深部高應力礦柱應力隔斷帷幕的卸荷效應研究

于世波 楊小聰 王志修 原 野

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628；3.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628）

南非、加拿大等幾個國家已經進入深部高應力開采階段［1-3］，我國隨著會澤鉛鋅礦等一批礦山轉向深部開采，中國硬巖礦山已經逐步進入深部開采階段。深部開采中巖爆是硬巖礦山最主要的災害之一［4-6］，已有實踐記錄表明巖爆已經給安全生產造成巨大威脅。其中在采場尺度層面，微震監測結果顯示諸多礦塊開采末期遺留的8～12 m厚的頂底柱因為儲存的高能量與高應力導致巖爆發生頻次多、量級大［3］，已成為礦山開采的“硬骨頭”。針對這一問題，通過技術手段降低高應力礦柱賦存的高應力、并實現高應力礦柱的主動卸荷是重要的對策措施。Andrieux等提出了基于堵塞式卸荷爆破孔制造應力隔斷帷幕的方式對高應力礦柱實現卸荷以及應力隔斷帷幕實現卸荷的解析評價方法［7-10］，從而降低高應力礦柱回采過程中的巖爆事件量級，但應力隔斷帷幕實施后對于高應力礦柱卸荷程度欠缺清晰的定量化評價。

本項目以會澤鉛鋅礦采礦實踐為背景，采用數值模擬方法，研究應力隔斷帷幕實施前后的應力場、變形場和巖爆應力風險指標的變化特征，從而揭示和量化應力隔斷帷幕對于高應力礦柱的卸荷效應，為深部高應力礦柱的安全高效回采奠定理論基礎。

1 應力隔斷帷幕模擬實現

1.1 工程背景

會澤鉛鋅礦目前的開拓水平已經到達1 500 m埋深，深部高應力巖爆現象已經在豎井掘砌和1 274 m水平（埋深約1 120 m）時逐步顯現，因此，預測到1 500 m埋深時中段間的頂底柱應力水平會較高，導致更為嚴重的災害現象。因此，必須對頂底柱采取必要的卸荷措施。

深部巖體為陡山陀組白云巖，單軸抗壓強度為178.20 MPa，巖體結構較為完整，巖體質量RMR值為63，屬于典型的高硬、高強、高脆性巖體。根據北京礦冶科技集團有限公司在礦山廠1 274 m水平（埋深1 120 m）開展的地應力測量，推測894 m水平地應力值大小：σ1=84.7 MPa、σ2=54.0 MPa、σ3=44.6 MPa，最大主應力方向為N73.6°W。本次研究以894 m水平的地應力水平為基準開展模擬分析。

根據會澤鉛鋅礦的開采情況，標準設計分段高度為12 m，本次模擬考慮在上下中段開采時最后殘留的12 m高度底柱作為應力隔斷帷幕對高應力礦柱卸荷的研究對象。

1.2 應力隔斷帷幕假設

根據已有的研究［7-9］，對高應力礦柱進行卸荷是在礦體與上下盤接觸面附近采用堵塞式密集排孔預先爆破方式，使得孔內巖體產生破壞形成連通從而形成應力無法傳遞的隔斷帷幕，這一過程中存在部分炮孔仍有破壞后碎石擠壓現象，但破壞后碎石無法傳遞應力，因此，本次模擬將應力隔斷帷幕等效為人工巖體切縫進行研究。

1.3 工程地質力學模型

建立的工程地質力學模型容納2個階段，高度60 m，2個階段同時由下向上回采，中間設置底柱采場，高度12 m。建立的模型長×寬×高=240 m×130 m×330 m。為了簡化模擬程序，本次在底柱采場的下盤設置應力切縫帷幕，切縫帷幕模擬寬度為0.5 m，長度覆蓋整個底柱采場的走向長度，高度為底柱采場的斜向高度，如圖1所示。模型計算采用的FLAC3D中設置的Mohr-Coulumn本構模型。計算所用的巖體物理力學參數如表1所示。

2 應力隔斷帷幕的卸荷效應

根據已建立的應力隔斷帷幕的數值模型，分析上下中段回采完畢后底柱應力在實施隔斷帷幕前后的應力場、變形場和巖爆應力風險的變化特征，從三個方面綜合評價應力隔斷帷幕對于高應力底柱的卸荷效應。

2.1 應力場的變化

在上下階段回采完畢后，受到深部高應力的影響，在底柱采場產生明顯的應力集中現象，如圖2（a）所示。形成的最大擾動主應力值達到172.2 MPa，約為初始最大主應力值的2倍，應力集中最明顯的區域在底柱采場，底柱成為連接上、下盤應力傳遞的主要通道。因此，底柱回采時將面臨極高的應力風險。

通過圖2（b）可以看出，在下盤區域采用隔斷帷幕后，底柱應力水平明顯降低，應力主要轉移到上階段頂柱、下階段的底柱區域中，在這2個位置的應力水平由卸荷前的90 MPa增高到138 MPa；同時可以看到，應力轉移的另一個去處為相鄰的采場區域，該區域的應力水平提升到162 MPa。雖然這些應力增高區域應力水平值較高，應力風險較大，但是，由于其遠離研究區域底柱采場，因此，底柱采場回采時的安全性大大提高。同時可以看出，底柱采場中的卸荷并沒有使應力消除或消失，而是通過技術措施，改變了應力的轉移路徑，使應力集中區域遠離了對象區域，從而實現了對目標開采區域的“卸荷”，即采場尺度上的卸荷是對所研究目標采場的卸荷。

結合圖3選擇的上、下盤不同位置的最大擾動主應力值變化可以看出，隔斷帷幕實施后，上、下盤最大主應力值發生了大幅度的下降，下降幅度大于20%，下降應力值均大于13 MPa，可見應力隔斷帷幕對于底柱采場的卸荷效果顯著。若在上、下盤布置鉆孔應力計完全可以捕捉到一次成功的應力隔斷帷幕實施前后相對應力值的變化，這為深部卸荷監測措施的實施提供了理論支撐。

2.2 變形場的變化

原巖礦柱作為重要的支撐結構，在開采淺部區域地壓控制中發揮了積極的作用，其主要的作用是能夠控制上、下盤的相對移動變形，如圖4（a）所示。可以看出，在底柱采場支撐作用下，將上下階段明顯分割成2個變形單元，底柱采場的水平變形量微小。當采取隔斷帷幕后，切斷了底柱采場對上、下盤圍巖的支撐作用，上下階段之間的變形呈現明顯的連續性。通過圖4（b）以及圖5可以看出，隔斷帷幕不但對下盤變形的影響巨大，同時對于上盤的影響同樣較大，尤其是距離礦體20 m左右的上、下盤區域變形量仍然較大，隔斷帷幕前后的變形差值在1 cm左右，隔斷帷幕實施后比實施前的變形量提高了16%以上，變形量的急劇增加代表了變形能的快速釋放，從而起到了對底柱有效卸荷的作用。現場實踐時可以通過在上、下盤布置多點位移計捕捉應力隔斷帷幕實施前后不同位置的變形量來判斷隔斷帷幕的卸荷效果。

2.3 巖爆應力風險的變化

高應力巖爆發生的可能性及其風險評價有許多種方法。其中，近年來發展起來的以偏應力強度比法為代表的巖爆應力風險評價方法由于其經過了現場大量巖爆事件、微震事件與采礦生產數據的互饋分析，在加拿大Creighton礦得到了較好的應用［11］，其巖爆應力風險指標表達式為

式中，σ1為最大主應力值，MPa；σ3為最小主應力值，MPa；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa。

由式（1）確立的巖爆應力風險評判標準如下：SH＜0.4，巖爆應力風險很低；0.4≤SH＜0.5，巖爆應力風險低；0.5≤SH＜0.7，巖爆應力風險中等～高；SH≥0.7，巖爆應力風險很高。

根據圖6底柱應力隔斷帷幕實施前后的巖爆應力風險分布可以看出，在實施隔斷帷幕前，底柱中的應力風險指標達到0.77，按照判別標準屬于很高的巖爆應力風險，在底柱回采過程中極易發生量級大的巖爆事件。當在底柱下盤區域實施隔斷帷幕后，底柱的應力風險指標下降到0.3以下，屬于巖爆應力風險很低的情況，發生巖爆事件的風險大大降低。

3 結論

以會澤鉛鋅礦采礦實踐為工程背景，應用數值模擬技術，研究了應力隔斷帷幕實施前后的應力場、變形場和巖爆應力風險指標的變化特征。研究結果表明：

（1）基于應力隔斷帷幕的底柱采場的卸荷，并沒有使應力消除或消失，而是改變了應力的傳遞路徑，使應力集中遠離目標開采區域，從而實現了對目標開采區域的“卸荷”。

（2）應力隔斷帷幕實施后的變形量增幅明顯，變形能得到快速釋放，起到了對高應力底柱的有效卸荷作用。

（3）應力隔斷帷幕的實施大幅度降低了底柱的巖爆應力風險指標，巖爆事件發生的概率和量級大幅度降低。