近距離復雜薄礦脈群開采巖層移動規律研究

李朝良，李應武

(1.江城縣水利局， 云南普洱市 665900；2.云南馳宏資源勘查開發有限公司， 云南曲靖市 655000)

近距離復雜薄礦脈群開采巖層移動規律研究

李朝良1，李應武2

(1.江城縣水利局， 云南普洱市 665900；2.云南馳宏資源勘查開發有限公司， 云南曲靖市 655000)

受復雜的地質運動影響，某礦山呈現出薄礦脈在相對狹小的范圍內富集的現象，多條礦脈集中發育，且礦脈間距離較近，礦脈延展變化很大。薄礦脈群的開采必然形成相互影響，在前期開采過程中，發現鄰近礦體開采圍巖變形較為明顯，圍巖難以自穩，支護成本居高不下，甚至出現冒頂片幫事故。為深入研究復雜薄礦脈群開采巖層移動規律，在礦體圍巖充分調研的基礎上，建立逼近現場實際三維數學模型，模擬分析礦脈開采后圍巖應力和位移變化。對數值模擬結果進行分析，提出相關建議措施以確保后續回采工作順利開展。

薄礦脈；巖層移動；應力變化

1 礦山基本概況

某礦位于云南西南部橫斷山區，受長時間的地質演化作用，形成一復雜近距離石英脈群，礦脈走向為北西60°～80°，傾向北東，傾角69°～85°，脈厚1～3 m，一般厚2 m左右，礦脈延長100～300 m，延深200～600 m，規模小至大型不等。礦脈與礦脈間距離較小，為5～20 m不等。礦脈主要特征為:脈體總體平直穩定，局部有時呈大角度彎曲，其彎曲度在155°～180°之間，分枝復合情況較少，僅在主脈側旁有羽毛狀小脈出現，長度一般較短，多為2～20 m，少數達25～40 m。垂直面上分枝現象一般少見，愈深則分枝小，礦脈愈不發育。

薄礦脈群采用淺孔留礦法由下向上開采，目前已形成5個開采中段。在前期開采過程中，發現鄰近礦體開采圍巖變形較為明顯，圍巖難以自穩，支護成本居高不下，甚至出現冒頂片幫事故。為保證礦脈安全高效開采，必須對薄礦脈群開采后的巖移進行深入研究，以優化礦脈開采順序，減少近距離回采時相互擾動，確保后續回采工作順利開展。

2 三維實體模型的建立

2.1 建立三維實體模型

該礦礦體較為特殊，由多條急傾斜薄礦脈組成。此次礦體模型主要范圍由1中段以下5中段以上礦體組成，包括1脈、2脈、3脈、4脈、5脈和6脈等主要開采礦脈。在CAD中圈定各中段礦體范圍，并根據地表等高線圖，運用MIDAS中的實體工具建立礦區薄礦脈群三維實體模型，如圖1所示。

圖1 礦體圍巖三維實體模型(透視)

為清楚展示各脈間相對位置關系，整體模型建好之后，在礦脈的走向方向上，切出x＝600和x＝800兩個豎向剖面，將礦脈標識出來，反映在圖2中。

從圖2中可以明顯看出兩個明顯特征:首先薄礦脈在狹小的范圍內成集聚狀，各脈間距離很近，尤其是1脈和2脈、5脈和6脈間部分區域，距離不足8 m。其次，各脈形態變化較大，如1脈在3中段～4中段間幾乎成90°直角分布，4脈在5中段～6中段間也延伸近似成一直角。

2.2 模型力學屬性賦值

在模型中根據巖性的不同賦予不同力學參數，主要涉及到的力學參數有彈性模量、泊松比、容重、飽和容重、粘聚力、膨脹角、抗拉強度、初始應力參數以及本構模型。該模型的計算選用了常用的摩爾-庫侖準則。通過現場取樣試驗獲取了基本的力學參數，并以此為基礎進行折算得到巖體力學參數，對有限元模型的巖體性質賦值，如表1所示。

圖2 各薄礦脈群間的相對位置關系

表1 礦巖力學參數

3 計算分析

一般來說，伴隨著礦體開采，采空區的形成是一個較長的時間過程，依照各礦脈開采順序，此次數值模擬開采順序為從上至下各中段逐步推進，直至6中段以上礦體開采結束。數值模擬分析重點在于6中段以上礦體開采后，開采區域空區的地壓活動。

3.1 采空區位移分析

采空區位移呈現“上大下小”的現象，即上部空區位移相對較大，下部空區位移相對較小，距地表越近的空區位移越大。而最大位移量發生在1脈、2脈之間的小范圍區域，下向位移達10～12 cm，如圖3～圖4所示。

圖3x＝600處的豎向位移

采空區的豎向位移隨開采范圍的擴大逐漸增大。1中段開采后，最大位移僅5～6 cm，位于1脈間，豎向位移幾乎可以忽略不計；此后位移量逐漸增加，4中段開采結束后，最大位移量為9～10 cm；6中段開采結束后，最大位移量增至12 cm。由于各脈均為極薄礦脈，采幅小，采空區的橫向位移較小，一般為2 cm以下。

圖4x＝800處的豎向位移

3.2 應力場分析

由于礦巖體抗壓強度較大，抗拉強度相對較小，通常其抵抗拉破壞的能力也相對較弱。此次應力分析著重介紹薄礦脈群開采后拉應力場的變化情況。

從最大主應力(拉應力)云圖分析，2中段礦體開采后，拉應力主要集中采空區周圍小范圍區域，拉應力值約0.4 MPa，如圖5所示；隨著開采范圍擴大，4中段開采后，拉應力集中區域相應增大，最大拉應力值約0.5 MPa；6中段開采后，拉應力集中區域進一步增大，影響深度擴大至整個開采區域，其中1脈空區外圍超過20 m圍巖均產生拉應力集中，最大拉應力值約0.5 MPa(見圖6)。

3.3 塑性區分析

礦體回采過程中出現一定的塑性破壞，主要為拉伸破壞。塑性區主要分布在采空區上下盤圍巖，礦脈距離較近的采空區塑性區較為集中。開采范圍越大，塑性區分布越廣。2中段礦體開采后，幾乎無塑性區分布；4中段開采后，1脈和2脈間圍巖分布有少量塑性區(見圖7)，此時塑性區已逐漸連成一片；6中段開采后，在采空區集中的中心區域，塑性區進一步擴大，特別是1脈和2脈、5脈和6脈之間，孤立的塑性區貫通成一整體，采空區與采空區間圍巖產生一定區域拉伸破壞，如圖8所示。

圖5 2中段開采后的最大主應力云圖

圖6 6中段開采后的最大主應力云圖

圖7 2中段開采后的塑性區分布

圖8 6中段開采后的塑性區分布

4 結 論

(1)近距離復雜薄礦脈群開采后采空區穩定性狀態存在一定差異。從位移場的變化分析，隨著回采中段的下降，采空區圍巖位移不斷增加，其中以豎向位移為主。礦脈間距越短，采空區數量越集中，位移量越大，其中1脈和2脈采空區位移量相對較大，最大豎向位移為12 cm，最大橫向位移為7 cm。

(2)在整個開采區域內，出現了較小拉應力，均不超過0.5 MPa，其中1脈、5脈和6脈采空區周圍為拉應力集中區域，這一區域的穩定性相對較差，圍巖易發生拉伸破壞。

(3)對塑性區的分析表明，采空區圍巖以拉伸破壞為主，塑性區分布較為零散，面積較小，采空區整體穩定性較好。但近距離的礦脈開采，可導致其周邊出現較為集中的塑性區。1脈和2脈、5脈和6脈距離相對較近，礦脈回采后圍巖受拉破壞，并可能產生局部冒落。在這一區域內應采取有效措施，防止冒頂片幫事故發生。

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2015-12-24)

李朝良(1974-)，男，云南普洱人，地質工程師，從事水利水電地質勘察工作，Email:402624007@qq.com。