基于水平構造應力比圈定新城金礦豎井保安礦柱初探

劉溪鴿 劉洪磊 朱萬成 李斕堃 張洪訓

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

豎井對于大部分地下礦山而言都是咽喉要道，其穩定性關乎礦山的可持續生產。豎井的變形破壞通常是由多種原因造成的［1］，其中地下開采誘發巖層移動進而導致豎井變形、破壞，是地下金屬礦山豎井破壞的重要原因［2］。隨著地下開采深度增加、地應力逐漸升高，開采導致豎井周邊應力集中，并可以進一步導致豎井發生崩塌、破壞［3］。為了減小采礦對豎井的影響，在礦體距離豎井很近的情況下，一般要按照一定的巖石移動角圈定豎井保安礦柱［4-5］。然而，在當前采礦工程重心逐漸向深部轉移的背景下，根據傳統的巖石移動角圈定保安礦柱的方法致使壓礦量較大［6］，將造成較高的資源浪費，特別是對于貴金屬一類的礦產資源。因此，當豎井深度超過2 500～3 000 m 這一深度范圍時，南非則不允許留設豎井保安礦柱［7］。

金屬礦山一般屬于硬巖礦床，其豎井的破壞模式受到構造應力以及斷層、斷裂帶的影響比較顯著。金川鎳礦二礦區的14行風井是以穿過井筒的斷層出現活化為破壞模式，高地應力、礦體與斷層的較大傾角是巖層移動的主要誘因［8-10］，其三礦區主豎井也因為高地應力的作用導致襯砌發生嚴重變形［11］；澳大利亞的Mount Isa 銅礦X41 豎井同樣是由于受到采動影響，導致其穿過的斷層部分出現滑移錯動，井筒襯砌發生開裂破壞［12-13］；程潮鐵礦的地表及豎井變形案例表明，當地下采空區和地表塌坑形成一定規模后，在礦區不同方向水平構造應力的釋放和擠壓作用下，被地質結構剖分為柱狀結構的圍巖向塌坑方向產生傾倒，引起了井區地表變形，且變形規律呈現出“S”型［14-16］。近年來，隨著采礦技術的進步，國內外許多礦山在回收豎井保安礦柱方面取得了良好效果，例如，廣東館坑鎢礦豎井保安礦柱的回收至豎井僅10 m［17］；遼寧紅透山銅礦根據安全深度概念重新劃定保安礦柱，大大增加了采礦量［6］；美國Homestake礦豎井保安礦柱成功回收［18］等。地下礦山豎井工程的穩定性根本上涉及到巖體在采礦擾動下的變形與移動。而豎井的特殊性主要體現在涉及的巖層范圍廣、工程時效性要求長、工程可替代性差、工程環境逐漸劣化等方面。

要在確保豎井安全運營的前提下更多地回采礦石，則需要同時考慮到礦山地質與地應力條件。本研究首先闡釋了地下礦山豎井工程的特殊性，并建立了簡化的概念模型，研究不同水平構造應力狀態下開挖豎井周邊礦體對豎井的影響；其次，以新城金礦豎井周邊礦體回采為研究對象，建立了豎井與礦體的大尺度數值計算模型，對比分析圓形保安礦柱與考慮水平應力條件的橢圓形保安礦柱方案；最后，優選出適用于新城金礦地質條件的豎井保安礦柱。

1 新城金礦豎井工程概況

山東黃金礦業股份有限公司新城金礦是我國大型黃金礦山之一，新城金礦現開采區域主要包括XI#和V#兩塊礦體，其中V#礦體位于-430～-732 m 標高；XI#礦體是近些年新發現的礦體，隨著相關探礦及回采工程的揭露，XI#礦體的礦界逐漸變得清晰和明確。XI#礦體主礦脈位于主豎井兩側，目前探測的礦體位于-405～-330 m 以及-530～-430 m 標高，如圖1 所示。隨著井下探礦工程的進一步揭露，礦量從最初推測的169 萬t增加到317 萬t，將導致采空區范圍大幅增加。因此，豎井的穩定性也需要基于最新的地質模型開展評估。

目前，新城主豎井為該礦山唯一的礦石提升井，豎井上部地表需要保護的對象有井架、卷揚機房、選礦車間等。新城金礦豎井工程的特殊性在于，豎井周邊的XI#礦體回采并不是殘采階段，該豎井還要保證相當一段時期內V#礦體的礦石提升。在新的主豎井開掘完成之前，該豎井是當前新城金礦唯一的礦石提升井，其安全運行直接關系到礦山的持續穩定生產。

2 豎井周邊回采礦體的概念模型

2.1 模型建立及參數賦值

根據新城金礦豎井地質條件建立了豎井周邊礦體開挖的概念模型，如圖2 所示。模型尺寸為200 m×100 m×20 m（長×寬×高），模擬地下-500 m 中段礦巖的地應力條件，在模型正中間為直徑5 m 的豎井。將巖體上覆巖層的自重應力設置為中間主應力（第二主應力），即σ2=13.25 MPa，并作為面力均勻施加在模型上表面，模型側面施加應力邊界，側應力系數λ 分別取值0.5、1.0 和1.5，不同工況下的應力取值如表1所示。此外，數值模型底部為位移約束。在豎井兩側距豎井中心17.5 m 處同時開挖半徑的為5 m的礦體，模擬采空區。模型參數根據新城金礦相關地層巖體參數選取（表2），模擬計算采用Mohr-Coulomb屈服準則，公式為

式中，σ1，σ3分別為第一和第三主應力，MPa；σc，σt分別為材料抗壓強度和抗拉強度，MPa；c 為黏聚力，MPa；φ 為內摩擦角，（°）。

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2.2 模擬回采結果分析

模型開挖前后的位移變化對比如圖3 所示。由圖3 可知：在σ1=σ3（工況1）的加載條件下，模型的初始位移較小，當礦石回采形成采空區后，整個模型的最大變形量為9.01 mm，主要發生在采空區周圍，而豎井周邊的最大變形量為2.38 mm；在σ1=3σ3（工況2）的地應力條件下，開挖后整個模型的最大變形量為9.24 mm，主要位于最大主應力方向上，豎井周邊最大變形僅為1.38 mm；在3σ1=σ3（工況3）加載條件下，且σ1沿Y 軸方向，模型的最大變形量為9.23 mm，豎井周邊的最大變形量為3.27 mm。對比分析上述結果可知：當采空區處在最大主應力方向時，豎井變形量最小，此時采空區起到了卸壓作用；當采空區處于最小主應力方向時，豎井變形量反而增加，豎井周邊成為了主要承壓區。由此可見，豎井變形與采空區及地應力條件均緊密關聯。圈定豎井保安礦柱，不僅需要考慮采空區與豎井的距離，還需要顧及水平構造應力條件。

圖4 為3 種地應力條件下，豎井及采場周邊的最大主應力分布情況。分析該圖可知：在采空區與最小主應力方向一致時，開挖會導致豎井周邊應力集中；當采空區與最小主應力方向一致時，采空區的卸壓效果顯著，可以較大程度地保護豎井。

采空區周邊的應力與變形統計情況如圖5所示，其中圖5（a）與圖5（c）中開挖后的應力或位移曲線斷開處表示采空區。圖5（a）和圖5（b）顯示，當采空區在豎井的σ1方向時（工況2），開挖后其周邊應力顯著降低，特別是在σ1方向上最大主應力降低66.7%，同時對豎井周邊的卸壓效果也比較明顯，降低30.5%；當采空區在豎井的σ3加載方向時（工況3），采空區周圍應力劇增147.1%，導致豎井周邊應力也較高，增高22.2%。圖5（c）和圖5（d）表明，當采空區在豎井的σ1方向上時（工況2），圍巖向采空區的擠壓效果最為顯著，也會導致豎井周邊變形明顯。同時，由于采空區的存在，豎井的變形方向發生了改變，豎井圍巖變形方向從朝向豎井（1.25 mm）轉變為背離豎井（1.53 mm），但總體變形量不大。當采空區在豎井的σ3方向上時（工況3），豎井圍巖呈現出整體向井筒內部擠壓變形的趨勢。考慮到工況2卸壓效果明顯、變形控制合理，因此，采空區分布在最大主應力方向上有利于豎井穩定。

3 新城金礦豎井周邊礦體模擬回采

3.1 新城金礦數值計算模型建立

新城金礦計算模型通過3DMine-Rhinoceros 5-Griddle 1.0-FLAC3D耦合建模方式構建，如圖6 所示。考慮到豎井襯砌變形是周邊巖體移動的結果，且在區域大模型構建中襯砌單元與其他單元大小相差懸殊，極易導致計算錯誤，故將其省略，模擬主要關注于豎井圍巖的變形。研究區域內的河西斷裂帶、焦家斷裂帶、侯家斷裂帶通過弱化巖性參數方法加以區分。數值模擬采用Mohr-Coulomb 屈服準則（式（1））計算。

根據新城金礦最新地應力測試結果，該礦最大主應力垂直于礦體走向方向，最小主應力沿礦體走向方向，重力為中間主應力。數值模型同樣采用面力邊界進行加載，其地應力隨深度的回歸方程為［19］

式中，σh,max、σh,min和σv分別為最大、最小和垂直主應力，MPa；H 為埋深，m。

本研究采用面力調整的方法獲得FLAC3D模型的初始應力場［20］，通過巖體參數反映不同地層巖性的初始應力狀態，各地層的巖體參數參考文獻［21］取值，回采前的地應力場如圖7 所示。由圖7 可知：在-380 m 和-530 m 水平礦體回采之前，豎井穿過的各巖層強度越高應力越大，由于地表主要為第四紀土層，該區域巖層參數較小，因此出現了明顯的應力降低區。

3.2 兩種豎井保安礦柱留設方案

本研究在新城金礦XI#礦體數值模擬開挖過程中，模擬分析了兩類豎井保安礦柱留設方案，分別為圓形礦柱和橢圓形礦柱，如圖8 所示。其中，圓形礦柱留設方案以豎井為中心，圈定半徑分別為200、150、100 m，第1 步回采半徑為200 m 的圓外礦體，第2 步 為200～150 m，第3 步為150～100 m，第4 步 將100 m 內的所有礦體一步開挖。在橢圓形礦柱留設方案中，也分4 步完成，橢圓形礦柱3 個短軸半徑分別為200、150、100 m，長短軸比為1.57∶1（依據最新地應力測量結果，最大主應力與最小主應力梯度比值為1.57∶1），回采過程與圓形礦柱類似，如圖8（b）所示。在該數值計算模型中，豎井中心與模型的原點重合，豎井凈半徑為2.5 m，從地表井口+33 m 水平向下每隔50 m 設置一個變形取值點，用以監測模擬開挖過程中的豎井變形。

3.3 不同豎井保安礦柱模擬結果對比

豎井在X、Y、Z 3 個方向上的變形隨礦體回采的變化曲線如圖9所示。圖9（a）顯示，豎井變形隨著埋深增加，變形量有變大趨勢，與埋深增加地應力加大的現象一致，與豎井底部的河西破碎帶影響密切相關。圓形礦柱方案二、方案三與橢圓形礦柱方案二、方案三等4條曲線對比發現，橢圓形開挖方案回采的礦量更多，同時豎井的變形量也更大。雖然豎井總體變形量均控制在8 mm 以內，但豎井100 m 范圍內礦體回采將導致豎井變形量增加顯著，不利于豎井穩定。豎井變形的側向偏斜量比其在豎直方向上的變形更顯著。在走向（X 方向）和傾向（Y 方向）上，豎井都表現出了比較強烈的扭曲現象，且豎井變形最大的方向為礦體傾向方向，與最大主應力方向一致。在豎直變形方面，受礦體開采影響，豎井整體上表現為向下沉降，在采空區周邊表現得尤為明顯。

本研究采用優采度指標（分步回采礦量百分比與變形增量百分比的比值）［22］來評估礦體最優的回采方案，橢圓形回采方案和圓形回采方案的優采度指標值如表3所示。

由表3分析可知：整體礦量的優采度指標值為1，優采度指標值大于1，表明回采條件相對優良，即表示回采相同的礦石量對豎井變形影響更小，或表示在引起豎井相同變形量的條件下可以回采更多的礦石；優采度指標值小于1，表明回采條件較差，即表示回采相同礦石量對豎井變形影響大，或表示在引起豎井相同變形量的條件下可以回采的礦石更少。無論是橢圓形礦柱還是圓形礦柱留設方案，隨著回采逐漸接近豎井、回采礦量逐漸增加，優采度指標值都趨于下降。

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兩種礦柱留設方案分析表明，豎井100 m 范圍內礦體不宜回采，采礦量小但其引起的豎井變形劇烈。對比圓形與橢圓形礦柱方案三，橢圓形礦柱雖然可以少量增加采礦量，但其導致優采度指標略小于1。考慮到新城金礦豎井關乎全礦生產的連續性，現階段應采取相對保守的回采方案，宜采用圓形保安礦柱方案三，即保留豎井100 m范圍內的礦體不回采。

4 結 論

（1）簡化的采礦概念模型模擬結果表明，回采豎井最大主應力方向上的礦體對豎井圍巖具有卸壓作用，豎井圍巖變形也有向采空區方向發展的趨勢；反之，回采最小主應力方向上的礦體將導致豎井周邊應力集中、豎井整體向井筒內部擠壓變形，增加了豎井圍巖的失穩風險。

（2）提出了考慮水平構造應力比的橢圓形豎井保安礦柱概念。由于新城金礦的礦體恰好處于最小主應力方向上，根據數值模擬結果仍然建議保留豎井周邊100 m 的圓形保安礦柱。盡管如此，在其他水平構造應力顯著的礦山，橢圓形豎井保安礦柱依然有進一步研究的價值。