L27號(hào)脈礦柱及采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

趙小平，張寶，王玉丁，吳亞飛

(1.金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅 金昌市 737100；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025)

0 引言

隨著目前安全生產(chǎn)及環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，采空區(qū)存在的問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，大量的采空區(qū)有可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害及生產(chǎn)安全事故，嚴(yán)重威脅公司職工生命及財(cái)產(chǎn)安全。因此，為進(jìn)一步加強(qiáng)礦山安全技術(shù)管理和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理工作，須加快采空區(qū)隱患的排查和治理，排除采空區(qū)潛在的安全隱患，徹底消除由采空區(qū)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害及重特大安全生產(chǎn)事故。

某金礦賦存于含金構(gòu)造蝕變破碎帶內(nèi)，該蝕變帶經(jīng)工程揭露其連續(xù)性較好，礦體形態(tài)呈規(guī)則脈狀、大透鏡狀。礦體總體走向?yàn)?12°，總體傾向?yàn)?82°，傾角為 45°～70°，平均傾角約 58°。礦體厚度平均為4.81 m，厚度變化較穩(wěn)定。礦體品位為5.62 g/t，礦體有用組分分布較均勻。該礦段的主要礦石類(lèi)型為構(gòu)造蝕變巖型金礦石。礦山采用淺孔留礦法開(kāi)采，形成了大量采空區(qū)。

通過(guò)對(duì)照礦山安全設(shè)施設(shè)計(jì)、礦山采掘工程平面圖、井上井下對(duì)照?qǐng)D、礦山開(kāi)采工程布置圖等相關(guān)資料，建立采空區(qū)及礦柱的三維立體模型，開(kāi)展采空區(qū)穩(wěn)定性、安全隱患辨識(shí)和分析。

基于采一礦區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件、礦山開(kāi)采現(xiàn)狀以及調(diào)查結(jié)果，利用AutoCAD和3DMine軟件完成了該金礦L27號(hào)脈934～1054 m標(biāo)高采空區(qū)三維數(shù)字建模，通過(guò)Midas-GTS和FLAC3D仿真計(jì)算軟件，得到了該礦區(qū)歷史開(kāi)采過(guò)程的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)分布情況，方便今后高品位礦柱的回采方案研究，為該區(qū)域后續(xù)采空區(qū)治理及頂?shù)字?、間柱的回采提供了參考依據(jù)。

1 礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

1.1 礦柱應(yīng)力分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，礦體開(kāi)挖后，采場(chǎng)的頂柱、底柱以及間柱兩側(cè)形成開(kāi)挖臨空面，失去礦巖支撐，進(jìn)而在應(yīng)力作用下往采空區(qū)內(nèi)部方向發(fā)生變形。L27號(hào)礦脈934～1054 m中段采場(chǎng)開(kāi)挖后形成臨空面，開(kāi)挖邊界應(yīng)力釋放明顯，礦柱初始應(yīng)力場(chǎng)重新分布并形成二次應(yīng)力場(chǎng)，采空區(qū)頂板和底板區(qū)域巖體應(yīng)力有一定程度地釋放，而采場(chǎng)間柱和頂?shù)字鶠橹饕獞?yīng)力集中區(qū)，且采空區(qū)體積越大，距離地表越遠(yuǎn)，礦柱應(yīng)力集中更為顯著。

L27號(hào)礦脈盡管礦體較厚，采場(chǎng)開(kāi)挖后形成的空區(qū)體積比較大，但由于預(yù)留礦柱尺寸較大，同時(shí)礦巖穩(wěn)固，因而絕大部分礦柱張拉程度相對(duì)較輕，主要為壓應(yīng)力集中，如采空區(qū) C20006、C10007、C10008，最大值達(dá)到23.19 MPa，超過(guò)巖體的抗壓強(qiáng)度。礦柱由于失去巖體支撐，抗剪性能減弱，因而容易發(fā)生剪切變形和塑性破壞。僅個(gè)別采空區(qū)即C40006頂柱巖體形成小范圍的拉應(yīng)力顯現(xiàn)區(qū)域，其余采空區(qū)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域。另外，從數(shù)值上來(lái)看，C40006采空區(qū)頂柱拉應(yīng)力極值為6.47 kPa，遠(yuǎn)小于礦體的張拉屈服強(qiáng)度（見(jiàn)圖1、圖2和表1）。

圖1 L27號(hào)脈開(kāi)挖后礦柱最大主應(yīng)力分布

圖2 L27號(hào)脈開(kāi)挖后礦柱最小主應(yīng)力分布

1.2 礦柱位移分析

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，采場(chǎng)開(kāi)挖后采空區(qū)間柱往采場(chǎng)內(nèi)部方向發(fā)生水平變形，而礦脈中部間柱水平變形程度明顯高于礦脈兩端。另外，間柱距離地表越深，對(duì)應(yīng)采空區(qū)體積越大，間柱水平變形程度越劇烈。間柱沿水平方向整體位移量較小，最大位移量不超過(guò) 0.91 cm，因而從變形角度來(lái)看，該礦脈采空區(qū)兩側(cè)間柱整體穩(wěn)固性好（見(jiàn)圖3和表1）。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，L27號(hào)礦脈934 m水平間柱多未塌方，與數(shù)值分析結(jié)果比較相符。

圖3 L27號(hào)脈開(kāi)挖后礦柱水平方向位移

采場(chǎng)開(kāi)挖形成采空區(qū)后，其周邊巖體向采空區(qū)內(nèi)部方向產(chǎn)生變形。因采空區(qū)體積、所處中段位置不同，不同采空區(qū)的頂?shù)装宄两祷虻坠奈灰埔灿兴町?，整體表現(xiàn)為采空區(qū)體積越大、所處中段位置越低、越靠近礦脈中部，對(duì)應(yīng)的采空區(qū)頂?shù)字怪弊冃瘟吭酱?。根?jù)統(tǒng)計(jì)，該礦脈所有頂柱的最大沉降量不超過(guò) 3.52 cm，根據(jù)容許極限位移量判據(jù)可知，采場(chǎng)頂柱的最大下沉量在2～5 cm范疇，巖體也可以保持穩(wěn)定性。礦脈采空區(qū)底柱底鼓量整體大于頂板下沉量，個(gè)別采空區(qū)如C10007、C10008（采空區(qū)的體積明顯高于其他采空區(qū)，體積量超出 10 000 m3）的最大底鼓量超出5 cm，最大值達(dá)到5.59 cm，依據(jù)容許極限位移量判據(jù)，采空區(qū)存在潛在穩(wěn)定性問(wèn)題（見(jiàn)圖4和表1）。

表1 L27號(hào)礦脈所有空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖4 L27號(hào)脈開(kāi)挖后礦柱豎向位移

1.3 礦柱塑性破壞分析

從礦脈塑性區(qū)分布來(lái)看，采空區(qū)頂?shù)字烷g柱塑性破壞程度較輕，未顯現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，但存在局部的片幫和冒頂現(xiàn)象，且片幫和冒頂程度隨采空區(qū)體積、距離地表深度增大和距離礦脈中部距離減少而逐步加劇（見(jiàn)圖5和表1）。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，L27號(hào)礦脈934 m水平頂?shù)组g柱多未塌方，同時(shí)沿脈巷道完好、未進(jìn)行任何支護(hù)，而數(shù)值分析結(jié)果中934 m采空區(qū)頂柱、間柱以及沿脈巷所在的底柱塑性破壞程度均相對(duì)比較輕微，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際比較相吻合。

圖5 L27號(hào)脈開(kāi)挖后礦柱塑性區(qū)分布

2 采空區(qū)上下盤(pán)圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 采空區(qū)上下盤(pán)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，934～1054 m各中段采場(chǎng)回采后，在原巖內(nèi)部形成臨空面，采空區(qū)周邊巖體向其內(nèi)部方向產(chǎn)生變形，頂?shù)装寮吧舷卤P(pán)形成明顯的應(yīng)力釋放區(qū)域，兩側(cè)間柱內(nèi)部則發(fā)生不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集聚程度因采空區(qū)體積、所處中段位置、距離礦脈中部遠(yuǎn)近以及間柱自身尺寸而存在差異，具體表現(xiàn)為間柱周邊采空區(qū)體積越大、距離地表越遠(yuǎn)，距離礦脈中部越近、自身尺寸越小，應(yīng)力集聚程度更為劇烈。L27號(hào)脈各中段采場(chǎng)開(kāi)挖后各中段采空區(qū)上下盤(pán)圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性區(qū)的分布情況如圖6所示，所有空區(qū)的穩(wěn)定性分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 L27號(hào)礦脈所有空區(qū)上下盤(pán)穩(wěn)定性分析

圖6 L27號(hào)礦脈上下盤(pán)圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)分布（934 m中段）

2.2 采空區(qū)上下盤(pán)穩(wěn)定性分析

從模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，L27號(hào)礦脈各中段采場(chǎng)回采后，由于礦房回采造成礦脈上下盤(pán)形成臨空面，水平應(yīng)力導(dǎo)致上下盤(pán)巖體往采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生變形，L27號(hào)礦脈下盤(pán)巖體變形程度較上盤(pán)劇烈，進(jìn)而在部分采空區(qū)下盤(pán)巖體內(nèi)部形成拉應(yīng)力區(qū)域，如C30007、C20007，有小范圍區(qū)域的拉應(yīng)力極值超過(guò)圍巖的張拉屈服強(qiáng)度，容易造成下盤(pán)圍巖產(chǎn)生小范圍的拉伸破壞。

采場(chǎng)礦體開(kāi)挖后，周邊上下盤(pán)圍巖因受擾動(dòng)影響而發(fā)生巖層移動(dòng)，并以采空區(qū)為中心向四周呈“弧狀”擴(kuò)展，移動(dòng)程度逐步減弱。從變形數(shù)值上看，各個(gè)采空區(qū)上下盤(pán)圍巖的水平位移量相對(duì)較小，最大值不超過(guò) 4.23 cm，因而從變形角度看，該礦脈采空區(qū)上下盤(pán)圍巖整體穩(wěn)固性好。在計(jì)算過(guò)程中，最大不平衡力的整個(gè)平衡過(guò)程比較平緩，無(wú)明顯突變，所有空區(qū)頂?shù)装宓拇怪蔽灰屏靠刂圃?0 cm以?xún)?nèi)，說(shuō)明采空區(qū)不會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的破壞。

L27號(hào)礦脈各中段采場(chǎng)回采作業(yè)導(dǎo)致周邊上下盤(pán)圍巖發(fā)生不同程度的松動(dòng)破壞，塑性破壞程度同樣受采空區(qū)體積、所處中段位置、是否存在臨近礦脈采空區(qū)等因素影響。974 m水平C20007采空區(qū)受下盤(pán)鄰近礦脈 L27-5采場(chǎng)回采擾動(dòng)影響，與C20008采空區(qū)發(fā)生了塑性貫通，因而穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生塌方。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料顯示，934 m水平大部分采空區(qū)上下盤(pán)保持穩(wěn)定，未發(fā)生塌方等失穩(wěn)現(xiàn)象，與數(shù)值分析結(jié)果比較一致。由于L27號(hào)礦脈礦體圍巖節(jié)理裂隙不太發(fā)育，整體穩(wěn)固性好，因而采場(chǎng)開(kāi)挖后采空區(qū)上下盤(pán)的塑性破壞程度較輕，不易發(fā)生塌方等災(zāi)害。

3 結(jié)論

（1）從 L27脈礦柱應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布情況來(lái)看，采場(chǎng)間柱和頂?shù)字鶠橹饕獞?yīng)力集中區(qū)，礦柱整體上穩(wěn)定，在C20006、C10007、C10008采空區(qū)周?chē)V柱應(yīng)力最大值達(dá)到23.19 MPa，超過(guò)巖體的抗壓強(qiáng)度，最大底鼓量也超過(guò)了5 cm，發(fā)生剪切變形和塑性破壞，存在潛在的穩(wěn)定性問(wèn)題。另外，C30006頂柱巖體形成小范圍的拉應(yīng)力顯現(xiàn)區(qū)域，其余均未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域。頂?shù)字烷g柱塑性破壞程度較輕，未顯現(xiàn)明顯的塑性貫通區(qū)，但存在局部的片幫和冒頂現(xiàn)象。

（2）在計(jì)算過(guò)程中，最大不平衡力的整個(gè)平衡過(guò)程比較平緩，無(wú)明顯的突變，L27號(hào)礦脈所有采空區(qū)頂?shù)装宓拇怪蔽灰屏靠刂圃?0 cm以?xún)?nèi)，說(shuō)明采空區(qū)不會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的破壞。采空區(qū)下盤(pán)巖體變形程度較上盤(pán)劇烈，在C30007、C20007部分采空區(qū)下盤(pán)巖體內(nèi)部形成拉應(yīng)力區(qū)域，容易造成下盤(pán)圍巖產(chǎn)生小范圍的拉伸破壞。974 m水平 C20007采空區(qū)受下盤(pán)鄰近礦脈L27-5采場(chǎng)回采擾動(dòng)影響，與C20008采空區(qū)發(fā)生了塑性貫通，因而穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生塌方。

（4）考慮到巖體質(zhì)量差異性以及鑿巖爆破作業(yè)擾動(dòng)等因素影響，進(jìn)行礦柱回采時(shí)應(yīng)采取一些礦柱應(yīng)力及位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警措施，回采不穩(wěn)定采空區(qū)周?chē)V柱時(shí)要盡量采用遙控設(shè)備，避免人員進(jìn)入采空區(qū)，條件允許時(shí)應(yīng)先充填采空區(qū)，然后在充填體的保護(hù)下進(jìn)行殘礦資源的回采，以確保礦山井下生產(chǎn)安全。