斷層結構面對VCR法間柱穩定性影響的數值分析

顏克俊 ,史秀志 ,姚 曙 ,曹勝祥 ,黃宣東

(1.中金嶺南凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關市 512100；2.中南大學， 湖南 長沙 410083)

斷層結構面對VCR法間柱穩定性影響的數值分析

顏克俊1,史秀志2,姚 曙1,曹勝祥1,黃宣東2

(1.中金嶺南凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關市 512100；2.中南大學， 湖南 長沙 410083)

針對斷層影響VCR法間柱回采的穩定性問題，分析了凡口鉛鋅礦主要的控礦斷裂位于下盤時對VCR法間柱穩定性的不利影響，建立了包含分界面單元的FLAC3D數值模型，獲得了側向崩礦過程的應力、位移和塑性分布情況。結果表明，回采過程中斷層處的應力逐步釋放，位移呈一致性，兩幫充填體負載增加，剪切和拉伸塑性嚴重，存在間柱采場失穩的可能，應合理設計崩礦步距和慎重切采下部硐室點柱。

間柱采場；斷層；VCR法；穩定性；數值分析；FLAC3D

0 引 言

VCR法具有安全高效的特點，在國內外的礦山廣泛應用。凡口鉛鋅礦是我國重要的鉛鋅生產基地，于1970年代末試驗VCR法并獲得成功，經過30多年的發展，采礦工藝得到了重大改進[1]。但隨著間柱回采條件惡化，VCR法間柱采場存在諸多穩定性問題，尤其是在地質構造發育的地段。大斷層作為地質構造的強烈形式，它的存在破壞了巖體的連續性與完整性，它不僅降低了巖體的強度，增大了巖體的變形量，而且還控制著巖體的破壞模式。斷層處地應力集中，最有可能成為地壓活動的劇烈區域，成為采礦過程最危險的因素[2]。

目前，數值模擬廣泛應用于地下采礦工程的穩定性分析中，本文在地質調研的基礎上，分析大斷層的特點，通過分析關鍵部位的應力、位移以及塑性分布的特征，得出大斷層對VCR法間柱的穩定性影響規律，為采礦生產實踐提供指導。

1 工程概況

1.1 大斷層特征

凡口鉛鋅礦礦區構造復雜，褶皺、斷裂構造發育，主要發育有3組斷裂[3]：NNW向的F203斷裂，為礦區內規模最大的斷裂；NNE向的F3、F4、F5、F6等，為礦區內主要的控礦斷裂；NE向的F101、F102等，為主要的容礦斷裂。

礦床地質條件復雜，礦體分布受構造斷裂帶控制，分布在斷層的上下盤。對凡口礦開采影響較大的主要是F3為主的控礦斷層。F3斷層為逆斷層，斷裂長度已控制的有900 m，推測有2800 m，斷距260 m，走向12°～192°，傾向102°，傾角85°，斷裂帶一般寬度為6 m。F3斷層作為控礦斷裂，一般位于礦巖分界面。

圖1 下盤F3斷層位置示意

1.2 VCR法間柱回采工藝

采用VCR法回采間柱的前提是礦房必須是膠結充填，保證回采過程中礦房充填體的穩定性以及采場自身的穩定性。按照礦體形態、裝藥結構、爆破順序等不同可將崩礦方式分為VCR法深孔崩礦、VCR法切槽—全孔側向崩礦、VCR法切槽—分段側向崩礦(或稱倒梯段側向崩礦)[4-5]。目前凡口鉛鋅礦主要采用VCR法切槽—全孔側向崩礦，這種適合采場長度方向較長的采場，采場爆破次數少，效率高。

VCR法回采間柱時，都要掘進鑿巖硐室和出礦硐室，間柱礦體主要受到上下盤圍巖和充填體的約束作用。但隨著分次爆破的應力擾動，采場形態結構發生變化，斷層結構面處的巖體力學強度較低，而兩幫充填體的支撐力是有限的。因此在設計崩礦順序、破頂層厚度、側向崩礦長度時都要考慮斷層對采場穩定性的影響，以免出現采場整體失穩。

2 數值建模與參數選取

2.1 數值模型建立

建模采用FLAC3D自帶的強大網格生成器，網格生成器通過組合可生成任意變形、復雜的三維幾何網格，該法建模方便快捷。

模型對象為凡口鉛鋅礦間柱采場Sh-360mS1#，為便于計算與觀察，以采場中線為對稱面，建立1/2模型，模型尺寸為300 m×100 m×240 m，模型上表面距離地表為330 m，重點研究范圍為60 m×60 m×24 m，礦體模型傾角接近實際情況，取80°，下盤礦巖交界處設立斷層單元，以便模擬斷層的影響。共有101160個單元和112824個節點。網格成放射狀劃分(見圖 2)。

圖2 FLAC3D計算1/2模型

模擬方案分兩為有斷層和無斷層兩種情況，有斷層的模擬方案將在斷層處設置斷層的材料力學參數，采用FLAC3D中的分界面單元(Interface)技術，Interface界面單元可用來模擬節理、斷層、層理等不連續面。在本次模擬中，充填體與礦體的接觸面也同樣設置分界面單元。模擬流程如圖3所示。

圖3 間柱回采FLAC3D模擬流程

2.2 巖體材料物理力學參數

近幾年,不少科研院所在凡口鉛鋅礦做過相關的巖石材料物理力學參數測定實驗，但凡口礦地質條件復雜，巖石各類多樣，需要進行必要的歸類與簡化。巖體材料物理力學參數與分界面參數見表 1、表2。

2.3 初始地應力與邊界條件

凡口礦深部礦床地應力以構造應力為主，為壓應力，最大主應力近似水平，沿礦體走向，垂直應力近似等于自重應力，最大主應力與垂直應力比值約為1.2～1.7[6]。

上部覆巖自重產生的垂直正應力為：

σν=ρgh=2800×10×330=9.24(MPa)

假定垂直礦體走向的水平應力為垂直正應力的1.2倍，即11.09 MPa，平行礦體走向的水平應力為垂直正應力的1.5倍，即13.86 MPa。

FLAC3D一般用Fix和Apply命令設定位移、應力邊界條件。以采場中線為對稱面，約束水平移動；固定模型底部，在頂部施加上部巖體自重的垂直載荷，在模型周邊施加應力邊界，模擬水平應力狀態。

表1 巖體材料物理力學參數

表2 模擬中使用的分界面參數表

3 數值模擬結果分析

3.1 應力、位移分析

評價巖土體工程穩定條件的依據是巖土體介質的力學狀態，包括應力、位移(變形)以及塑性破壞狀態等。

圖 4和圖 5表明,間柱回采過程中斷層處的最大、最小主應力均為壓應力,并且隨著回采步驟呈階梯遞減，斷層處的應力逐步釋放。由于斷層處的巖體抗拉強度低，若最小主應力減小至轉為拉應力，則可能出現斷層開裂。

圖4 下盤F3斷層處最大主應力σ1變化曲線

圖5 下盤F3斷層最小主應力σ3變化曲線

圖 6和圖 7表明，不管下盤有無斷層，間柱采場切割拉槽至破頂后，位移量均由臨空面向下盤方向遞減；存在斷層時，斷層處的位移量基本一致，且位移達到0.010～0.012 m，不存在斷層時，下盤斷層對應位置的位移僅為0.005～0.007 m。

3.2 塑性區分布

FLAC3D中可通過分析塑性區分布特點，較直觀地了解潛在的破壞區域，顯示不同的顏色來表示剪切破壞和拉伸破壞，正處于破壞狀態和曾進入屈服狀態分別以shear-n或tension-n標識、shear-p或tension-p標識。

圖6 切槽后位移分布(無斷層)

圖7 切槽后位移分布(有斷層)

從圖 8可看出，上下部硐室開挖后，由于巖體二次應力擾動，斷層處即發生了剪切破壞，頂底板也出現了拉伸破壞。從圖 9可看出，有無斷層的情況下，充填體的塑性分布有較大區別，無斷層時，靠下盤充填體呈拉伸屈服，中間充填體不完全貫通；而存在斷層時，靠下盤充填體呈剪切、拉伸破壞，中間充填體完全貫通，由于下盤斷層的存在破壞了礦體與下盤的連續性，間柱礦體自重更多地由兩幫充填體和下部硐室的點柱來支撐，當點柱被切采后，充填體承載能力無法滿足礦體自重產生的下滑力，則可能導致剪切和拉伸破壞，出現采場失穩滑移。

從圖 10中可觀察到，在有斷層的情況下，回采過程中產生的塑性區遠大于無斷層的情況，有斷層時，間柱采場需要兩側充填體提供更多的接觸支撐力來保持穩定。因此，在下盤斷層強度較弱時，回采時應在下部硐室適當留點柱，并在回采時慎重切采，避免出現失穩，威脅出礦安全。

圖8 上部硐室開挖后塑性分布對比

圖9 回采結束后充填體塑性分布對比

圖10 間柱回采過程塑性區體積變化曲線

4 總 結

下盤大斷層的存在破壞了礦體與圍巖的連續性與完整性，在間柱回采過程中，斷層處發生應力集中，而斷層處的強度較弱，易發生剪切、拉伸破壞，回采最后一次側向崩礦時必須留足夠的長度。

斷層的存在增加了兩幫充填體的負載，使充填體更容易發生剪切、拉伸破壞，存在間柱整體失穩的可能性。

在生產實踐中，必須慎重對待下部硐室點柱的切采，在采場處于極限平衡狀態時，點柱切采或點柱過載破壞都有可能引起采場的失穩。

[1] 史秀志,邱賢陽,張木毅,等.凡口鉛鋅礦無底柱深孔后退式崩礦嗣后充填采礦法[J]. 采礦技術,2011,11(5):11-12，31.

[2] 饒運章, 徐靈彬. 某銅礦逆斷層對圍巖穩定性影響數值分析[J]. 有色金屬科學與工程, 2012, 3(6): 55-60.

[3] 劉德利,劉繼順,郭 軍,等.廣東凡口鉛鋅礦床控礦構造型式[J].礦床地質,2006, 25(2):183-190.

[4] 周國軍,黃志偉,王寶山.地下采礦大直徑深孔爆破研究[J].爆破,2006(4):25-29.

[5] 鄒賢季.大直徑深孔采礦法的崩礦方式研究[J].有色金屬(礦山部分),2005, 57(4):10-11.

[6] 李庶林,楊念哥.凡口鉛鋅礦深部礦床地應力測試[J].礦業研究與開發,2003,23(4):15-17.

2013-08-23)

顏克俊(1964-)，男，漢族，廣東韶關人，工程師,本科，主要從事采礦技術及管理工作。