香山銅鎳礦采空區與主井井筒穩定數值模擬研究

吳亞飛，張 寶，顧生春，李志軍，李 勇

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

香山銅鎳礦礦區所有礦體均產于基性-超基性侵入巖體內，其巖體的頂板為單輝橄欖巖、二輝橄欖巖、橄欖巖等，底板為輝長巖、凝灰巖、閃長巖等。按巖土工程學對巖石的分類，礦體的頂、底板均屬堅硬巖石，其巖石的工程力學性質穩定。香山銅鎳礦床礦山開拓方式為豎井+平巷開拓方式，空場法采礦，隨著礦山生產的不斷推進，井下將形成很多采空區，地面也將形成礦渣堆放場。

因歷史原因，礦山采富棄貧，無序開采，2008年后期生產因強采強挖，造成主井 24線附近部分空區采場預留間柱塌陷，導致上下、相鄰采場聯通，礦山也未進行處理，致使620水平至748水平空區塌陷，導致部分礦體遺留未采。空區塌陷后對塌陷區進行了調查、測量。在720水平以及上部部分間柱、頂柱完好。塌陷空區計算體積為22萬m3。

在采空區分布范圍內，將會有地面沉陷的可能，勢必影響井下生產、運輸井巷和作業人員生命財產的安全。為分析現有空區對主井井筒穩定性的影響，礦區開展了新疆哈密市香山銅鎳礦采空區及主井井筒穩定性分析研究。

1 穩定性數值模擬

1.1 數值模擬方案

為完全模擬分析采空區和井筒受力狀態，以新疆哈密市香山銅鎳礦提供的香山 620，670，720，770，820中段平面圖、24線地質剖面圖為建模的基礎資料。根據各勘探線剖面圖之工程地質巖性、采空區分布等情況，依次平行相連形成三維結構體，所形成的有限差元模擬分析模型如圖1所示，圖中不同的顏色表示不同的礦巖，模型單元為1385314個，節點為241753個。

圖1 經HyperMesh網格化后的模型剖面

數值分析計算模型范圍x=800 m（東西方向），y=500（南北方向），z=445（470水平到地面高度）；收斂采用自動控制時間步來求解模型。模型邊界約束采用位移約束。

為研究香山礦區采空區形成之后，主井井筒、采空區上覆巖層穩定性及破壞擴展情況，盡可能模擬出在礦體采出之后應力、應變的演變過程，因此安排了多步開挖步驟進行模擬：

（1）建立 3D模型，導入 Hypermesh劃分網格，轉換為Flac3D文件并賦相應的力學參數；

（2）計算原巖應力場；

（3）主井井筒形成后應力應變；

（4）計算 770中段以上采空區形成后的應力應變；

（5）計算 720中段以上采空區形成后的應力應變；

（6）計算其余采空區形成后的應力應變。

1.2 力學判據與巖體力學參數

（1）力學判據。采空區和豎井井筒穩定性分析涉及到圍巖體、礦體，這些介質均屬彈塑性材料，適用于摩爾-庫侖破壞準則分析研究，故采用摩爾-庫侖準則來確定礦體開挖后，采空區和豎井井筒周圍應力、位移及塑性區等分布規律：

式中，σ1、σ3分別為最大和最小主應力；C、φ分別為材料粘結力和內摩擦角；fs為破壞判斷系數。當fs≥0時，材料處于塑性流動狀態；當fs≤0時，材料處于彈性變形階段。在拉應力狀態下，若拉應力超過材料的抗拉強度，材料將發生拉伸破壞。

（2）巖體力學參數。根據新疆香山銅鎳礦提供的礦巖體力學參數分析結果及經計算后井筒力學參數如表1所示。

表1 力學模型中所采用的巖體力學參數

2 穩定性數值模擬結果分析

從地質資料及現場調研來看，香山礦區井筒建立在穩定的基巖中，實踐證明，只有發生破壞的基巖才會對井筒襯砌產生壓力，可以認為不破壞的基巖層對井筒的穩定性無影響。模擬分析主要探尋采空區和主井井筒周圍的巖層分布應力、應變，判斷應力是否受到采空區過大的影響，分析主井井筒的穩定性狀況。

2.1 主應力分析

根據數值模擬結果，從 24號勘探線最大、最小主應力圖可以看出（見圖2、見圖3），在空區形成之后的應力已經影響到了井筒，具體的位置為圖中兩橫線之間，其中最大主應力影響為井筒標高725～743 m，最小主應力影響為井筒標高731～758 m，其中在標高725～731 m處將受到附加最大、小主應力同時作用，此段為最危險處。

圖2 24號勘探線最小主應力圖

圖3 24號勘探線最大主應力圖

另外，從各平面最大、最小主應力來看，在空區形成之后的主應力并未影響到井筒，但最小主應力已經有一部分影響到了井筒；其中 620，670平面中空區的上盤出現一定的拉應力，720平面中空區的下盤出現一定拉應力，拉應力對空區的穩定性不利，這部分受拉應力的巖體將可能在重力的作用下剝落。

2.2 整體位移分析

根據圖4和表2可以發現，采空區整體位移最大為28 mm，在礦井淺部位移主要產生在礦體的上盤，在礦井的深部位移主要產生在礦體的下盤；井筒周圍的位移最大不超過6 mm，最小值小于2 mm，可以認為井筒周圍受位移的影響不明顯，整個井筒的混泥土襯砌不會出現因位移引起的裂縫與剝落。

圖4 24號勘探線位移

表2 主井井筒周圍位移

2.3 剪應變增量分析

如圖5所示，剪應變增量主要產生在采空區邊緣部位，其中最大值為1×10-3；井筒周圍受剪應變增量的影響有限，其中670平面上井筒邊緣剪應變增量為7.36×10-5，其余各處井筒邊緣的剪應變增量值都小于7.36×10-5。從剪應變增量的角度來評價井筒的穩定性可以認為井筒是穩定的，井筒受目前采空區的影響較小。

圖5 24號勘探線剖面剪應變增量

2.4 塑性區分析

如圖6、表3所示，出現的破壞主要為抗剪、抗拉破壞，其中以抗拉破壞居多，抗剪破壞較少。兩類破壞主要出現在采空區的邊緣處，在井筒的周圍未出現破壞。從塑性區分布的角度來分析井筒的穩定性，可以認為在井筒的周圍不存在塑性破壞，井筒穩定。

圖6 24號勘探線剖面塑性區分布

表3 塑性區體積/m3

3 結 論

（1）香山礦區井筒處于穩定的基巖中，實踐表明只有主井井筒周圍發生破壞的基巖才會對井筒襯砌產生壓力，可以認為不破壞的基巖層對井筒的穩定性無影響。結合整體位移分析、剪應變增量分析及塑性區分布分析，空區形成過程中所引起的巖層移動、剪切應變增量、塑性區分布未波及到井筒周圍的巖層，可以認為井筒是穩定。

（2）通過最大、最小主應力分析，采空區形成過程中所引起最大主應力影響為井筒標高 725～743 m，最小主應力影響為井筒標高731～758 m，其中在標高725～731 m處將受到附加最大、最小主應力同時作用，此段為重點監測區域。

（3）采空區中兩個頂柱已經受拉、受剪破壞，這兩個頂柱易受爆破震動而失穩。主井井筒距離采空區70 m左右，隨著時間的推移，采空區頂板會不斷冒落，空區越來越大，高度也來越高，有可能影響主井井筒的安全。

因此，應采取應力、應變、位移等多種觀測手段和方法對空區與井筒襯砌進行監測，掌握礦巖應力變化規律，做到提前安全預報，預防災害事故，確保安全生產。