某礦井下開采地壓分布規律研究

王輝林，李艷剛，馬鴻錄，黃生福，歐任澤

(1.西部礦業股份有限公司， 青海 西寧 810000；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

工程采動必將影響到圍巖體及地表的變形，造成地壓分布的改變，在開采活動過程中，地壓不斷循環“轉移—重分布”演化過程[1-3]。采場地壓不同于隧道、水電、鐵路等地下工程開挖后產生的地壓現象，采場地壓具有顯現劇烈，波及范圍大，活動規律難于認識等突出特點。礦山生產過程中，由于井下開采范圍不斷擴大，開采空間形態極其復雜，隨著開采工作的進行，空區規模和形態又不斷變化，巖體受到多次重復擾動，原巖應力重分布，部分區域應力集中，呈現出極其復雜的受力狀態[4]。采場地壓活動從顯現區域和影響范圍上一般可分為大面積地壓活動和局部地壓活動兩種。大面積地壓活動發生時，影響區域和危害性極大，可以影響礦區大部分區域或整個礦區，甚至波及地表，嚴重破壞生產系統。局部地壓活動影響范圍小，可能是個別采場或幾個采場，也可能是巷道的某一地段，多發生在應力集中區域、礦體轉折區段、未處理的采空區及空區周邊小區域[5-8]。

由某礦山地質情況可知，礦區內存在斷裂構造，且存在滑移，表明礦山存在構造應力作用。因此，礦山的地應力由自重應力場與構造應力場耦合形成。礦山目前未開展地應力測量工作，具體的地應力方向與大小尚不明確。為了解礦山地壓的分布情況，本文采用數值模擬方法進行研究，為了使數值模擬結果貼近實際情況，采用數值反演的方法來開展數值模擬。

1 工程概況

1.1 井下開采現狀

井下開采為平硐-斜坡道-溜井開拓，開采對象為4～23線1884 m水平以上1號礦體的I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦段，以 11線為界劃分為東西兩個采區。中段高度為 60 m，具體劃分為 2124，2064，2004，1944，1884 m共5個中段，西部采用底柱分段崩落法開采，東部采用充填法開采。

（1）西部開采現狀。西部主要采礦地點在2004，1992 m 及 1980 m 三個水平，以 2004 m與1992 m為主要采礦水平。1980 m水平為底部結構，底部結構工程已基本施工完畢，準備施工切割槽；1968 m水平、1956 m水平脈外巷、穿脈基本施工完成，尚未施工鑿巖巷；1944 m水平17～19線采用充填法回采了部分高品位礦石；1932 m水平脈外巷及穿脈施工結束，17～19線施工了部分鑿巖巷；1920 m水平正在施工脈外巷及穿脈，1920 m水平以下西部無工程。

（2）東部開采現狀。東部主要開采中段為1884，1944 m 及 2004 m 三個中段。1884 m 中段目前有 1896 m 水平 3～5線Ⅱ礦體、1920 m 水平 3～7線3#進路及1932 m水平7～9線7-1#穿脈、7-2#穿脈、5-7線+1#、+2#，1～0線Ⅱ礦體未回采，其余礦體基本回采結束。1944 m中段目前有1944 m水平3～5線1#進路至0～5線新沿脈之間的Ⅲ礦體、0～2線Ⅱ礦體、1956 m水平、1968 m水平的穿脈礦柱、1980 m水平3～5線2#礦體及1992 m水平的5～7線Ⅲ部分礦體未回采，其余已全部回采結束。2004 m中段受前期開采、工程布置及民采影響，礦體完整性較差，除2004 m水平7～11線V低品位礦體、2022 m水平7～11線V低品位礦體、1～5線靠近露天邊坡Ⅲ礦體、2034 m水平1～5線Ⅲ、V低品位礦體及2046 m水平1～3線少部分礦體未回采外，其余基本回采結束或無法回采。

1.2 現場地壓情況

根據現場調查及工程地質資料可知，礦體與圍巖原生結構面發育，按照ISRM節理間距的分類方法，礦區白云巖、黑破巖、砂巖和含礦白云巖節理的平均間距均在6～20 cm之間，其發育程度屬于密集。隨著回采活動的進行，采空區逐漸擴大，在采空區頂板及側幫巖體的原生結構面普遍出現張開度增大、結構面相互貫通等情況，對采空區穩定性十分不利。目前在2034 m水平的11～13線，2022 m水平的11～13 線，2004 m 水平的 13～15 線，1992 m水平的9線穿脈，1980 m水平的5線穿脈，1968 m與1956 m水平的5與9線穿脈，1944 m水平的3～5線，1932 m水平的7～9線之間的礦巖體地壓顯現較為明顯。為進一步了解開采后的地壓分布及發展規律，采用FLAC3D數值模擬軟件進行分析研究。

2 地應力數值模擬研究

2.1 建立模型

根據巖體力學參數（見表1）及礦體資料，建立包含礦體、多種巖層與斷層的三維數值分析模型，模擬約定拉應力為正，壓應力為負，設置X、Y邊界及底部邊界速度為 0，模型長 1152.43 m，寬886.88 m，高 395.65～1065.10 m。共 1332239 個單元，521062個節點，模型如圖1、圖2所示，模型中的“byy”代表白云巖，“hp”代表黑破巖，“sy”代表砂巖，“kt”代表含礦白云巖。

表1 巖體力學參數

圖1 計算模型

圖2 礦體模型

2.2 數值模擬計算結果分析

2.2.1 數值模擬驗證

為了解礦體開采過程中地應力轉移與重分布的過程，模擬與實際情況相符合的各個水平礦體開采，最終得到地應力集中的區域，為后期礦體安全開采與巷道支護設計提供依據。

圖3為最大主應力分布云圖及地表變形云圖，由圖3可知，主應力在地表主要沿著F15斷層分布（圖中紅色長條區域）。由于西部井下采用無底柱崩落法開采礦體，導致上覆巖體垮塌崩落，牽引F15斷層西南側的巖體往西部移動，導致露天坑北部邊坡2064臺階在F15斷層處錯臺2.1 m左右。由圖4可知，隨著井下礦體的開采，地表發生變形、垮塌、崩落及上覆巖土體發生滑坡等現象。上述模擬顯現的現象與礦山實際情況相符合，說明數值模擬結果是可靠的，可以依托數值模擬來模擬出此礦山地壓分布的規律。

圖3 礦山最大主應力分布云圖

圖4 礦山地表變形區

2.2.2 地應力模擬分析

據現場調查統計，得出了井下巷道、采場嚴重破碎區域的分布情況，見表2。由于井下礦體的開采，導致地應力發生轉移-重分布的演化過程，在井下最直觀的體現在巷道片幫、冒頂、擠壓變形、采場冒頂、礦柱垮塌等現象。但由于觀察區域有限，不能反應礦山整體的地應力分布情況，故采用數值模擬的手段進行分析。圖5為最大主應力云圖，圖中紅色區域為井下地應力分布區域，此區域包含了表2統計的部分及更大的地應力分布區域范圍，說明地壓顯現區域分布的基本規律可以通過數值模擬獲得。

表2 井下巷道、采場嚴重破碎的區域

圖5 最大主應力云圖

由圖5及表2可知，紅色區域主要受拉應力，其他區域主要受壓應力，礦區中最大拉應力為0.79 MPa，最大壓應力為6～8 MPa。對比巖體的抗拉與抗壓強度可知，白云巖基本不會發生拉壓破壞，而黑破巖、砂巖及含礦白云巖巖體很可能發生拉壓破壞，尤其黑破巖的抗拉壓強度較低，很容易發生破壞，這與井下現場調查的結果相符合。由于黑破巖不能夠像白云巖一樣承受地應力的作用，容易在臨空面發生破碎、垮塌，造成在黑破巖中的巷道很難支護。

由圖5與表2可知，現狀條件下地應力可能會在以下區域顯現：3～5線的1932～2004 m水平、5～9線的1968～2004 m水平及11～15線 2004～2064 m水平。本次模擬針對1992，1980，1968，1956，1944 m及1932 m水平進行地應力模擬分析。

在現狀模擬的基礎上，開展了后期階段礦體開采的井下地應力分布規律研究工作。圖6為 1992水平開采后地應力云圖。由圖6可知：整個模型中在采空區附近產生應力集中現象，淺層圍巖體以承受拉應力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應力破壞為主。應力隨深度的增加而增大，開挖之后的空區附近應力變大；受巖性條件影響，在巖層交接部位，應力的擾動較大。地應力可能會在以下區域顯現：5～9線的1992～2004 m水平、11～15線1992～2064 m水平及17～19線的2034～2064 m水平。

圖6 1992水平開采后地應力云圖

圖7為1992 m水平開采后1980 m水平礦體地應力分布云圖。由圖7可知，淺層的圍巖體以承受拉應力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應力破壞為主。應力隨深度的增加而增大，開挖之后在空區附近的應力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位，應力的擾動較大。地應力可能會在以下區域顯現：5～9線的 1980～2004 m 水平、9～11線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1980～2064 m水平及17～19線的1980～2064 m水平。

圖7 1980水平開采后地應力云圖

圖8為1980 m水平開采后1968 m水平礦體地應力分布云圖，由圖8可知，淺層的圍巖體以承受拉應力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應力破壞為主。應力隨深度的增加而增大，開挖之后在空區附近的應力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位應力的擾動較大。地應力可能會在以下區域顯現：5～9線的1968～2004 m水平、9～11線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1968～2064 m 水平及17～19線的1968～2064 m水平。

圖8 1968水平開采后地應力云圖

圖9為1968 m水平開采后1956 m水平礦體地應力分布云圖。由圖9可知，淺層的圍巖體以承受拉應力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應力破壞為主。應力隨深度的增加而增大，開挖之后在空區附近的應力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位、應力的擾動較大。地應力可能會在以下區域顯現：5～9線的 1956～2004 m 水平、9～11線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1980～2064 m水平、15～17線的1956～2046 m水平及17～19線的 1956～2064 m 水平。

圖9 1956水平開采后地應力云圖

圖10為1956 m水平開采后開展的1944 m水平礦體地應力分布云圖。由圖10可知：淺層的圍巖體以承受拉應力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應力破壞為主。應力隨深度的增加而增大，開挖之后采在空區附近的應力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位，應力的擾動較大。地應力可能會在以下區域顯現：5～9線的1956～2004 m水平、9～11線的1980～2004 m水平、11～15線1980～2064 m 水平、15～17 線的 1956～2046 m 水平及17～19線的1956～2064 m水平。

圖10 1944水平開采后地應力云圖

圖11為1944 m水平開采后1932 m水平礦體地應力分布云圖。由圖11可知：淺層的圍巖體以承受拉應力為主，尤其在斷層F15附近的巖體以受拉應力破壞為主。應力隨深度的增加而增大，開挖之后在空區附近的應力變大。受巖性條件影響，在巖層交接部位，應力的擾動較大。地應力可能會在以下區域顯現：5～9線的1932～2004 m水平、9～11 線的 1980～2004 m 水平、11～15 線 1980～2064 m水平、15～17線的1932～2046 m水平及17～19線的1932～2064 m水平。

圖11 1932水平開采后地應力云圖

根據上述各水平開采后的地應力分布分析，礦山在開采過程中應采取以下地壓控制措施：嚴格按照采礦設計進行開采；合理布置巷道及采場；選擇合理的回采順序；減少爆破振動效應；合理規劃采礦周期；加強對地壓活動的監測；加強采空區治理；加強現場管理工作。

3 結論

（1）數值模擬顯示主應力在地表主要沿著F15斷層分布，隨著井下礦體的開采，地表發生變形、垮塌、崩落及上覆巖土體滑坡等現象，與礦山實際情況一致，說明模擬結果是可靠的。

（2）數值模擬顯示礦區中最大拉應力為 0.79 MPa，最大壓應力為6～8 MPa，說明白云巖基本不會發生拉壓破壞，而黑破巖、砂巖及含礦白云巖巖體很可能發生拉壓破壞，尤其黑破巖的抗拉壓強度較低，很容易發生破壞，容易在臨空面發生破碎、垮塌，造成在黑破巖中的巷道支護困難。

（3）具體分析了各水平開挖后的地應力顯現區域，在上水平開采后應嚴格進行地壓控制，建議后期礦山開展地應力測量，完善地應力分布規律的研究工作。