鑫達金礦豎井保安礦柱圈定及穩定性分析

張飛，王昊，郝勇浙

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭市 014000)

0 引言

地下金屬礦山使用全面法或留礦法開采礦體后會遺留下大量的采空區，造成上覆巖層的移動、破壞[1]。隨著開采深度和范圍的增加，豎井不可避免地會處于開采移動范圍內，為減小采礦對豎井穩定性的影響，礦山通常會按設計的巖石移動角圈定保安礦柱。這種方法的缺陷就是采深越大，保安礦柱范圍越大，特別是對于深部開采的礦山，會導致大量優質的可采資源無法開采。豎井保安礦柱圈定的實質是留下部分礦體不進行開采，使需要保護的豎井位于開采移動范圍之外，也就是說，控制地下開采引起的上覆巖層的移動，使巖移不向豎井方向發展是優化保安礦柱的關鍵所在。

近年來，我國對于地下礦山開采的覆巖移動規律和控制做了大量的研究，張東杰等[2]研究了開采傾斜厚礦體的覆巖移動機理，提出巖體冒落特征表現為緩慢－快速交替拱形冒落。韓文斌等[3]通過三維物理模型實驗的方法再現了眼前山鐵礦巖層移動全過程。關守安等[4]結合FLAC3D、3DEC和隨機介質3種計算方法研究粗榆金礦充填開采過程中的巖移規律，3種方法的計算結果都表明粗榆金礦覆巖沉降變形形式為筒形陷落。何榮興等[5]使用FLAC3D模擬分析了有、無散體充填條件下上覆巖層的移動變形規律，計算結果表明，向空區內充填散體對控制上覆巖層移動變形具有顯著作用。劉永亮等[6]提出急傾斜礦體開采后上覆圍巖變形分為劇增、緩增和劇增3個階段，其中緩增階段持續時間最長，為類似礦山的開采提供了參考。

本研究結合鑫達金礦地質與開采條件，提出利用臨界散體柱作用機理控制上覆巖層的移動范圍，從而重新圈定豎井保安礦柱，有效解決了傳統保安礦柱過度圈定這一問題。

1 工程概況

鑫達金礦13號脈（采）區共發現40余條金礦體，其中13，32號礦體是區內主礦體。13號礦體傾角為45°～85°，厚度為0.43～8.36 m，32號礦體傾角為40°～65°，厚度為0.45～5.96 m。據礦體賦存特征及開采技術條件，結合礦山目前采用的采礦方法，對于傾角大于 30°的礦體，采用淺孔留礦法開采。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度為50 m，其中礦房44 m，頂柱 4 m，間柱6 m，底柱6 m，寬度為礦體厚度。傾角小于 30°的礦體，采用全面法開采。礦體頂底板圍巖均為片麻巖，屬于半堅硬—堅硬巖石，整體穩定性較好。

13號脈盲豎井位于13號礦體下盤，于13號礦體與32號礦體之間，井口標高為698 m，卷揚機及卷揚機硐室位于698 m標高，井底標高為188 m，井深510 m，井筒直徑為5 m，凈斷面為19.63 m2。盲豎井位置如圖1所示，未留設保安礦柱，但隨著礦體向深部開采及礦山探礦工程的進行，發現 32號脈深部礦體傾角逐漸變緩，在標高-300 m處已經和13號脈相交，礦山后續32號脈的開采必會對上方 13號脈盲豎井的穩定性造成影響。為保證盲豎井的安全穩定，必須預留合理尺寸的保安礦柱，以保證礦山的安全生產。按傳統移動角圈定保安礦柱壓礦量過大，因此礦山急需開展盲豎井保安礦柱圈定方案研究。

圖1 豎井與礦體空間位置關系

2 臨界散體柱高度的確定

2.1 臨界散體柱作用機理

在地下礦山開采過程中，隨著采深的增加，地表移動范圍逐漸增大，當開采深度達到一定深度時，實際地表的移動范圍遠沒有設計時按移動角圈定的地表移動范圍，由此可見一定是有力阻止了移動范圍的進一步擴大。臨界散體柱理論認為，散體向空區邊壁施加主動側應力，同時又承受邊壁巖體變形擠壓的被動側應力。兩種應力共同作用對邊壁巖體形成較大的側向承載力，增強邊壁巖體的穩定性，就可以控制邊壁巖體的片落與通達地表的塌陷，限制移動范圍的擴大。并且散體對邊壁巖體的側向支撐力與散體層的厚度有關，散體層高度增加，則散體提供的側向支撐力也加強。當散體層達到一定深度且密度逐漸沉實時，邊壁巖體發生碎脹就沒有空間，以此來限制邊壁巖體的冒落破壞，這一高度的散體層就稱之為臨界散體柱[7-12]。臨界散體柱的確定方法如圖2所示，從地表塌陷坑的邊界或出現裂隙處按巖石移動角向采空區作錯動線，得到與采空區上盤的交點，交點之上的這一高度散體即為臨界散體柱。

圖2 臨界散體柱確定方法

2.2 臨界散體柱高度的PFC數值模擬

由于鑫達金礦 32號礦體位于樹草茂密的陡峭山體中，地表移動帶的測量難度太大，同時采空區充填后的散體流動情況也無法調查，因此選擇數值模擬的方法間接獲得地表的移動范圍和驗證臨界散體柱的正確性。

對于PFC中宏細觀參數的標定方法研究，主要是通過對比數值模擬和巖石室內實驗所表現出的宏觀特性，若2種方法的宏觀特性基本吻合或接近，即可認為參數標定成功。通過控制變量法逐一調整不同細觀參數，使單軸壓縮數值模擬的應力應變曲線與室內試驗基本吻合，其細觀參數見表1。

表1 巖石細觀參數

根據礦山開采現狀和礦體賦存條件，對開挖模型進行了一定程度的簡化，建立的模型如圖3所示。模型長度為400 m，寬度為500 m，礦體厚度為2 m，傾角為53°，整個模型生成顆粒總數為136 168個，對模型兩端進行邊界約束，模型只考慮自重應力作用。

圖3 PFC數值模擬模型

2.3 模擬結果分析

礦山一直采用淺孔留礦法和全面采礦法開采礦體，礦房和礦柱回采后，崩落的巖石并不能將整個采空區充滿，礦山通過向空區充填廢石的方法治理采空區，PFC中模擬礦體開采和充填的過程類似于用散體代替礦石的過程，50 m分為一層用散體代替礦石，如此循環，模型最終達到平衡后的地表位移變化情況如圖4所示。由圖4可知，隨著計算時間增加，監測點的Y方向位移整體上表現為逐漸增加，計算到一定步數后趨于穩定。在距離礦體270 m（0～90 m）以外，地表Y方向位移小于0.02 m，且位移值隨計算時間增加而變化的幅度非常小，可以認為距礦體270 m（0～90 m）以外的地表不受礦體開采的影響，270 m（90～360 m）以內為上盤巖石移動范圍。

圖4 地表位移變化

圖5為礦體與上盤巖體接觸位置的位移變化曲線。由圖5可知，隨著計算時間的延長，上盤巖體監測點的Y方向位移整體上表現為逐漸增加，計算到一定步數后趨于穩定。上盤圍巖變形最大區域位于埋深0～120 m，位移值為0.05～0.06 m。后隨著埋深增加，位移值逐漸較小。當埋深到達240 m以后，隨時間步增長位移值幅度明顯減小，當埋深達到270 m時位移值隨時間步增長基本不變化，且位移值控制在0.1 m以內，因此可以認為臨界散體柱的邊界在埋深240～270 m之間。通過監測點位移曲線可知，上盤巖體在埋深淺的區域變形值遠大于深部散體充分支撐的區域，這說明空區內充填的散體達到一定高度后，散體受重力作用逐漸壓實，下部密實度較高的散體能夠很好地限制上盤巖體的側向變形，而上部密實度不高的散體限制空區變形的能力較弱。由于廢石構成的松散充填體單體強度高，整體強度較弱，所以深部區域的上盤圍巖還會向空區方向侵入，但侵入的程度不足以造成上盤圍巖的變形破壞。

圖5 上盤巖體與礦體接觸處位移變化

結合模型平衡后的位移云圖，最終確定地表移動范圍為116～370 m之間，上盤移動角為72°，根據臨界散體柱理論，從地表出現明顯移動邊界處按移動角向采空區做錯動線，得到與采空區上盤邊界的交點，交點之上的充填散體即為臨界散體柱，如圖6所示，臨界散體柱高度為257 m。

圖6 臨界散體柱高度

2.4 豎井保安礦柱圈定

通過分析臨界散體柱理論作用機理可知，當空區內充填散體的高度超過臨界散體柱高度時，散體柱高度內的空區邊壁巖體的片落和移動就會受到控制，傳統的保安礦柱圈定方法忽略了散體的支撐作用，往往導致過大的保安礦柱圈定范圍。因此，保安礦柱的尺寸可以由移動角與臨界散體柱的高度兩者共同決定，礦體回采后可以通過廢石及時充填空區的方式保持臨界散體柱高度不變且位置不下移，利用臨界散體柱作用機理圈定的保安礦柱如圖7所示。

3 豎井穩定性分析

3.1 數值模型構建

根據鑫達金礦地質條件，建立的礦體開挖模型如圖 8所示。模型尺寸為 1000 mm×1000 mm×1600 mm（長×寬×高），其中13號礦體賦存標高為658～168 m，32號礦體賦存標高400～-300 m，豎井部分為重點研究區域，網格精度為1 m，礦體周圍網格精度最小為2 m，最大為6 m，其余圍巖體網格精度為40 m。建立的模型節點數為912 961個，單元數為1 617 208個。本次數值模擬主要考慮自重應力的影響，即對模型施加自重應力。模型的邊界條件為位移邊界條件，即對模型的前后左右4個面設置為位移邊界條件，對于模型的前后兩個面，設置為Y方向的位移為0；對于模型的左右兩個面，設置為X方向的位移為0；對模型的底部設置為固定邊界條件，即底部位移設置為X=0，Y=0，Z=0；對地表設置為自由邊界條件。巖體和充填體的力學參數由力學實驗經過強度折減后得到，見表2。

圖8 FLAC3D礦體開挖模型

表2 巖體力學參數

3.2 數值計算結果分析

根據礦山實際生產情況，開采礦體的順序為階段上采用自上而下分中段開采，中段內采用自遠而近（自端部向豎井）后退式開采，由于模擬主要是分析礦體開挖擾動對豎井穩定性和地壓分布規律的影響，因此可適當簡化開挖步驟，計算中采用各中段分步回采的計算方式，即每次開采1個中段，自上而下分步開采。全部回采完畢時，豎井不同深度變形曲線如圖9所示。豎井在垂直方向的變形比在水平方向上的變形更顯著，受下部礦體開采的影響，垂直變形表現為下沉，且下沉量隨著埋深的增加逐漸減小。豎井于300 m處Y方向位移值有由正轉負，說明豎井在Y方向上出現了傾斜變形，出現這種情況的原因是上部豎井受采動影響較大，豎井向空區方向移動，不過豎井在水平方向上變形較小，不超過4 mm。

圖9 豎井不同深度變形

在豎井位置作垂直于X軸的剖面，剖面上的徑向應力和切向應力云圖如圖 10所示，不同深度處徑向應力、軸向應力沿Y軸變化曲線如圖11所示。沿著軸向方向，徑向應力靠近井壁處為應力釋放區，切向應力靠近井壁處為應力集中區，沿著軸向方向，應力釋放區和集中區范圍隨深度變化不是很明顯。四個深度處，徑向應力在沿著Y軸方向上隨著距井壁距離增加，均快速增加到一定值，然后緩慢增加直至恢復到原巖應力狀態，而切向應力與徑向應力正好相反，先是降低到一定值，后緩慢降低，最終恢復到原巖應力狀態，切向應力和徑向應力均是在距井壁8 m處恢復到原巖應力狀態，說明豎井開挖的應力擾動范圍在8 m左右，而豎井不同深度上的應力擾動范圍幾乎無變化，證明了礦體開挖后的應力擾動范圍并未波及到豎井周圍。

圖10 應力變化云圖

圖11 應力變化曲線

4 結論

（1）通過PFC模擬出32號礦體開采的臨界散體柱高度為257 m，礦體開采后若及時用廢石充填采空區，使臨界散體柱位置不下移，即可限制上覆巖層的移動范圍。

（2）利用臨界散體柱作用機理重新圈定了鑫達金礦盲豎井保安礦柱，有效解決了按移動角圈定保安礦柱時壓礦嚴重的問題。

（3）礦體開采對豎井穩定性影響較小，豎井垂直方向上變形大于水平方向變形，雖然豎井在水平方向出現了傾斜變形，但最大變形值只有4 mm，豎井處于穩定狀態。