動態擾動下硬巖礦柱應力演化與地表沉降規律

盧宏建 梁 鵬 李嘉惠

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山063009;2.河北省礦業開發與安全技術實驗室，河北 唐山063009)

在未開挖前，硬巖礦床賦存在原始地應力場中;當按照礦山開采設計的采場參數有步驟地進行回采時，采場周邊巖體應力場重新分布，不僅會造成采場自身礦柱巖體的擾動和損傷，還會對相鄰采場巖體產生擾動危害。當采用空場法開采時，在水平和垂直方向的多個相鄰采場往復開挖作業影響下，會在局部位置產生應力集中，引起巖層移動。隨著礦體開采范圍大擴大和深度的增加，采動影響會擴散到地表，產生地表變形，破壞地形地貌并對周邊(建)構筑物的安全產生不利影響［1-4］。因此，開展多次開挖擾動下的硬巖礦柱應力演化特征和地表沉降規律研究，為選擇減輕、消除和避免開采損害的方法提供理論依據，是十分必要的。

目前針對圍巖應力演化分析、地表移動規律研究主要有理論分析法、現場監測法［5］、相似模型試驗法［6］、數值仿真模擬法［7-10］。本研究基于有限元理論，運用數值分析軟件，對硬巖礦床多次開挖擾動下的采場礦柱應力演化地表沉降特征進行了分析，揭示硬巖礦床動態開采擾動下礦柱的應力與地表位移增長規律。

1 工程概況

某礦區位于中朝準地臺燕山臺褶帶山海關臺拱遷安穹隆西部，下伏地層為太古界遷西群三屯營組。賦存礦體被第四系覆蓋，平均厚度30 m，出露高度距離地表100 m，賦存高度350 m，平均厚度7.5 m，走向為NE65°，傾向為NW75°，走向長度1 200 m。礦石自然類型為磁鐵石英巖型貧礦，頂底板圍巖以混合花崗巖為主，次為斜長角閃巖和混合巖化黑云斜長片麻巖，屬于穩固性較好的巖石。

礦山采用下盤豎井開拓，采礦方法為平底結構淺孔留礦法。礦塊結構參數為階段高度50 m，礦塊長度50 m，礦塊寬度為礦體厚度，平底結構，頂柱高度為6 m，間柱寬度6 m，出礦穿脈間距7 m。

2 數值計算模型

數值計算模型選擇有限元分析軟件Midas/GTS建立，模擬開挖3 個階段，每個階段5 個礦房。模型長、寬、高取開采范圍的3 ～5 倍，沿礦體走向為Y 方向，長度2 000 m，垂直礦體走向為X 方向，長度1 500 m，Z 方向取800 m，如圖1 所示。模型邊界采用位移約束，底部節點采用固定約束，X 與Y 方向采用邊界位移約束，頂部節點為自由邊界。采用德魯克－普拉格(Drucker－Prager)彈塑性本構模型。根據室內力學試驗，并結合現場巖體的結構面、節理裂隙等尺寸效應的影響，選取的巖石力學參數如表1 所示。

圖1 數值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

表1 巖石力學參數Table 1 Rock mechanical parameters

3 礦柱應力演化規律

根據典型礦山礦體賦存條件和礦房開采參數，建立數值模型，應用有限元分析軟件對礦房依次開挖進行數值模擬研究，開挖順序為礦房1 ～15(如圖2 所示)。為了便于分析礦柱應力演化特征，對礦柱測點進行布設，1#～6#測點為頂柱測點，7#～9#測點為右間柱測點，10#～15#測點為底柱測點，16#～18#測點為左間柱測點。不同礦房礦柱測點分布如圖2 所示。限于篇幅，選取典型礦房8 的測點為研究對象進行分析。

圖2 不同礦房礦柱測點分布Fig.2 Measuring point distribution of different stope pillars

3.1 礦柱水平X 方向應力(σx)演化特征

提取礦房8 礦柱測點隨礦房開挖的σx計算結果，如圖3 所示。礦房8 未開挖前，上一水平頂部(礦房3)和對角相鄰礦房(礦房2 和4)開挖對礦房8 頂柱測點產生了較小應力擾動，其他位置測點產生了輕微擾動，同一水平相鄰礦房(礦房7)開挖后對相鄰礦房一側的間柱測點和頂柱端部測點應力擾動效應增大。礦房8 開挖后礦柱測點應力集中現象最嚴重。此后，同一水平另一側相鄰礦房開挖(礦房9)、下一水平下部礦房(礦房13)和對角礦房(礦房12 和14)開挖后，對礦房間對應的間柱和底柱應力擾動現象明顯。

圖3 礦柱測點σx 變化趨勢Fig.3 σx trends of pillar measuring point

由礦柱測點 變化趨勢圖可知頂柱測點4#、右間柱測點8#、底柱測點13#和左間柱測點17#受礦房開挖擾動后應力集中現象明顯，為此提取上述4 個測點隨不同礦房開挖后的應力變化值進行應力集中系數計算，生成敏感測點應力集中系數變化曲線，如圖4所示。頂柱測點4#在頂部(礦房3)和對角相鄰礦房(礦房2 和4)開挖后應力集中現象較輕，應力集中系數依次為1.01(礦房2)、1.10(礦房3)、1.14(礦房4);礦房8 開挖后應力集中現象最嚴重，系數為2.32;此后應力集中現象趨于平緩增長，其中礦房9和礦房13 開挖后應力集中現象明顯，最終應力集中系數為2.59。右間柱測點8 在礦房8 開挖前應力集中現象輕微，礦房8 和9 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為2.46、2.95;礦房10 ～12 開挖后應力集中現象較輕;礦房13、14 開挖后應力集中現象明顯，系數分別為3.17、3.26;礦房15 開挖后最終應力集中系數為3.29。底柱測點13#在礦房8 和13 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.83、2.56;礦房9和14 開挖后應力集中現象明顯，系數分別為1.88、2.62;其他礦房開挖后應力集中現象輕微，最終應力集中系數為2.63。左間柱測點17#在礦房7 和8 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.25、2.90;礦房12 和13 開挖后應力集中現象明顯，系數分別為3.04、3.18，最終應力集中系數為3.22。

圖4 敏感測點σx 集中系數變化曲線Fig.4 σx concentration factor curve of sensitive measuring point

3.2 礦柱水平Y 方向應力σy 演化特征

提取礦房8 礦柱測點隨礦房開挖σy計算結果，如圖5 所示。礦房1 ～7 開挖時，礦房8 礦柱測點產生了應力集中現象，其中頂柱測點和左間柱測點應力擾動效應明顯。礦房8 ～15 開挖后，左右間柱測點和頂底柱角隅測點應力集中現象加重，頂底柱其他測點發生了應力釋放現象。

由圖5 可知頂柱測點1#、右間柱測點10#、底柱測點15#受礦房開挖擾動后應力集中現象明顯，提取上述3 個測點隨不同礦房開挖后的應力變化值進行應力集中系數計算，生成敏感測點 集中系數變化曲線，如圖6 所示。頂柱測點1#在礦房3 和8 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.09、1.29，其他礦房開挖后呈平緩增長趨勢，最終應力集中系數為1.38。右間柱測點10#在礦房8 開挖后應力集中現象嚴重，系數為1.24;礦房9、13 和14 開挖后應力集中現象明顯，系數分別為1.34、1.48、1.54，最終應力集中系數為1.56。底柱測點15#在礦房7 和8 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.15、1.29;礦房13 開挖后應力集中現象明顯，系數為1.42，最終應力集中系數為1.46。

圖5 礦柱測點σy 變化趨勢Fig.5 σy trends of pillar measuring point

圖6 敏感測點σy 集中系數變化曲線Fig.6 σy concentration factor curve of sensitive measuring point

3.3 礦柱垂直Z 方向應力σz 演化特征

提取礦房8 礦柱測點隨礦房開挖的σz計算結果，如圖7 所示，礦柱σz變化趨勢與σy相似。礦房8未開挖前，礦柱測點產生了應力集中現象，頂柱測點和左間柱測點應力擾動效應明顯。礦房8 開挖后，左右間柱測點和頂底柱角隅測點應力集中現象加重，頂底柱其他測點發生了應力釋放現象。

由礦柱測點σz變化趨勢圖可知頂柱測點1#、右間柱測點9#、左間柱測點16#受礦房開挖擾動后應力集中現象明顯，提取上述3 個測點隨不同礦房開挖后的應力變化值進行應力集中系數計算，生成敏感測點σz集中系數變化曲線，如圖8 所示。頂柱測點1#在礦房2、3、7、8 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.04、1.10、1.20、1.27，其他礦房開挖后呈平緩增長趨勢，最終應力集中系數為1.34。右間柱測點9#在礦房8 和9 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.36、1.52;礦房13 和14 開挖后應力集中現象明顯，系數分別為1.61、1.68，最終應力集中系數為1.69。左間柱測點16#在礦房7 和8 開挖后應力集中現象嚴重，系數分別為1.09、1.52;礦房12 和13 開挖后應力集中現象明顯，系數分別為1.60、1.68，最終應力集中系數為1.70。

圖7 礦柱測點σz 變化趨勢Fig.7 σz trends of pillar measuring point

圖8 敏感測點σz 集中系數變化曲線Fig.8 σz concentration factor curve of sensitive measuring point

由不同方向礦柱測點應力演化特征分析可知礦房開挖后頂柱和底柱測點、左間柱和右間柱測點變化趨勢相似。σz集中系數最大，σy與σz集中系數相近。礦房開挖后對自身礦房礦柱應力擾動最嚴重，相鄰礦房和對角礦房開挖會引起礦柱測點應力集中，頂底板中間測點和左右間柱下部測點應力集中現象明顯。擾動效應排序為自身礦房開挖＞同水平相鄰礦房開挖＞下水平相鄰和對角礦房開挖＞上水平相鄰和對角礦房開挖。

4 地表沉降演化規律

選取部分典型礦房開挖后的地表垂直位移云圖，如圖9 所示。

圖9 典型礦房開挖地表垂直位移云圖Fig.9 Surface vertical displacement contours of typical stopes excavation

隨著礦房的開挖，礦體上盤區域發生了沉降，下盤區域發生了隆起。隨著1 ～5 礦房的開挖地表位移變化區域沿礦體走向擴展，位移值呈增長趨勢，第一水平開挖后位移敏感區域上盤為位移變化區域的16%左右，下盤為10%左右。第二水平開挖過程中下盤位移變化區域趨于穩定，上盤沉降區域擴大趨勢緩慢，最大沉降值繼續增長，第二水平開挖后礦體上盤沉降敏感區域增大至26%左右，下盤為14%左右。第三水平開挖過程中上、下盤位移變化區域變化不大，下盤最終沉降敏感區域為17%左右，上盤最終沉降敏感區域為33%左右，但上盤敏感區域隨著礦房的開挖沿礦體走向呈擴展趨勢。

5 結 論

(1)依據典型鐵礦床為物理原型，運用有限元軟件建立了3 階段15 礦房數值計算模型，模擬分析了多礦房開挖卸荷擾動下的采場礦柱應力演化特征和地表沉降規律。

(2)礦房開挖后礦柱σx集中系數最大，σy與σz集中系數相近。水平和垂直方向的多個相鄰礦房開挖過程中，擾動效應排序為自身礦房開挖＞同水平相鄰礦房開挖＞下水平相鄰和對角礦房開挖＞上水平相鄰和對角礦房開挖。

(3)隨著礦房的開挖，礦體上盤地表區域發生了沉降，下盤地表區域發生了隆起。第一水平開挖地表位移變化區域沿礦體走向擴展，第二、三水平開挖地表位移變化區域增大區域不明顯，沉降敏感區域位移值呈增長趨勢。

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