勐糯鉛鋅礦開采圍巖變形特征及應力場演化規(guī)律研究

王曉剛 WANG Xiao-gang；李忠洪LI Zhong-hong；趙興昌ZHAO Xing-chang；劉副強LIU Fu-qiang；岳朝龍YUE Chao-long

（云南永昌鉛鋅股份有限公司，保山678307）

0 引言

勐糯鉛鋅礦為地下開采礦山，主要采用留礦法開采，礦體傾角55°～80°，厚度約0.5～2.5m，礦體延深距地表60～900m，礦體南北走向約10km，根據(jù)礦體賦存條件主要采用淺孔留礦法，礦塊沿走向布置，一般礦塊長25m，高50m，間柱寬6m左右，頂柱高4m左右，底柱高4m左右。礦體頂板巖性主要為層紋灰?guī)r，其次為砂巖、含鈣千枚巖、千枚巖；底板主要為生物碎屑灰?guī)r、含鈣石英千枚巖，其次為層紋灰?guī)r及千枚巖，采場冒落和巷道變形嚴重。因此，本文通過現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究礦體開采過程圍巖變形特征及應力場演化規(guī)律，提出相應的地壓控制措施。

1 勐糯鉛鋅礦地壓顯現(xiàn)特征及影響因素分析

礦體開采過程巖體應力轉(zhuǎn)移和位移變化是引起地壓活動的內(nèi)在因素，地壓活動顯現(xiàn)主要特征有地表開裂塌陷、采空區(qū)頂板垮塌冒落、巷道變形堵塞等，在工程實踐中采礦活動影響巖體穩(wěn)定性的主要因素有：巖體工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、巖石受力特性、采礦方法及開采深度等，勐糯鉛鋅礦開采地壓顯現(xiàn)特征及影響因素如下[1][2][3]。

1.1 地表開裂

勐糯礦區(qū)地表開裂最早發(fā)現(xiàn)在地下開采至740m中段時發(fā)生地表開裂，開裂區(qū)域主要在60#～68#勘探線出現(xiàn)了地表開裂，裂縫寬度30cm左右，裂縫除開裂外主要顯現(xiàn)出東西方向的挫動。在500以下進入深部開采時，通過近兩年來地表監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，并未出現(xiàn)明顯的地表開裂裂縫的擴大現(xiàn)象，地表開裂現(xiàn)狀見圖1，監(jiān)測地表變形值發(fā)現(xiàn)與采深成反比，開采深度對地表沉降的持續(xù)時間有待進一步監(jiān)測。

圖1 地表開裂調(diào)查圖

1.2 采空區(qū)垮塌冒落

礦區(qū)現(xiàn)有采空區(qū)主要分布在250m標高以上，一般單個最大采空區(qū)約3000m3。統(tǒng)計釆空區(qū)總量約為16.8萬m3，大多數(shù)采空區(qū)上盤圍巖自然塌落被充滿，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，圍巖自然塌落無法進入的采空區(qū)總量約為13.4萬m3。而且當采場頂板存在斷層時，巖體穩(wěn)定性較差，其頂板暴露更易冒落。目前約80%采空區(qū)已自然塌落充滿，當采空區(qū)引起地表巖移時，隨回采工作面的延伸及礦脈群疏密程度而有不同表現(xiàn)形式。

1.3 巷道大變形

現(xiàn)有支護形式主要是錨噴網(wǎng)鋼架支護，當巷道掘進地下550m中段以下時，遇到很大支護困難，多次返修，圍巖的大變形特征表現(xiàn)強烈，表現(xiàn)形式如下，具體見圖2：①底臌嚴重：據(jù)測量底臌15天500mm，底膨速度33.3mm/d；②支護錨桿變形嚴重，鋼架壓彎、扭壞，鋼架裝好15天，垂直方向變形約620mm，變形速度41.3mm/d；③炮孔變形嚴重，炮孔打好后80～120min發(fā)生變形，炮孔變成扁圓狀；④巷道巖體塑性大變形，水平應力作用下巷道從兩幫臌出。

圖2 巷道支護變形破壞

巷道圍巖表現(xiàn)出低強度強膨脹特性，巖層頂板為砂巖、千糜巖，具有強膨脹屬性，在高應力作用下，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯動，擴容等塑性大變形，巷道結(jié)露的頂板地質(zhì)情況如圖3，巷道側(cè)幫地質(zhì)情況如圖4。節(jié)理走向與礦體走向和巷道布置方向一致，當巖體受到水平構(gòu)造應力作用時，巖體臨空面水平方向位移明顯增大，巷道變形主要原因是巖體條件和地質(zhì)構(gòu)造。

圖3 巷道頂部巖層走向

圖4 巷道側(cè)幫巖層走向

2 變形特征及應力場演化規(guī)律研究

2.1 問題的提出及解決方案

對于大范圍開采巖體變形和應力場規(guī)律研究，目前主要采用數(shù)值模擬方法研究，因此，本文通過建立三維數(shù)值分析模型，模擬在實際采礦工藝過程中圍巖變形、受力狀態(tài)以及后期擾動蠕變圍巖變形情況。具體研究需要解決如下問題及相應解決方案[4][5]。

2.1.1 采空區(qū)形成過程對礦區(qū)地壓活動影響研究通過建立三維采空區(qū)實測模型，根據(jù)實際開采順序模擬分析，首先模擬現(xiàn)狀條件下地壓活動影響，再根據(jù)現(xiàn)有采礦工藝及開采順序，模擬后續(xù)開采對地壓的活動影響，研究每個采空區(qū)穩(wěn)定性情況以及采空區(qū)間相互影響關系。

2.1.2 控制地表開裂并提出現(xiàn)有裂縫治理措施 通過模擬礦體開采過程，分析地表開裂的主要因素及開裂時間，分析不同開采階段對地表的變形和應力場影響，為研究地表裂縫控制及治理措施提供重要基礎。

2.1.3 避免開采對巷道擾動，減少巷道返修次數(shù) 通過模擬礦體開采全過程對巷道分析其受力方向和大小，將其結(jié)果與實際調(diào)查結(jié)果進行對比驗證，最終確定所有井巷受力三維模型，為支護設計提供重要基礎。

2.1.4 地壓措施控制措施研究 通過前述研究成果及采空區(qū)穩(wěn)定性論證結(jié)果，確定頂?shù)字烷g柱安全合理回采順序，制定的礦體回收方案及相應的安全技術(shù)措施。

2.2 計算力學模型及巖石力學參數(shù)

2.2.1 計算力學模型的建立 本文數(shù)值模擬計算范圍較大，對礦體與巷道模型精度要求更好，因此，通過井上下對照圖和各中段地質(zhì)平面圖等實測圖紙，采用SURPAC軟件建立礦體、地表、巷道實體模型，然后建立細分單元的塊體模型，最后導入FLAC3D形成力學計算模型如圖5[6]。

圖5 計算模型

2.2.2 巖體力學參數(shù)確定 巖體力學參數(shù)是依據(jù)巖石力學參數(shù)特性測試結(jié)果，并考慮了巖體的結(jié)構(gòu)效應、地下水、節(jié)理裂隙等因素，對巖石力學參數(shù)按照Bieniawski的RMR巖體質(zhì)量分類法修正，分別取灰?guī)r、砂巖GSI=55、72。根據(jù)Hoek-Brown強度準則，利用Roclab1.0軟件進行計算力學參數(shù)見表1所示。

表1 巖體力學參數(shù)

2.2.3 初始應力場模擬 初始應力場模擬主要考慮重力場，在FLAC3D計算模型中輸入表1中巖體力學參數(shù)，模擬初始應力場結(jié)果如圖6。

圖6 初始應力云圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

計算模型中建立了地表至深部200m中段巷道和礦體模型，模擬礦體實際開采順序從上至下，中段內(nèi)先模擬巷道開挖，后模擬礦體開采及礦柱回采，模擬最終至200中段回采結(jié)束，回采后礦體內(nèi)圍巖僅留沿脈巷道。模擬計算結(jié)束后巷道位移圖、最大主應力圖、最小主應力圖、塑性區(qū)圖分別如圖7～圖10。

圖7 位移

圖10 塑性區(qū)

通過對模擬結(jié)果位移與應力云圖分析，地表變形開裂主要原因為600～860中段開采過程采空區(qū)頂板及上盤圍巖冒落疊加效應導致的地表不均勻沉降，其次南北方向上下盤水平位移是地表水平方向挫動變形的影響因素。通過各中段水平最大位移數(shù)據(jù)做位移趨勢如圖11，從圖中可以看出，巖體變形特征主要體現(xiàn)在采場頂板和巷道頂部沉降位移，其次是東西方向圍巖水平位移，垂直方向沉降位移是東西水平方向位移的2～3倍，沿礦體走向南北方向巖體水平位移相對很小。500～550m中段區(qū)域巖體是上下部圍巖變形的分界區(qū)域，上下盤圍巖位移和頂板沉降位移在550以下中段逐漸變大。數(shù)據(jù)分析最大300m中段至450m中段處于上下盤位移最大區(qū)域，巷道主要變形發(fā)生在350～550中段巷道側(cè)幫和底部圍巖，其最大主應力1.5MPa左右，壓應力釋放并出現(xiàn)拉應力產(chǎn)生拉剪破壞[7]。

圖8 最大主應力

圖9 最小主應力

圖11 各中段最大位移趨勢圖

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析與數(shù)值模擬等方法，研究勐糯鉛鋅礦開采變形特征及應力場演化規(guī)律，并提出相應地壓控制措施[8]。

①勐糯鉛鋅礦區(qū)巖體變形特征主要體現(xiàn)在采場頂板和巷道頂部沉降位移，其次是東西方向圍巖水平位移，垂直方向沉降位移是東西水平方向位移的2～3倍，沿礦體走向南北方向巖體水平位移相對很小；500～550m中段是上下部圍巖變形的分界區(qū)域，上下盤圍巖位移和頂板沉降位移在550以下中段逐漸變大。860～600中段開采過程是地表裂縫形成主要影響因素。②為控制礦體整體地壓活動，在確保系統(tǒng)通風的條件下，采用高強度充填550中段巷道及采空區(qū)，形成上下區(qū)域50～100m隔離帶，可隔離深部采動對淺部巖體的影響。③在局部地壓控制方面，由于地質(zhì)構(gòu)造影響，實際巖體移動范圍更大或地壓顯現(xiàn)更劇烈。因此，在變形更大和應力集中區(qū)域需要設計提前預留一定的采場內(nèi)間柱，留一定厚度礦體做護頂層，同時須采場內(nèi)錨桿支護和嗣后充填等方法控制采場局部地壓活動。④巷道變形控制方面，由于目前巷道沿脈布置，變形很大，蠕變效應明顯，多次返修無果，因此，在目前巷道的東邊15m外掘進與之平行巷道，作為主運輸巷道，采場兩側(cè)50米布置穿脈巷道，大幅度減小采動對運輸巷的擾動，對現(xiàn)采礦巷道后退式充填，更好控制采場附近的地壓活動。