徐 青 董亞寧 袁錦鋒 劉 康 袁海濤

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責任公司）

馬鋼羅河鐵礦主要采用垂直深孔階段空場嗣后充填和中深孔分段空場嗣后充填采礦方法進行采礦。隨開采深度的增加，地壓危害將逐步突顯，尤其對于巖體裂隙較發(fā)育和側幫有效暴露面積較大的礦房，地壓危害將更加顯著［1-2］。

根據(jù)羅河鐵礦鑿巖硐室的工程地質條件以及現(xiàn)場踏勘情況，對所建立的模型進行了簡化，提高計算精度，以便得到更準確的應力、位移和塑性區(qū)等數(shù)據(jù)，為后期安全穩(wěn)定回采提供依據(jù)。研究空區(qū)形成過程中采場頂板、底板、側幫及鑿巖硐室條柱地壓顯現(xiàn)與二次應力重分布特征，揭示礦柱地壓活動時空顯現(xiàn)演變特征及礦柱側幫離層、演化與最終片幫破壞規(guī)律［3-4］。

對左、中、右3個礦房分段分步開采方案進行計算模擬，其中工況28～30為左、右礦房75～90 m分部的-515，-494，-470 m分段開采，工況31為左、右采空區(qū)整體充填。重點在研究一步采和二步采采場形成過程中采場頂板、底板、側幫及鑿巖硐室條柱地壓顯現(xiàn)與二次應力重分布特征，揭示礦柱地壓活動時空顯現(xiàn)演變特征及礦柱側幫離層、演化與最終片幫破壞規(guī)律［5］。

1 次生應力場分布特征

在地下巖體開挖后，原來處于應力平衡的巖體，受到開挖擾動而引起所開挖空間周邊巖體的應力集中，巖體的應力再次重分布。次生應力場對圍巖的穩(wěn)定至關重要，所以對次生應力場應力大小、位移及塑性區(qū)情況的掌握尤為重要。本項目采用有限差分數(shù)值軟件FLAC3D進行開采模擬，主要是觀測模擬區(qū)域內(nèi)巖體的最大主應力和最大剪應力的分布情況，可以具體了解巖體的受力情況，同時通過對比分析，了解充填開采模式下巖體次生應力重分布特征。

圖1為工況30的不同剖面最大主應力云圖，圖2、圖3所示為y=62 m剖面不同工況的最大主應力和最大剪應力云圖。

（1）在采空區(qū)頂板處拉應力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，在采空區(qū)頂部中部附近出現(xiàn)了峰值拉應力，而在礦柱附近出現(xiàn)了較大壓應力。左右硐室不斷開挖擾動導致巖體的最大主應力隨著Y軸方向不斷向前延伸，同時其應力數(shù)值也處在不斷變化中，拉應力從1.63 MPa升高至1.93 MPa又降低到1.70 MPa，壓應力數(shù)值從7.06 MPa不斷升到7.81 MPa，之后降至7.39 MPa。這組數(shù)據(jù)表明，后續(xù)的開采生產(chǎn)活動對周邊巖體應力產(chǎn)生了擾動。

（2）隨著開采的進行，巖體的最大主應力值呈現(xiàn)下降趨勢，拉應力從1.68 MPa降低至1.14 MPa，壓應力從7.13 MPa降至7.09 MPa。這說明，對采空區(qū)充填后，保護了裸露的礦巖體，使得應力重新分布，嗣后充填對后續(xù)采場安全高效開采提供了保證。同時可以看出，巖體受到的拉應力主要集中在頂板中央位置，因此在采場的頂板容易出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象。而在礦柱頂部與底部位置則出現(xiàn)受力較復雜，拉壓應力交錯，在這些位置更容易發(fā)生破壞，應加強監(jiān)測。

（3）在采空區(qū)進行充填后，最大剪應力從10.5 MPa降至10.1 MPa。各工況運行后，中間條柱處及采場隅角附近區(qū)域有著數(shù)值較大的最大剪應力值；同時，這些區(qū)域的最大剪應力較為復雜，拉剪應力和壓剪應力交錯。因此，中間條柱處及采場隅角出現(xiàn)破壞的可能性較大，應該加強監(jiān)測。

2 變形與位移分布特征

地下任何開挖活動，必然會引起地表沉降，尤其是采礦活動。地下巷道或硐室的頂板、條柱以及圍巖都會產(chǎn)生變形和位移，并且隨著開采活動的不斷推進，這些變形和位移還會持續(xù)增加，若不采取有效措施，必然會引起破壞，進一步對上覆巖體結構產(chǎn)生不利影響。表1和表2分別為工況30時頂板監(jiān)控點沉降量統(tǒng)計結果及礦柱監(jiān)控點水平位移統(tǒng)計結果。圖4和圖5分別為工況30時不同剖面的水平位移等值云圖、y=62 m剖面不同工況的水平位移等值云圖，圖6為y=62 m剖面在不同工況下的豎直位移等值云圖。通過對水平位移云圖和豎直位移云圖進行分析，得出表1、表2的結果。

（1）由表1和表2中數(shù)據(jù)可以看出：在工況30條件下，頂板最大沉降出現(xiàn)在95#監(jiān)測點上，最大值為45.25 mm，最小沉降出現(xiàn)在43#監(jiān)測點上，其值為6.58mm。對比各監(jiān)測點沉降位移可知，在整個采場兩側的礦房頂板沉降量普遍較中間的礦房頂板的沉降量要??；而在礦柱31#監(jiān)測點上出現(xiàn)了最大水平位移，其值為6.44 mm，最小水平位移發(fā)生在33#監(jiān)測點，其值為5.02 mm。總體來說，在開采至-470～-450 m分段后，采場的沉降量與水平位移值相對來說在安全范圍內(nèi)，但考慮到巖石的非均質性，在局部區(qū)域不排除會出現(xiàn)冒頂片幫等現(xiàn)象。

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（2）巷道或硐室的頂?shù)装逡约皞葞驮陂_挖后都會產(chǎn)生變形和位移，并且隨著開采活動的不斷推進，這些變形和位移還會持續(xù)增加，若不采取有效措施，必然會引起圍巖破壞。開采擾動后，隨著剖面從y=62 m到y(tǒng)=122 m，礦體的水平位移呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢，從16.07 mm增大至30.6 mm又減小至13.85 mm。就水平位移來說，礦柱及圍巖位移值均不大，水平位移值相對在安全范圍內(nèi)，但左礦房左側幫位移整體大于右側幫，右礦房相反。尤其在左礦房左側幫和右礦房右側幫有較大水平位移出現(xiàn)，不排除會出現(xiàn)片幫等現(xiàn)象，需加強監(jiān)測。

（3）在y=62 m剖面，在采礦工作過程中，圍巖的變形和位移是不斷增大的，由15.25 mm增加至18.06mm，但是對采空區(qū)及時充填后，巖體的變形和位移趨于緩和并且穩(wěn)定下來，使得圍巖得到保護，為后續(xù)開采活動提供安全保證。

（4）由圖6可知，在礦體開采過程中，始終存在2處明顯變形，即礦房頂板附近巖體產(chǎn)生較明顯的沉降，在底板附近出現(xiàn)了底臌現(xiàn)象，這是由于開采后巖體的應力釋放引起的。隨著開采的推進，巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來越大，頂板巖體沉降位移逐漸增大，底板巖體隆起位移在開采時減小而在充填時增大。巖體的最終沉降位移為38.94 mm，最終隆起位移為10.55 mm。圍巖變形較小，比較穩(wěn)定。

3 破壞接近區(qū)分布特征

破壞接近度可以用來描述巖土體從進入塑性狀態(tài)到最終破壞這一過程中的損傷程度，其量值與巖土體的損傷度呈現(xiàn)正相關，對于了解巖體破壞情況和加固設計具有較好的指導作用。圖7～圖9所示分別為工況30不同剖面塑性區(qū)分布圖、工況30沿Y軸不同剖面塑性分布圖、y=62 m剖面不同工況破壞區(qū)云圖。對各開采工況礦巖體的塑性破壞接近區(qū)分布與規(guī)模進行了分析，得出如下幾點認識。

（1）礦體的開采必然引起周邊巖體擾動與破壞，開采過程中巖體受力比較復雜，其破壞形式有拉伸破壞、剪切破壞和拉伸剪切混合破壞。塑性破壞區(qū)主要分布在采場頂板中央、采場隅角、斷層、斷層與采場間巖橋等應力集中區(qū)與構造破碎帶等強度薄弱區(qū)。在頂板上方出現(xiàn)了拉剪破壞，礦柱與頂?shù)装褰唤缣幊霈F(xiàn)了壓剪和拉剪的剪切破壞，斷層部分為局部開采擾動破壞及斷層與采場間巖橋的剪切破壞。

（2）由圖7～圖8可知，在開采完成后，在礦房兩幫礦體和中間礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，各剖面破壞接近區(qū)云圖顯示頂板和底板塑性變形較小，比較穩(wěn)定，發(fā)生冒落的可能性較小，主要在礦房兩幫礦體和中間礦柱處塑性變形較大，因此在開采時應對側幫進行必要的監(jiān)測、加固措施。

（3）由圖9可知，破壞接近區(qū)主要分布在采場兩幫礦體、中間礦柱、各工況頂板和底板等應力集中區(qū)。工況28、29、30、31的采場兩幫礦體及中間條柱處均存在一定的破壞，有片幫的可能。而在對采空區(qū)進行充填后，采場周圍巖體的破壞接近區(qū)域沒有進一步擴大趨勢，及時充填可以緩和應力集中、變形等的進一步發(fā)展，有效地保護了圍巖。

4 結論

基于20聯(lián)巷以北高階段開采現(xiàn)狀與技術條件，根據(jù)礦山現(xiàn)有采場開采參數(shù)，研究空區(qū)形成過程中采場頂板、底板、側幫及鑿巖硐室條柱地壓顯現(xiàn)與二次應力重分布特征，揭示礦柱地壓活動時空顯現(xiàn)演變特征及礦柱側幫離層、演化與最終片幫破壞規(guī)律。研究表明：

（1）一步驟開采后，采場頂板中央出現(xiàn)拉應力集中現(xiàn)象，最大拉應力為1.93 MPa，最大壓應力為7.13 MPa，最大水平位移為42.25 mm，礦房兩幫礦體和中間礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，側幫破壞區(qū)域明顯大于頂板。

（2）左右采場嗣后充填后，最大拉應力降幅為32%，最大壓應力降幅為0.6%，剪應力降幅為3.8%（從10.5 MPa減小至10.1 MPa），說明及時的充填對采場穩(wěn)定有利。

（3）在開采完成后，在礦房兩幫礦體和中間礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢，各剖面破壞接近區(qū)云圖顯示頂板和底板塑性變形較小，比較穩(wěn)定，發(fā)生冒落的可能性較小，主要在礦房兩幫礦體和中間礦柱處塑性變形較大，因此在開采時應對側幫進行必要的監(jiān)測、加固措施。