某鉛鋅礦地壓活動數值模擬及防控措施

張 賢 袁子清 李 旺 于世波 王 平

（1.馳宏科技工程股份有限公司；2.礦冶科技集團有限公司；3.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心）

隨著礦山開采逐漸向深部延伸，將面臨高應力、大變形等一系列地壓問題，這些問題是造成深部開采動力災害的主要原因［1-3］。因此，對深井開采地壓活動規律的監測與研究顯得尤為必要。許多學者在礦山地壓災害監測與防控方面開展了大量研究，并取得了一定的成果［4-6］。但當前不少地壓監測系統在建設過程中，存在監測點布置隨意性較大、監測重點不突出的問題，主要原因是沒有事先分析與掌握井下開采過程中的地壓變化規律，導致地壓監測系統建設缺乏針對性，監測效果不太理想。針對該問題，本研究以某鉛鋅礦為研究背景，基于礦山開采技術條件與現場地壓活動情況，選取礦山典型地質剖面進行二維數值模擬與分析，研究現有開采工藝下的圍巖應力分布規律與變形特征，為礦山未來地壓監測系統建設及地壓災害防控提供參考。

1 礦山概況

1.1 開采技術條件

某鉛鋅礦礦體賦存于石門坎背斜傾伏端西翼石炭系和泥盆系層間裂隙中，礦區構造破碎發育。礦區共分I#、II#、III#礦體，其中I#為主礦體，下分I-6#～I-15+#礦體，礦體傾向南東，傾角為60°～85°，礦體平均厚度為9 m，礦體賦存標高為900～-20 m。頂底板圍巖多為淺灰色中厚層狀細—粗晶白云巖，巖性比較單一。礦床屬于水文地質條件復雜型的巖溶裂隙水直接充水礦床。地下水系統結構復雜，主要充水水層為石炭系和泥盆系碳酸鹽巖裂隙含水層，富水性、透水性中等—弱，補給條件好，且具較高水壓，深部實測最大涌水壓力達2 MPa。同時，經現場實測，最大主應力方向近乎水平，在610 m 中段測試最大主應力約為15 MPa，在深部430 m 及以下中段，地應力呈明顯增強趨勢。目前，礦山采用下向水平分層進路膠結充填采礦法。

1.2 地壓活動

根據礦方反饋，近年來，井下發生的地壓顯現主要為巷道局部或大面積的變形、底鼓以及垮落災害，該類災害主要發生在C11 地層，尤其在370，430 和490 m 等深部中段表現明顯。經現場調查分析，巷道兩幫擠壓變形與底鼓現象主要發生在與主地應力方向垂直的巷道段；而全斷面變形破壞的現象則主要受巖性與結構面控制，在II#礦體分布較多。此外，根據現場反饋，近期地表出現數次有震感的礦震，但其發生地點與原因當前仍未查明。圖1～圖3 為各種類型典型破壞的現場情況。

從現場調查情況來看，I#礦體圍巖當前穩定性相對較好，II#、III#礦體圍巖較破碎，是未來地壓監測的主要區域。此外，在深度上，670 m 以下深部巷道變形破壞的情況相對較多，例如490，430 m 水平沿脈巷道，且多發生在C11地層，主要受巖性、結構面及構造控制。

2 模型建立

2.1 分析對象及目的

考慮到礦體走向長度近2 km，且礦體數量較多，若采用整體三維建模數值計算，計算速度將受到計算機條件的限制。鑒于礦山當前及未來主要開采I#礦體下的I-6#、I-8#及I-14#礦體，且這些礦體賦存標高為900～-100 m，因此，本研究選擇96線剖面進行二維數值建模分析，該地質剖面同時包括了上述3個礦體，具有很好的代表性。模擬旨在掌握動態開采過程中的圍巖變形破壞特征及地壓演化規律，為下一步地壓監測系統建設與地壓災害防控提供參考。

2.2 模型建立

研究采用PHASE26.0 軟件進行數值計算，使用其內嵌的Mohr-Coulomb 模塊，計算過程中考慮了巖體重力作用和構造應力的影響。計算模型頂面設為自由邊界，底部與兩側設為單向固定約束邊界。模擬步驟：先采用CAD 圈出礦巖輪廓，然后將其導入PHASE26.0 軟件中，進行相應的參數設置、地應力場施加。模型寬度為1 000 m，覆蓋了-100 m 以上的所有地層和礦體，以及上部自然地表邊界。模型共有11 402 個單元、5 831 個節點。模型中礦巖的物理力學參數見表1，工程地質力學模型如圖4所示。

2.3 模擬開挖步驟

根據礦山從上往下的開采順序，以實際生產中單個分段的開采為一個開挖步序，開挖后對空區進行充填，依次完成整個模擬開采過程。模型中每個分段高度為12 m，每個中段分為5 個分段，從上往下共有34 個分段。從而獲得+20 m 水平以上采礦全過程中的應力、變形情況。

3 模擬結果分析

3.1 應力場分析

為了解礦體間天然隔離礦柱以及頂底板在開采過程中的應力變化情況，在模型中I-8#礦體的頂、底板以及礦柱位置設置虛擬應力監測點，測點編號分別為1#～3#，圖5為各測點在分步模擬開挖時的偏應力值變化曲線。偏應力是最大、最小主應力的差值，用以判斷地壓或巖爆災害傾向性的強弱，數值越大表示傾向性越強。I-8#礦體頂、底板圍巖分別在開挖至18 步序（圖5（a））與26 步序（圖5（b））時出現應力急劇增大，且后續沒有出現下降，應力集中現象明顯；礦體間天然礦柱在開挖至22 步序（圖5（c））時，監測點出現了應力急劇增大再突然消失的現象，說明該開采步序下礦柱區域出現破壞的可能性很高，且屬于典型的動態孕震區，將來應重點關注。同時，應力集中區域與斷層分布位置相近，說明斷層活化產生的破壞也是需要重點關注的問題。

為進一步了解模擬開挖過程中巖體的應力集中情況，提取了第22步序偏應力分布云圖（圖6）。可以看出，該開挖分層周邊圍巖與該礦體上部頂板圍巖處的偏應力值較大，說明其發生較大地壓災害的風險較大。同時，也說明了充填體頂部與圍巖接觸帶是應力集中的重點區域，未來應注意充填接頂的質量。

為了解礦體開采及充填完成后的整體應力變化情況，提取了最后開采步序完成后的最大主應力分布云圖（圖7）。可以看出，開采引起應力場的明顯變化主要集中在含礦地層宰格組第三段的第二亞段中，即礦體賦存地層是采動誘導應力顯現最明顯的區段。此外，應力集中現象基本分布在上下礦體之間的天然隔離礦柱區域，這些區域將是開采過程中典型的孕震區，在實際生產中應予以關注。

3.2 變形場分析

為了解開挖過程中上盤圍巖的變形情況，在主礦體I-8#上盤圍巖處設置位移監測點，并提取了不同開采步序下的圍巖變形曲線圖（圖8）。可以看出，采動引起的變形具有明顯的分區和階段性特點，在開挖至21步序（對應5中段第1分層）時，變形值急劇升高。

為進一步了解開采完成后圍巖的變形情況，提取了第34 步序整體位移矢量分布圖（圖9），可以看出，I-8#礦體上盤圍巖變形最為集中，變形方向朝向開采區域。所以，上盤頂板容易發生較大的拉伸破壞。而下盤圍巖變形主要以水平位移為主，未來下盤巷道在軟弱地層處有發生底鼓破壞的風險。

4 地壓災害防治措施

4.1 高應力卸荷與柔性支護

高應力卸荷與柔性支護是典型的卸壓與支護相配合的巷道維護方法。現場實施時，一般在巷道頂部超前工作面鉆卸壓孔，通過卸壓爆破將待掘巷道或采場與相鄰巷道或采場空間隔離，切斷開采擾動應力傳遞路徑，形成局部卸壓環境，降低巖爆風險。之后采用錨桿、錨網、噴射混凝土及聯合支護的方式，確保采場與主要行人通道的安全。

4.2 井下工程布置優化

根據井下地應力測量結果，礦區最大主應力以水平應力為主，方位是北西向，平均走向為N62.1°W，與區域構造應力場的方向一致。因此，礦區在主要巷道和采場的設計中，要充分考慮最大主應力方位與巷道間的夾角。尤其是巖體節理較發育的區域，巷道或采場盡量與最大主應力方向一致。

4.3 綜合地壓在線監測技術

根據上述模擬分析得到的應力分布情況及變形特征，建議對深部區域開展綜合地壓在線監測，監測重點在610 m 水平以下，尤其需要關注各相鄰礦體間的圍巖變形、斷層活化導致的地壓災害。

5 結語

（1）不同礦體之間的天然隔離礦柱是應力集中最為明顯的區域，是典型的孕震區，實際生產中應予以重點關注。

（2）下向進路開采過程中，應力集中區域位于底板下部約2 個分段高度的范圍；由于巖體較破碎，對于高應力集中形成的應變能儲存能力有限，在進行地壓監測時，應重點關注各相鄰礦體間的圍巖變形、斷層活化導致的地壓災害。

（3）模擬結果顯示，開采后巖層移動主要以豎向和水平變形為主，其中以上盤下向45°方向的移動變形最為典型，是地壓監測的重點關注部位；采動引起的變形量具有明顯的分區與階段性特點。