金川二礦區1#礦體上盤貧礦開采對14行回風井的穩定性影響研究

汪小平 寇永淵 郭赟林 康隴平 王 鑫 馬蘇龍

（金川集團股份有限公司二礦區，甘肅 金昌 737100）

豎井工程的穩定性對于地下礦山的生產意義重大［1-2］。由于大多數豎井工程受不良地質條件作用及采礦巖移的影響，在服役過程中不可避免地會發生不同程度的變形破壞甚至垮塌，嚴重威脅礦山安全生產。金川二礦區地質條件非常復雜，大多數豎井井筒在投入使用后都發生了一定程度的變形破壞，對礦區生產造成嚴重影響。由于前期富礦開采破壞了原巖應力狀態，使得貧礦體自身的應力場環境更為復雜，從而使1 250 m水平以上貧礦開采面臨更大困難；后期貧礦開采將會擴大采空區范圍，對采場圍巖和上覆巖層產生二次擾動，必然會加劇對14行主回風井等主要構筑物的影響。因此，在貧礦體開采時一方面要充分考慮貧礦開采自身的安全性問題，同時還要考慮貧礦開采對礦區豎井穩定性的影響。

由于豎井工程自身的特殊性，目前數值模擬計算是地下工程結構穩定性分析中比較常用的理論分析方法。孫強等［3］利用有限元軟件模擬豎井的開挖過程，分析了復雜地質條件下豎井開挖的穩定性，并優化了加固參數；魏秀泉等［4］通過數值模擬手段預測了井筒變形的區域；陳祥福等［5］采用數值模擬方法對井壁破壞時的應力應變情況以及塑性區的范圍、破裂形態、破裂時間等相關問題進行了系統研究；周舒威等［6］利用大型有限元軟件，系統分析了二維、三維建模情況下數值模擬結果存在的誤差；陳勛等［7］通過模擬礦山動態開采過程，得到深部礦體開采后豎井井筒圍巖位移變形規律、應力分布特征和塑性區分布特征。此外部分學者還通過工程地質調查、地表變形監測以及井筒位移測量等多種手段，對井筒的穩定性進行分析。孫闖等［8］結合工程地質調查及數值模擬手段，對煤礦深部豎井井壁變形破壞機制進行分析研究，并對豎井井筒支護系統的穩定性進行評價分析。呂顯州等［9］建立智能監測系統實現了立井井壁的實時動態監控，掌握了井筒的變形規律，并通過理論模型預測了井壁的破壞時間和部位。

基于上述關于豎井井筒穩定性的研究，本文采用數值模擬試驗與現場變形監測相結合的方法，有針對性地研究了1 250 m以上貧礦開采對豎井穩定性的影響，通過與現場監測結果對比分析，驗證了數值模擬過程的可靠性，為后續貧礦開采提供了有力理論基礎。

1 工程地質概況

金川二礦區1#礦體礦脈深千余米，其中，富礦（SN-A1）長1 300 m，平均寬度69 m，傾向SW230°，傾角60°～75°。頂部主要為貧礦石，中、深部主要為富礦型礦石，富礦的周圍、頂部或一側是貧礦，如圖1所示。二礦區1#礦體在一期開采時采取“采富保貧”的方針，對1 100 m水平以上的上盤貧礦進行了保留。

14行回風井井深717 m（+1 717～+1 000 m），井筒凈直徑6.5 m，設計總回風量420 m3/s，于2000年12月25日建成使用。二礦區采用兩翼進風、中央集中回風的通風模式，14行主回風井作為井下生產污風的唯一通道，其穩定性對于保證二礦區的安全生產至關重要，由于長期受采礦巖移影響以及不良地質條件的作用，發生了不同程度的變形破壞，對礦山的正常生產造成了嚴重威脅。14行回風井井筒圍巖的巖體結構分布及穩定性分級如表1所示。

二礦區14行回風井安全穩定性問題成為可持續生產的關鍵，根據所圈定的1 250 m水平以上貧礦開采的巖體移動和塌落區范圍，如圖2所示。

2 開采過程對豎井變形的機理探究

2.1 影響豎井圍巖穩定性的因素

豎井圍巖變形的因素大致可分為地質因素和非地質因素。地質因素是影響圍巖變形和穩定的基本的決定性因素，主要包括圍巖的巖性、結構、應力條件以及地下水的狀態等；非地質因素是通過地質因素的作用而起作用的，主要包括井筒規格、支護措施、回采及掘進過程等，具體影響因素如表2所示。

2.2 采動影響下豎井破壞機理

豎井開挖過程中圍巖將首先被破壞，并逐漸向深部擴展，直至在一定深度取得新的應力平衡為止，此時圍巖已過渡到破碎狀態，形成松動圈，而松動圈以外是塑性極限平衡區及彈性區［10］，如圖3所示。豎井的變形破壞是由圍巖破壞引起的，圍巖的穩定性與松動圈密切相關，而松動圈的特征又與巖石強度、應力分布等情況密切相關。

金川二礦區礦體為急傾斜礦體，因此可用開采傾斜礦體的應力及位移分布規律分析井壁破壞的原因。當采礦受到開采擾動后，原巖應力進行重分布，在拉應力的作用下，圍巖的內聚力將減小并發生松動變形。從圖4中發現，沿礦體傾斜方向的拉應力分布區與14行回風井相交，相交區域拉應力相對集中，說明距離井口90～255 m處的井壁段容易出現變形破壞。此外，由于14行回風井井筒穿過F207斷層及其影響帶，該段水文工程條件極差，是井壁未來發生變形破壞的潛在重大風險，因此在后期貧礦開采過程中，必須重點關注該段井筒的變形情況。

3 貧礦開采對14行回風井影響的數值模擬分析

3.1 模型破壞準則

金川礦區礦巖節理裂隙十分發育，但在深部高應力環境中，圍巖和礦體的結構效應不太顯著，在數值模型建立的過程中仍可將其視為各向同性的彈性連續介質；此外，充填體作為人工材料，雖然存在一定程度的離析分層，但其物理力學性能更加接近于均質體，可視為彈塑性連續介質進行計算，計算中各種材料均采用莫爾-庫侖本構模型。

3.2 主要巖體參數的選取

礦區范圍內主要的巖石試樣類型包括二輝橄欖巖、橄欖輝石巖、貧礦、富礦、特富礦、大理巖和混合巖等，其巖體力學參數推薦值如表3所示。

3.3 模擬開采方案及計算結果

根據礦區的開采建設情況，首先開展前期的富礦開采數值模擬，直至與當前的開采實際情況相一致，再將模擬計算結果與實際監測的結果做對比分析，論證模型的可靠性。在本次模擬時僅考慮開挖和充填，簡化開采順序，按照礦山實際開采狀況長遠規劃共分為6步，具體開采區段、充填步驟和開采時間如表4所示。

根據二礦區的實際開采過程，即+1 350～+1 250 m富礦開采結束后，14行回風井的三維模型如圖5所示。

為討論1#礦體上盤貧礦開采對14行回風井的影響，在貧礦開采前，對豎井模型體進行狀態清零操作，再進行+1 250 m以上貧礦的開采、充填模擬計算，計算所得結果如圖6所示。根據金川礦區最近研究成果，二礦區最大主應力為水平構造應力，最大主應力方向為北北東向，與礦體走向垂直，收斂采用自動控制時間步來求解模型，直到最大不平衡力精度為1×10-5為止。

圖6（a）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面X軸方向位移云圖，由圖中可看出，井筒最大水平位移值出現在+1 300～+1 400 m之間，最大累積變形值約1 m，變形由中間向兩側逐漸減小。圖6（b）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面Y軸方向位移云圖，由圖中可看出，井筒最大水平位移值出現在+1 300～+1 400 m水平之間，累積最大變形值約1.2 m，變形量呈現中間大兩側小的特點，變形值的分布規律與X軸方向變形相似，但影響范圍更大。圖6（c）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面豎直方向上的位移云圖，由圖中可看出，豎井的上半部分發生沉降，而下半部分發生隆起，變形方向指向礦體開挖方向。最大沉降值出現在+1 500 m附近，累積最大變形值約0.33 m，最大隆起值出現在豎井底部，即+1 000 m附近，累積最大變形值約0.27 m。豎井發生豎直方向變形的范圍更大，+1 000～+1 650 m之間的豎井均發生了不同程度的變形；圖6（d）是+1 250 m貧礦開挖、充填后井筒剖面上的應力云圖，由圖中可看出，井壁應力在+1 400 m以上表現為拉應力，最大拉應力約15.6 MPa；而在+1 400 m以下表現為壓應力，最大的壓應力達到了28 MPa。

對上述數值計算結果進行分析，可以看出14行回風井井筒可能在以下幾個位置發生變形破壞：①+1 500～+1 600 m范圍內，特別是在+1 510～+1 590 m段，該區產生了較大的拉應力，井筒可能出現拉裂破壞；②+1 300～+1 400 m段，特別是在+1 335～+1 345 m段，井筒受采動影響程度增大，變形將更加明顯，從而加速該段圍巖冒落和井壁變形破壞。

4 14行回風井地表現場監測結果

通過對14行回風井地表位置進行長期的跟蹤觀察，其監測點的變形曲線如圖7所示。

由圖7分析可知，14行回風井附近地表變形每半年的沉降量在23～40 mm之間，水平位移量在9～27 mm之間，三維位移量在26～44 mm之間。自2012—2014年，沉降量和三維位移略呈增加的趨勢，水平位移速率基本穩定；2015年后沉降速率有減緩趨勢，但是在2015年后，水平位移速率有所增加，按半年累積位移量變化曲線呈近直線，累計變形仍在持續穩定發展。

如圖8所示，通過對14行回風井井筒的現場調查，發現其變形破壞主要有以下幾種形式：

（1）井壁開裂錯動。14行回風井井壁主要有橫向裂隙、豎向裂隙和交叉傾斜裂隙，其中以豎向裂隙及傾斜裂隙為主。井壁出現裂隙的原因主要有：①較高的水平應力集中；②采動引起的拉應力集中；③巖體沿軟弱層面的滑動。

（2）片幫冒落。井壁圍巖的片幫冒落較為常見，大部分表現為井壁脫皮、掉塊，少數則可能出現井壁離層，與圍巖之間形成空腔，這類變形破壞將很有可能演變為大型冒落事故。

將1#礦體上盤貧礦回采過程的數值模擬結果與監測結果對比，發現14行回風井井筒的主要變形破壞區域和形式與實際情況比較一致，說明數值模擬分析結果具有較高的可靠性。

5 結 論

（1）+1 250 m以上貧礦開采、充填后，井筒剖面向采區方向移動，X、Y方向最大水平位移均出現在+1 300～+1 400 m之間，X、Y方向累積最大變形分別約1 m和1.2 m，變形由中間向兩側逐漸減小。整體上井筒剖面上半部分發生沉降，而下半部分發生隆起，最大沉降、隆起值分別為0.33 m和0.27 m。

（2）14行回風井附近地表每半年的沉降量在23～40 mm之間，水平位移量在9～27 mm之間，三維位移量在26～44 mm之間。按半年累積位移量變化曲線呈近直線，變形仍在持續穩定發展。

（3）14行回風井的變形破壞主要表現為井壁開裂錯動、片冒破壞2種形式。