèi)主礦層賦存于黑云母片巖中，礦石主要是含銅磁鐵礦和含銅菱鐵礦，礦層頂板巖性為板巖夾白云質(zhì)板巖，測得極限抗壓強(qiáng)度為61.6～87.6 MPa；底板為黑云片巖、炭質(zhì)片巖、白云質(zhì)板巖，測得極限抗壓強(qiáng)度為71.8～81.7 MPa；礦層(塊狀鐵銅礦石、含銅菱鐵礦)極限抗壓強(qiáng)度為82.7～98.3 Mpa。礦體平均厚度為 2.38 m，全鐵平均品位為41.65%，銅平均品位為1.00%，埋深80～106 m，礦體傾角16～30°，屬于緩傾斜薄礦床(圖1)，礦體走向近東西向，礦體及上下盤圍巖穩(wěn)固性好。

圖1 典型實(shí)際采場剖面圖Fig.1 The typical profile

施工多年的坑道中礦層頂?shù)装寰粗ёo(hù)，未見坍塌；施工經(jīng)過F8斷層的坑道，揭露破碎帶 1.5 m，有地下水滲流，5年后頂板冒落高度僅 5.4 m。斜交小斷層的支護(hù)架無變形和折斷現(xiàn)象。工程地質(zhì)條件屬良好。

綜合工程地質(zhì)調(diào)查、巖體質(zhì)量評價(jià)以及現(xiàn)場圍巖實(shí)際穩(wěn)固情況進(jìn)行分析研究，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行巖石物理力學(xué)參數(shù)的折減處理[2-3]，所得巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值Tab.1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

2 礦塊和采場結(jié)構(gòu)與尺寸

礦體穩(wěn)固性好，上下盤圍巖穩(wěn)定性好，屬于緩傾斜礦床，設(shè)計(jì)中段運(yùn)輸平巷布置于礦體下盤，采場沿走向布置，中段高度8～12 m，采場長度 40 m，采場寬度為礦體水平厚度，采場間柱3～4 m，采場內(nèi)留設(shè)的均為不規(guī)則點(diǎn)礦柱，點(diǎn)柱直徑為 3 m 左右，點(diǎn)礦柱最大間隔尺寸為 15 m，最小為 4 m。

3 地下開采對采空區(qū)及地表穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證采場圍巖及不規(guī)則礦柱穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)建立了采場及地表宏觀模型，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行采場頂板及礦柱穩(wěn)定性的模擬計(jì)算；分析論證該礦山目前采用的全面空場法的合理性和對地表的影響。本文是基于一個(gè)孤立的采場而進(jìn)行的模擬分析。

3.1 計(jì)算模型的建立

數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于所選擇的計(jì)算模型，包括數(shù)值模擬的本構(gòu)模型和模型的邊界約束條件。幾何模型尺寸盡可能地逼近采場實(shí)際模型尺寸,以實(shí)現(xiàn)計(jì)算的需要和保證計(jì)算精度。

本次模擬計(jì)算采用莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型。模型共劃分 420 343 個(gè)單元體，438 048 個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.2 The model of 3D numerical simulation calculation

3.2 礦體開挖后，采場圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力和位移分布特征

礦體被開挖后，形成一定的采場空間，巖體中的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，一些部位應(yīng)力集中，另一些部位應(yīng)力降低。維護(hù)采場穩(wěn)定性主要依靠周邊圍巖及不規(guī)則點(diǎn)礦柱自身強(qiáng)度來控制采場跨度并支撐采場空間結(jié)構(gòu)。

1)根據(jù)采場圍巖塑性區(qū)分布云圖(圖3～7)所示：采用全面空場法開挖礦體后，采場頂板及周邊圍巖基本未出現(xiàn)塑性擾動(dòng)區(qū)，只是在采場角隅處出現(xiàn)零星的塑性擾動(dòng)區(qū)，此時(shí)采場頂板及周邊圍巖整體是穩(wěn)定的，同時(shí)也說明地下開采并未對地表產(chǎn)生太大影響。

圖3 礦體開挖后采場頂板塑性擾動(dòng)區(qū)分布云圖 圖4 礦體開挖后地表塑性擾動(dòng)區(qū)分布云圖Fig.3 The plastic zone distribution of roof after orebody excavation Fig.4 Cloud map of surface plastic stope zone after orebody excavation

2)礦體開挖后，誘發(fā)了次生應(yīng)力場，上覆巖層的應(yīng)力向采空區(qū)周邊圍巖和采場礦柱轉(zhuǎn)移，造成采場礦柱均出現(xiàn)了整體性的塑性擾動(dòng)區(qū)，說明礦柱處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)。

3)采場礦體開挖后，原巖中存在的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到擾動(dòng)，在空區(qū)周圍引起應(yīng)力和位移的重新分布，從最大壓應(yīng)力分布云圖(圖5)可以看出：采場礦柱出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，大部分礦柱所承受的壓應(yīng)力在7.5～15 MPa 之間，而個(gè)別礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為 25 MPa 左右，處于一定高應(yīng)力屈服狀態(tài)；采場頂板及周邊圍巖所承受的壓應(yīng)力為2.5～7.5 MPa。

圖5 礦體開挖后采場頂板及礦柱最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud chart of maximum pressure stress distribution of stope roof and pillar after orebody excavation

4)通過現(xiàn)場工程地質(zhì)實(shí)際勘察和礦區(qū)地質(zhì)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)采場礦體較完整，巖性較好，巖體完整性系數(shù)Kv在0.75～0.55之間(取最低值考慮)，礦體巖塊抗壓強(qiáng)度平均值為 87 MPa，則礦層巖體單軸抗壓強(qiáng)度為87×0.55=47.8 MPa，而采場點(diǎn)礦柱所承受的垂直壓應(yīng)力最大值為 25 MPa<47.8 MPa，其垂直壓應(yīng)力值未超過礦層巖體的抗壓強(qiáng)度值，說明該礦段礦體開挖后，礦柱是穩(wěn)定的，礦柱具備較強(qiáng)的承載能力。

5)從圖6、7下沉位移云圖可以看出：該礦段采場頂板的變形基本呈現(xiàn)拱形效應(yīng)，頂板整體最大下沉位移值為 1.8 cm(圖6)，位于整個(gè)采空區(qū)中央位置，頂板整體下沉變形量很??；該礦段地表最大下沉位移值為 1.2 cm(圖7)，地表下沉變形量很小，影響不大，處于可控范圍。由此可見，現(xiàn)有的采場結(jié)構(gòu)尺寸基本合理，礦體開挖后，采場圍巖、礦柱及頂板具備一定的自身承載能力，其穩(wěn)固性較高，安全性有一定保障，該礦段地下開采對地表基本無影響。

圖6 礦體開挖后采場頂板下沉位移分布云圖Fig.6 Cloud map of stope roof subsidence displacement and deformation after orebody excavation

圖7 礦體開挖后地表下沉位移分布云圖Fig.7 Cloud map of surface subsidence displacement and deformation after orebody excavation

4 結(jié) 論

綜合以上分析，可得到如下結(jié)論：

1)礦體采用全面空場法開挖后，采場內(nèi)留設(shè)不規(guī)則點(diǎn)礦柱，采場頂板產(chǎn)生的塑性區(qū)是有限的，塑性區(qū)未貫通到地表，未對地表產(chǎn)生擾動(dòng)影響，此時(shí)地表是穩(wěn)定的，說明該采礦方法能有效控制因本次地下開采形成的采空區(qū)對地表形變的影響；同時(shí)生產(chǎn)過程中要對地表持續(xù)加以監(jiān)測。

2)采場不規(guī)則點(diǎn)礦柱所承受的垂直壓應(yīng)力值未超過礦層巖體的抗壓強(qiáng)度值，說明該礦段礦體開挖后，不規(guī)則礦柱是穩(wěn)定的，礦柱具備較強(qiáng)的承載能力，同時(shí)也說明只需適當(dāng)充填采礦范圍內(nèi)中央位置的部分大采空區(qū)，即可更加安全有效地控制整個(gè)采場地壓，實(shí)現(xiàn)后續(xù)采場礦體的順利開采。

3)雖然分析結(jié)果表明地表和采場頂板整體下沉變形量都很小，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但從加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、消除大量采空區(qū)帶來的安全隱患、實(shí)現(xiàn)無廢綠色開采的角度出發(fā)，雖達(dá)到有效控制采場地壓，但建議采空區(qū)后期如有條件還是要盡量充填。

4)同時(shí)礦體回采過程中要盡量實(shí)現(xiàn)強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充開采措施，縮短礦柱的暴露時(shí)間，使采空區(qū)及時(shí)得到支撐，限制圍巖和頂板變形的發(fā)展，減小滯后充填產(chǎn)生的頂板壓力。