銀山礦千枚巖破壞特征及地壓分布規律分析

李紅鵬 陳秋松

摘要： 在地下回采作業中，掌握采場地壓活動規律，采取有效措施控制地壓活動，是實現安全高效開采的重要保障。銀山礦采用分段空場上向中深孔落礦采礦法回采，根據現有采礦方法及礦（巖）體稟賦狀態，利用RFPA2D-SRM強度折減有限元軟件對千枚巖的破壞形式進行模擬，結果顯示：銀山礦千枚巖破壞的主要形式為片理狀千枚巖的潰屈破壞。同時，結合現場監測數據，得到原巖地應力分布規律方程，并提出對應的地壓控制措施。研究成果為類似礦山的應力分布規律研究提供一定的理論支持和工程借鑒經驗。

關鍵詞： 千枚巖;數值模擬;地壓控制;破壞機理;潰屈破壞;地壓分布規律

????中圖分類號：TD321 文獻標志碼：A 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）09-0047-05 doi：10.11792/hj20210908

??? 引 言

在地下開采過程中，由于地壓作用而導致巷道出現變形、支護困難甚至冒頂片幫等現象，造成經濟上支護成本增加、技術上采準巷道破壞、生產上進度受限且礦石貧化率增加等難題，嚴重影響礦山的安全生產[1-3]。顯然，采場受地壓破壞已成為眾多礦山企業的生產難題，在未來進一步向深處開采過程中， 地壓控制的重要性日漸凸顯，認清地壓活動規律，采取相應的防控措施，經濟有效地控制地壓活動，將是地下開采礦山的共性需求[4-5]。為此，研究地壓顯現規律，尋求地壓顯現動因，精確控制與有效預防地壓破壞活動，是保障礦床安全高效開采的首要條件。

針對每類地壓顯現特征，通過制定合理的采場斷面形狀、礦房參數、礦柱參數及支護措施等一系列利用免壓拱解除采場地壓等地壓防控方法，在地壓預測與控制方面起到了一定的作用[6-9]。 但是，在礦山實際生產中，地壓顯現形式極為多變，同一礦山往往因不同地點及開采進程出現很大差異[10]，以上所述方法大多為未考慮地質構造因素或僅側重于采場局部的單一方法，難以用來指導現場實際生產作業。因此，為增強礦山不同部位地壓防護措施的針對性，需要面對開采礦床的整個地質體，研究地壓的來源，據此預測高應力部位，并根據巷道變形與破壞的可能性，制定相應的控制措施，以便更好地指導生產。

1 工程背景

江西銅業集團銀山礦業有限責任公司（下稱“銀山礦”）位于江西省德興市銀城鎮，距上饒市125 km，是江西銅業集團有限公司旗下主力礦山之一，為露天、地下聯合開采多金屬礦山，主要生產銅精礦、鉛鋅精礦、硫精礦及金和銀。銀山礦由北山區、九龍上天區、銀山區、九區、西山區及銀山西區等組成。露天開采對象為九區的銅金礦體，設計生產能力5 000 t/d;地下開采對象為九龍上天區、銀山區及銀山西區的銅礦體，以及北山區的鉛鋅銀礦體，當前生產能力為8 500 t/d。

銀山礦采用分段空場上向中深孔落礦采礦法回采，當礦體脈幅小于6 m時， 在礦體下盤圍巖中掘進脈外運輸巷道，采場沿礦體走向布置，豎直方向每15 m在礦體內布置分段鑿巖巷道， 鑿巖設備在分段鑿巖巷道內施工上向平行中深孔對礦體進行回采，底部結構為平底結構，鏟運機在出礦進路出礦。

本文將地壓活動較為頻發的北山區作為研究對象，重點研究其地壓顯現規律。該礦體長約1 580 m，厚1～6 m，傾角61°～86°，傾向以北北西向為主，整體呈從上到下逐漸變薄的形態。由于礦體圍巖為千枚巖，巖體本身抗壓強度低且節理較為發育，從而導致在回采過程中，支護效果不理想、巷道變形突出等一系列問題。同時，根據國內礦山開采的現場經驗，結合銀山礦北山區實際工況，認為在該礦體賦存深度下開采時屬于中等應力狀態。

根據礦山地質資料，該礦山地下工程巖組的分類可以按照其數量、穩定性等分為4類。而其中對礦體回采穩定性起關鍵性作用的主要為千枚巖，同時千枚巖又分為片理狀千枚巖及砂質千枚巖。因此，本文主要從該類工程巖組著手，依據現場圍巖實際破壞形式，厘清2種千枚巖對圍巖破壞的影響，從而確定圍巖破壞的直接原因。

2 千枚巖破壞形式分析

2.1 圍巖主要破壞形式

千枚巖是變質較淺的巖石，巖石性脆，屬于片理? 狀巖類，是一種特殊的層狀巖體結構類型，其特殊性主要表現在巖體往往呈現結構性破壞而非材料本身破壞[11-13]。千枚巖破壞機理與板裂介質理論相符，而根據板裂介質理論，板裂結構即使在應力較低（小于結構本身的抗壓強度）時，也會由于失穩而發生潰屈破壞。因此，可以認定千枚巖為典型的板裂結構， 在地應力并未太大的巷道出現冒頂片幫等事故是千枚巖圍巖作為板裂結構破壞的外在表現形式，從而得出千枚巖或巷道的理論破壞形式為潰屈破壞（見圖1）。

雖然根據理論分析得出了千枚巖的破壞形式，但需要依據現場實際工況對其進行驗證。根據井下現場的實際勘察，結合工程地質巖組的分類可以看出，銀山礦北山區巷道（圍巖）的實際破壞形式為片理狀千枚巖的潰屈破壞（見圖2）。

2.2 千枚巖破壞數值模型

理論分析和現場調研均表明，上述潰屈破壞理論模型對銀山礦脆性片理狀千枚巖的破壞機制具有較好的適應性。為進一步揭示銀山礦千枚巖破壞機理，采用專業軟件RFPA2D-SRM強度折減有限元軟件對其破壞過程進行了模擬。RFPA2D-SRM 強度折減有限元軟件充分考慮巖石破壞過程中的各向異性、非線性及非均勻性等特點，并以基元的破壞個數作為巖石宏觀破壞判據，具有結果可視化呈現、建模賦值方便快捷、求解過程準確等特點。

由于礦體與圍巖平行，且傾角一般在60°～90°， 首先進行了層理傾角為90°的巖層破壞過程數值模擬，對上述潰屈破壞理論在銀山礦脆性片理狀千枚巖的適應性進行驗證。同時，進行了層理傾角為60°的巖層破壞過程數值模擬，以便對傾角稍緩的片理狀千枚巖的破壞機理進行分析。

根據建模規則， 模型整體尺寸為研究單元的10倍左右，因此取其尺寸為20 m×20 m。開挖巷道則根據現場實際生產工況，采用高度及跨度均為2 m的直墻半圓拱形巷道，巷道長度為礦體寬度， 層理間寬度為1 m。由此得到層理傾角為90°（見圖3-a））及層理傾角為60°（見圖3-b））的圍巖數值模型。模擬過程為：①分別設置水平及垂直均布載荷為1.0 MPa、0.2 MPa;②載荷設置完成后，平衡巖體模型的初始應力;③設置模型邊界約束條件為底部位移約束，其余方向為應力約束;④按照巷道的規格進行開采模擬，同時為了與實際工況相符，每次均將巖體的力學強度折減1 %，直至破壞，統計模擬結果。

2.3 模擬結果及分析

根據以上模型及模擬步驟，分別得到層理傾角為90°（見圖4）及層理傾角為60°（見圖5）時銀山礦巷道圍巖的典型破壞過程。由圖4、圖5可以看出，不同層理傾角時，破壞發生過程基本相似。換言之，隨著圍巖力學強度的不斷折減，應力最先向與巷道相鄰的層理面集中。然后，隨著應力集中點的層理面發生破壞，高應力得以釋放，應力集中區域轉移至巷道兩側，造成巷道邊幫發生典型潰屈破壞，進一步誘使頂板圍巖因失去邊幫的支撐而發生坍塌。

同時由圖4、圖5也可以看出：在層理傾角為90°時， 巷道圍巖的破壞最終是坍塌式的下拉破壞，并未對底板造成影響。而當層理傾角為60°時，巷道圍巖受層理傾角影響，兩側邊幫表現為一邊高一邊低的一側拉伸一側剪切式破壞，最終造成巷道整體結構性破壞。

因此，通過以上數值模擬結果得出并進一步驗證了上文所述千枚巖的破壞形式，即潰屈破壞是銀山礦脆性片理狀千枚巖主要的破壞形式。

3 采場地壓顯現規律及破壞機理

通過數值模擬進一步得到及驗證了銀山礦巷道圍巖破壞的主要原因是脆性片理狀千枚巖的潰屈破壞。為正確分析采場地壓顯現規律與破壞機理，需建立合理的圍巖穩定性計算分析模型，為地壓防治提供理論支撐。

3.1 原巖地應力監測及規律分析

根據銀山礦原巖地應力監測結果（見表1），最大水平主應力（σhmax）、最小水平主應力（σhmin）及垂直方向主應力（σv）與深度（h）的關系見圖6。

σhmax=-0.058 1h+0.275 7? （1）

σhmin=-0.021 8h+0.072 9? （2）

σv=-0.048 3h-1.232 5? （3）

監測結果表明，銀山礦以水平構造應力為主，所有應力均為壓應力，垂直方向主應力與自重應力接近。主應力隨深度的增加而增加，尤其是最大水平主應力與深度的線性關系良好。由于北山區礦脈走向近似于東西向，千枚巖片理與礦脈近似一致，這就意味著最大水平主應力與千枚巖片理斜交，這是導致采場、巷道地壓顯現的最重要因素之一。

3.2 基于現場監測及數值模擬的破壞機理分析

分段巷道與脈外出礦巷道均與圍巖片理平行，由于長時間暴露（分段巷道服務年限普遍超過5.0 a，脈外出礦巷道超過1.5 a），再加上千枚巖是變質較淺的巖石，巖石性脆，在如此高的原巖地應力作用下，這種脆性千枚巖片理結構極易發生兩幫斷裂的潰屈破壞（見圖7）。

保護墩暴露時間普遍超過1.0 a，兩側均為出礦進路，保護墩在頂底板的高壓應力作用下出現應力集中，脆性千枚巖結構在高原巖地應力作用下，極易發生壓桿失穩破壞（見圖8）。

3.3 地壓控制措施

根據以上數值模擬分析及現場實測結果，適用于銀山礦實際工況的地壓控制措施為：

1）通過切割天井二次圈定礦體，進一步明確礦巖分界線，在進一步提高礦石儲量精度的同時，又可使回采過程中中深孔采切工程的布置更為準確合理。

2）加強采場地壓控制，盡量保證上盤圍巖的完好與不受破壞。由于礦山圍巖為千枚巖，為片理狀結構，在回采過程中存在大面積空場，上盤側極易發生潰屈破壞，如果出現該情況可以考慮在分段巷道內采用錨桿加錨索聯合支護加固上盤，使其形成條狀加固帶，提高礦體上盤的穩定性，避免回采期間大面積垮落，從而降低回采過程的礦石貧化率。

3）加強出礦管理。由于中深孔爆破，采場內無法進行有效支護，因此應及時回收采場內礦石，避免采場內壁出現大面積地壓顯現造成廢石混入采場，導致大量貧化。

4 結 論

1）利用RFPA2D-SRM強度折減有限元軟件對銀山礦北山區片理狀千枚巖破壞機理進行分析，得出潰屈破壞是銀山礦脆性片理狀千枚巖主要的破壞形式。

2）正確分析采場地壓顯現規律與破壞機理，建立合理的圍巖穩定性計算分析模型，針對銀山礦北山區井下不同用途的巷道采場地壓顯現規律及破壞機理進行了細致分析。

3）針對銀山礦北山區原巖地應力變化規律和破壞機理，提出在井下分段巷道上盤進行錨桿加錨索聯合支護加固的支護方式，使其形成條狀加固帶，提高礦體上盤的穩定性。

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Analysis on failure characteristics and ground

pressure distribution rule of phyllite in Yinshan Mine

Li Hongpeng1，Chen Qiusong2

（ 1.Yinshan Mining Co. ，Ltd. ，Jiangxi Copper Corporation Limited ;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University ）

Abstract： In underground mining，it ensures safe and effective mining to master ground pressure activity rules in the stope and adopt effective measures of controlling the ground pressure activity.Yinshan Mine adopted sublevel open stope upward medium-long hole caving mining method for stoping.According to the current mining method and ore rock mass occurrence status，RFPA2D-SRM strength reduction finite element software was used to simulate the failure forms of phyllite.The results show that buckling failure is the main form of phyllite failure.At the same time，based on field monitoring data，primary rock stress distribution rule formula was obtained and corresponding ground pressure control measures were put forward.The research results can provide theoretical support and engineering references for the study of stress distribution rules in similar mines.

Keywords： phyllite;numerical simulation;ground pressure control;failure mechanism;buckling failure;ground pressure distribution rule