思山嶺鐵礦地應(yīng)力分布規(guī)律與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

閆廣亮 李 真 張芫濤 林衛(wèi)星 張鳳鵬

(1.本溪龍新礦業(yè)有限公司,遼寧 本溪 117013;2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819;3.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;4.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012)

地應(yīng)力即賦存在巖體中的內(nèi)在應(yīng)力,可分為覆蓋巖體引起的重力應(yīng)力和構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力,是引起深部巖石工程開挖后失穩(wěn)的直接原因[1],深埋礦山采礦設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮地應(yīng)力對巖體穩(wěn)定性的影響。隨著巖體埋深的增加,地應(yīng)力近線性增大,研究結(jié)果顯示應(yīng)力梯度約在0.015～0.040 MPa/m之間[2-3]。由于板塊運(yùn)動等因素影響,地應(yīng)力分布規(guī)律變得更加復(fù)雜,最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的大小與方向,以及三者之間的比值關(guān)系變得更為復(fù)雜。一般淺部巖體垂直應(yīng)力為第一主應(yīng)力,深埋巖體通常水平主應(yīng)力會超過垂直應(yīng)力成為第一主應(yīng)力[4]。

隨著地應(yīng)力逐漸增大,巖爆、冒頂片幫、工程結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)等問題逐漸突出,高地應(yīng)力引起的工程停工、生命財(cái)產(chǎn)損傷等安全事故頻發(fā)[5-6]。在深部采礦工程中,采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序、巖體爆破、巷道支護(hù)等應(yīng)著重考慮地應(yīng)力的影響[7-9]。特別是在深部大規(guī)模采礦工程中,地應(yīng)力準(zhǔn)確測量及其分布規(guī)律分析是開展工程地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定性評價,實(shí)現(xiàn)采場設(shè)計(jì)、巖體支護(hù)等決策科學(xué)化的前提[10]。

地應(yīng)力測量可以分為直接測量法和間接測量法,對于非揭露區(qū)域地應(yīng)力測量主要采用水壓致裂法、非彈性恢復(fù)法(ASR法)和聲發(fā)射法。水壓致裂法具有基本理論完善、測試方法簡單、可以不用知道巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、巖壁受力范圍較廣等特點(diǎn),是國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)和國內(nèi)推薦的地應(yīng)力測量方法之一[11-12],劉泉聲等[13]利用水壓致裂法測量了深埋礦山地應(yīng)力分布規(guī)律,為礦山生產(chǎn)建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支撐。美國首先提出了水壓致裂法地應(yīng)力測試方法,并應(yīng)用于油氣田地應(yīng)力測量[14],后來Haimson B C等對該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化[15]。水壓致裂法測量地應(yīng)力,在我國最早是在地震系統(tǒng)開始的,20世紀(jì)70年代末地殼應(yīng)力研究所首先進(jìn)行了研究和實(shí)地測試,此后石油和水電系統(tǒng)也相繼采用了這種方法[16],目前在采礦等眾多深部巖石工程中得到應(yīng)用。

思山嶺鐵礦是國內(nèi)超深超大規(guī)模單體鐵礦,其特征是采深超1 500 m,產(chǎn)能超1 500萬t/a,開采范圍高度集中。超深超大規(guī)模集中開采面臨的首要難題是高地應(yīng)力對巖體穩(wěn)定性的影響,相對于深部薄礦體開采,高應(yīng)力引起的巖爆、冒頂片幫、巷道變形等問題更為突出,給思山嶺鐵礦的安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。為給思山嶺鐵礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、回采順序優(yōu)化、巖體穩(wěn)定性評價等提供依據(jù),采用水壓致裂法分別測量思山嶺鐵礦圍巖與礦體的地應(yīng)力,分析思山嶺鐵礦圍巖與礦體的地應(yīng)力分布規(guī)律,以及圍巖與礦體的地應(yīng)力分布差異。基于地應(yīng)力分布規(guī)律與巖體層理特征,在考慮產(chǎn)能基礎(chǔ)上對思山嶺鐵礦現(xiàn)有采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證,最后提出了考慮地應(yīng)力與巖體層理影響的深埋大規(guī)模集中礦體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。本研究為思山嶺鐵礦的采礦設(shè)計(jì)優(yōu)化、巖體穩(wěn)定性評價等提供依據(jù),同時為國內(nèi)外超深超大規(guī)模集中開采礦山生產(chǎn)建設(shè)提供參考。

1 地應(yīng)力測量

1.1 工程概況

思山嶺鐵礦是典型的超深超大規(guī)模高度集中開采礦山,礦體東西長1 500 m,南北平均寬960 m,礦體埋深404～1 934 m,圖1是礦體控制圖。

圖1 礦體與開拓系統(tǒng)Fig.1 Ore body and development system

思山嶺鐵礦礦區(qū)褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育,褶皺構(gòu)造以北西向?yàn)橹?而且主要發(fā)育在基底地層中,賦存著名的“鞍山式”沉積變質(zhì)型鐵礦。圍巖以花崗巖為主,巖體致密,完整性好,巖石力學(xué)強(qiáng)度高。思山嶺鐵礦首采-1 020 m水平為磁鐵礦石,礦體呈多層狀、厚層狀、大透鏡狀產(chǎn)出。礦體強(qiáng)度受層理控制,垂直層理方向抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低,平行層理方向抗壓強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度高。

1.2 測點(diǎn)布置

盡管思山嶺鐵礦采區(qū)范圍較小,但是由于成礦與構(gòu)造等因素,巖體與礦體力學(xué)性質(zhì)差異較大。為明確思山嶺鐵礦圍巖與礦體地應(yīng)力分布規(guī)律,分別在主井廠區(qū)(圍巖)與措施井廠區(qū)(礦體)布設(shè)鉆孔,測量圍巖與礦體的地應(yīng)力,測點(diǎn)編號分別為WY1和KT1,測點(diǎn)海拔約225 m,如圖2所示。

圖2 圍巖與礦體測量孔布置Fig.2 Borehole location of surrounding rock and ore body

1.3 測量方法與原理

本次地應(yīng)力測量采用水壓致裂法,水壓致裂法是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ),并假設(shè)巖石為線彈性且各項(xiàng)同性材料、地層中其中一個主應(yīng)力與鉆孔方向平行。如圖3所示,在豎直鉆孔內(nèi)封隔一段,向其中注入高壓水,壓力達(dá)到最大值Pb后巖壁破裂壓力下降,最終保持恒定以維持裂隙張開。關(guān)閉注液泵,壓力因液體流失而迅速下降,裂隙閉合,壓力降低變緩,其臨界值為瞬時關(guān)閉壓力PS,P0為孔隙水壓力。裂隙完全卸壓后再重新注液,得到裂隙的重張壓力Pr以及瞬時關(guān)閉壓力PS,最后通過印模器或鉆孔攝像紀(jì)錄裂縫的方向[17-18]。

圖3 水壓致裂法測試地應(yīng)力示意Fig.3 Schematic of in-situ stress test by hydraulic fracturing method

假設(shè)原巖應(yīng)力有1個主應(yīng)力σV沿豎直方向,另外2個主應(yīng)力σH、σh是水平方向,依據(jù)彈性理論,孔內(nèi)作用徑向壓力孔壁應(yīng)力P(壓應(yīng)力為正)時:

式中,σθ、σp分別為孔壁切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力。

式(1)中的最小值達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度T時,同時考慮孔隙水壓力P0,達(dá)到破裂壓力時:

孔壁發(fā)生破壞,產(chǎn)生張開裂隙,破裂方向即為最大主應(yīng)力σH方向。

孔壁破裂后,若繼續(xù)注液增壓,裂縫將向縱深處擴(kuò)展。若馬上停止注液增壓,并保持壓裂回路密閉,裂縫將停止延伸。由于地應(yīng)力場的作用,裂縫將迅速趨于閉合。通常把裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時的平衡壓力稱為瞬時關(guān)閉壓力PS,它等于垂直裂縫面的最小水平主應(yīng)力,即:

再次對封隔段增壓,使裂縫重新張開時,即可得到裂縫重新張開的壓力Pr。由于此時的巖石已經(jīng)破裂,抗拉強(qiáng)度T=0,這時式(3)改寫成:

因此只要從圖3的壓力曲線上讀出測量過程中觀測裂紋的開裂壓力Pb、重啟壓力Pr、閉合壓力PS和孔隙水壓力P0,就可以確定水平主應(yīng)力大小和巖體抗拉強(qiáng)度。

垂直主應(yīng)力按上覆巖體自重計(jì),即:

式中,ρ為上覆巖體容重,本文中圍巖與礦體均取2.6×106kg/m3;g為重力加速度;H為埋深,m。

2 地應(yīng)力測量結(jié)果與分析

2.1 圍巖與礦體地應(yīng)力測量結(jié)果

圍巖地應(yīng)力測量孔WY1共布置20個測點(diǎn),最大測量深度1 484.42 m,在埋深798.14 m、1 484.42 m處進(jìn)行印模測量圍巖水平最大主應(yīng)力方向,表1是地應(yīng)力測量孔WY1的測量結(jié)果。

表1 圍巖地應(yīng)力測量結(jié)果Table 1 Ground stress measurement results of surrounding rock

礦體地應(yīng)力測量孔KT1共布置17個測點(diǎn),最大測量深度1 188.01 m,在埋深589.75 m、951.23 m處進(jìn)行印模測量礦體水平最大主應(yīng)力方向,表2是地應(yīng)力測量孔KT1的測量結(jié)果。

表2 礦體地應(yīng)力測量結(jié)果Table 2 Measurement results of ground stress of ore body

2.2 地應(yīng)力隨深度變化規(guī)律

圖4為圍巖地應(yīng)力隨深度的變化趨勢,地應(yīng)力隨深度的增大逐漸增大,在最大測量深度1 484.42 m處,水平最大主應(yīng)力為60.48 MPa,水平最小主應(yīng)力為42.13 MPa,垂直應(yīng)力為37.80 MPa。圍巖水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力,垂直應(yīng)力σV為最小主應(yīng)力,即σH>σh>σV,為逆斷層應(yīng)力狀態(tài),表明該區(qū)應(yīng)力場受到較大水平構(gòu)造應(yīng)力的擾動。在埋深798.14 m、1 484.42 m處進(jìn)行印模定向,測得方向?yàn)镹E52.4°與NE73.8°,平均水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼EE向,與鞍本地區(qū)應(yīng)力場方向基本一致[19]。

圖4 圍巖地應(yīng)力隨埋深的變化趨勢Fig.4 Change trend of in-situ stress of surrounding rock with burial depth

將圍巖區(qū)域20個測點(diǎn)所測得的水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力進(jìn)行線性回歸,得到回歸方程如式(7)與式(8)所示,圍巖水平主應(yīng)力σH和σh的應(yīng)力變化梯度分別為0.039 MPa/m和0.028 MPa/m。

圖5為礦體地應(yīng)力隨深度的變化趨勢。與圍巖地應(yīng)力變化趨勢類似,礦體地應(yīng)力隨深度增大逐漸增大,在最大測量深度1 188.01 m處,水平最大主應(yīng)力為42.05 MPa,水平最小主應(yīng)力為31.85 MPa,垂直應(yīng)力為30.25 MPa。測點(diǎn)部位水平主應(yīng)力始終大于垂直應(yīng)力,垂直應(yīng)力σV為最小主應(yīng)力,即σH>σh>σV,同樣為逆斷層應(yīng)力狀態(tài),礦體受到較大水平構(gòu)造應(yīng)力擾動。在埋深589.75 m、951.23 m處進(jìn)行印模定向,測得方向?yàn)镹E68.5°與NE76.6°,平均水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼EE向,與圍巖應(yīng)力方向相比發(fā)生一定程度的變化。

圖5 礦體地應(yīng)力隨埋深的變化趨勢Fig.5 Change trend of in-situ stress of ore body with burial depth

將礦體區(qū)域17個測點(diǎn)所測得的水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力進(jìn)行線性回歸,得到回歸方程如式(9)與式(10)所示,礦體水平主應(yīng)力σH和σh的應(yīng)力變化梯度分別為0.037 MPa/m和0.027 MPa/m。

2.3 應(yīng)力系數(shù)隨深度變化規(guī)律

應(yīng)力系數(shù)(σH/σV、σh/σV、σH/σh)反映工程所處的地應(yīng)力環(huán)境,其中σH/σV與σh/σV為側(cè)應(yīng)力系數(shù),反映水平向應(yīng)力作用相對于自重應(yīng)力作用的強(qiáng)度;σH/σh為水平應(yīng)力系數(shù),可以用來反映水平差應(yīng)力作用強(qiáng)度。圖6展示了思山嶺鐵礦圍巖σH/σV、σh/σV、σH/σh隨深度的變化趨勢。

圖6 圍巖應(yīng)力系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律Fig.6 Variation law of stress coefficient of surrounding rock with burial depth

根據(jù)圖6,水平最大主應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σV的比值在1.31～2.87之間,埋深達(dá)1 000 m以深時比值穩(wěn)定在1.58左右。水平最小主應(yīng)力σh與垂直應(yīng)力σV的比值在0.96～1.62之間,當(dāng)埋深達(dá)1 000 m以深時比值穩(wěn)定在1.13左右。水平最大主應(yīng)力σH與水平最小主應(yīng)力σh的比值在1.19～2.56之間,當(dāng)埋深達(dá)1 000 m以深時比值穩(wěn)定在1.39左右。測孔水平地應(yīng)力值與垂直應(yīng)力值之比較高,反映思山嶺鐵礦圍巖應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的特點(diǎn)。需要注意的是,水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力三者之間的差異性較大,反映出該區(qū)域處于強(qiáng)各向異性應(yīng)力場狀態(tài),巖體易受擠壓作用發(fā)生變形破壞。

根據(jù)地應(yīng)力測量現(xiàn)場條件,在同一區(qū)域應(yīng)力背景下,地應(yīng)力大小明顯受巖石完整程度、斷裂構(gòu)造的影響而差異較大。同一孔內(nèi),在較完整孔段,地應(yīng)力值較高,節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖石破碎孔段地應(yīng)力值偏低。在埋深800 m處地應(yīng)力發(fā)生畸變,在此深度需要重點(diǎn)關(guān)注圍巖質(zhì)量與地應(yīng)力突變。

圍巖水平最大主應(yīng)力σH與水平最小主應(yīng)力σh的差值代表了圍巖的剪應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)式(7)與式(8),在主井井底埋深1 505 m處,水平應(yīng)力差達(dá)16.56 MPa。圍巖隨著深度的增加剪應(yīng)力逐漸增大,致使圍巖受剪切強(qiáng)度影響增加,地應(yīng)力作用特征變得復(fù)雜,對地下工程穩(wěn)定性較為不利。圖7為思山嶺鐵礦礦體σH/σV、σh/σV、σH/σh隨深度的變化趨勢。

圖7 礦體應(yīng)力系數(shù)隨埋深的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of stress coefficient of ore body with burial depth

根據(jù)圖7,水平最大主應(yīng)力σH與垂直應(yīng)力σV的比值在1.32～1.65之間,當(dāng)埋深達(dá)1 000 m以深時比值穩(wěn)定在1.46左右。水平最小主應(yīng)力σh與垂直應(yīng)力σV的比值在1.00～1.23之間,當(dāng)埋深達(dá)1 000 m以深時比值穩(wěn)定在1.06左右。水平最大主應(yīng)力σH與水平最小主應(yīng)力σh的比值在1.25～1.60之間,當(dāng)埋深達(dá)1 000 m以深時比值穩(wěn)定在1.37左右。思山嶺鐵礦礦體應(yīng)力場同樣以水平應(yīng)力為主導(dǎo),反映工程區(qū)深部原巖應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)的特點(diǎn)。需要注意的是,水平最大主應(yīng)力明顯大于水平最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力,而水平最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力差異性較小。根據(jù)式(9)與式(10),在首采-1 020 m水平,礦體水平應(yīng)力差達(dá)12.55 MPa,剪應(yīng)力較大。

2.4 圍巖與礦體地應(yīng)力差異

盡管思山嶺鐵礦礦體分布集中,但是由于圍巖與礦體性質(zhì)等因素的差異,在相同深度條件下,圍巖應(yīng)力場與礦體應(yīng)力場表現(xiàn)出一定的差異性,主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)在相同深度條件下,圍巖水平應(yīng)力場高于礦體水平應(yīng)力場。根據(jù)式(7)～式(10),圖8展示了圍巖與礦體水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力之間的比值。隨著深度增加,圍巖與礦體水平主應(yīng)力的比值逐漸減小。當(dāng)埋深達(dá)到1 000 m以深時,圍巖與礦體的水平最大主應(yīng)力比值穩(wěn)定在1.07,水平最小主應(yīng)力比值穩(wěn)定在1.06。

圖8 圍巖與礦體水平主應(yīng)力比Fig.8 Ratio of horizontal principal stress of surrounding rock and ore body

(2)圍巖與礦體應(yīng)力場均以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,但是圍巖水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力、垂直應(yīng)力的三者之間的差異較大,當(dāng)埋深超1 000 m時,σH∶σh∶σV約為1.58∶1.13∶1;礦體水平最大主應(yīng)力明顯大于水平最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力,水平最小主應(yīng)力與垂直應(yīng)力較接近,σH∶σh∶σV約為1.46∶1.06∶1。

3 基于地應(yīng)力與礦體層理的采場優(yōu)化

3.1 礦體特征與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

思山嶺鐵礦具有2個特點(diǎn),一是高地應(yīng)力,二是礦體呈層狀產(chǎn)出,如圖9所示。思山嶺鐵礦礦體層理走向近垂直水平最大主應(yīng)力方向,與水平最小主應(yīng)力方向近平行,傾角近90°。在高地應(yīng)力作用下,礦體呈薄片狀破壞。垂直層理與平行層理方向礦體強(qiáng)度差異較大,垂直層理方向單軸抗壓強(qiáng)為73.6 MPa,平行層理方向單軸抗壓強(qiáng)度為29.2 MPa,垂直層理方向礦石抗壓強(qiáng)度是平行層理方向抗壓強(qiáng)度的2.5倍。

如圖10所示,思山嶺鐵礦現(xiàn)采場參數(shù)為40 m×40 m×60 m(長×寬×高),采場在水平方向?yàn)檎叫?以下簡稱方形采場)。根據(jù)當(dāng)前采場設(shè)計(jì),思山嶺鐵礦礦房跨度較大,同時方形采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)沒有考慮地應(yīng)力與礦體層理的影響,面臨采場開挖后應(yīng)力、變形分布不均勻而失穩(wěn)等問題。

圖10 開拓系統(tǒng)與采場結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.10 Development system and stope structural parameters

3.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)思山嶺鐵礦地應(yīng)力與礦體層理特征,同時綜合考慮產(chǎn)能需求等因素,通過分析將原有方形采場優(yōu)化調(diào)整為長條形采場,采場長寬由40 m×40 m(方形采場)調(diào)整為80 m×20 m(長條形采場),采場高度保持不變,如圖11所示。優(yōu)化后的采場長軸垂直于層理、平行水平最大主應(yīng)力方向,短軸平行層理、垂直水平最大主應(yīng)力方向。在保證單采場礦量不變條件下,采場結(jié)構(gòu)參數(shù)考慮了地應(yīng)力與礦體層理的影響。

圖11 優(yōu)化前后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.11 Stope structural parameters before and after optimization

3.3 采場穩(wěn)定性對比分析

為對比分析方形采場與長條形采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性,采用FLAC3D模擬分析2種采場開挖后應(yīng)力、變形、塑性區(qū)的演化規(guī)律。思山嶺鐵礦為高應(yīng)力陡傾層狀礦體(圖9),為獲得真實(shí)的巖體力學(xué)參數(shù),采用廣義Hoek-Brown失效準(zhǔn)則將礦石強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)換為礦體強(qiáng)度參數(shù),表3列出了思山嶺鐵礦礦石與礦體的力學(xué)參數(shù)。地應(yīng)力條件根據(jù)圖5所示的應(yīng)力分布規(guī)律確定,圖12為數(shù)值計(jì)算模型。

表3 礦石與礦體力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of ore and ore body

圖12 數(shù)值計(jì)算模型Fig.12 Numerical calculation model

3.3.1 應(yīng)力對比分析

圖13為最大主應(yīng)力云圖(拉應(yīng)力為正)。采場開挖后,方形采場在平行與垂直層理方向(圖13(a)與(b))的拉應(yīng)力區(qū)范圍與拉應(yīng)力值較接近,其中拉應(yīng)力最大值分別為1.36 MPa(圖13(a))與1.30 MPa(圖13(b));長條形采場在垂直層理方向(圖13(d))的拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯小于平行層理的拉應(yīng)力區(qū)范圍(圖13(c)),平行層理方向的拉應(yīng)力值略小,其中拉應(yīng)力最大值分別為1.22 MPa(圖13(c))與1.15 MPa(圖13(d))。

圖13 最大主應(yīng)力云圖Fig.13 Nephogram of maximum principal stress

巖體強(qiáng)度受層理方向與地應(yīng)力大小的控制[20],在垂直層理方向,即平行水平最大主應(yīng)力方向,礦體抗壓強(qiáng)度較大,但抗拉強(qiáng)度較小。由于巖體一般為受拉破壞,因此應(yīng)重點(diǎn)控制垂直層理方向的拉應(yīng)力范圍與大小。根據(jù)圖13(b)與圖13(d),在垂直層理方向,長條形采場的拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯小于方形采場的拉應(yīng)力區(qū)范圍;長條形采場最大拉應(yīng)力值為1.15 MPa,方形采場最大拉應(yīng)力值為1.30 MPa,長條形采場的拉應(yīng)力值也小于方形采場的拉應(yīng)力值,表明長軸垂直于層理方向、平行水平最大主應(yīng)力方向的長條形采場受力狀態(tài)優(yōu)于方形采場。

3.3.2 位移對比分析

圖14為采場開挖后垂直方向位移云圖。可以看出,在平行層理與垂直層理方向,采場開挖后長條形采場的垂直位移均小于方形采場,其中長條形采場的最大垂直位移為32 mm,方形采場最大垂直位移為43 mm。

圖14 垂直位移云圖Fig.14 Vertical displacement nephogram

圖15為采場開挖后水平方向位移云圖。方形采場開挖后,在平行與垂直層理方向的水平位移基本一致,最大位移為38 mm。長條形采場平行層理方向的水平位移大于垂直層理方向的水平位移,最大位移分別為54 mm與23 mm。相比于方形采場,長條形采場平行層理方向水平位移較大,垂直層理方向水平位移較小。長條形采場平行層理方向的跨度小于垂直層理方向的跨度,平行層理方向穩(wěn)定性較好,因此平行層理方向的位移大于垂直層理方向的位移是合理的。

圖15 水平位移云圖Fig.15 Horizontal displacement nephogram

3.3.3 塑性區(qū)對比分析

圖16為采場開挖后塑性區(qū)云圖。結(jié)合方形采場應(yīng)力狀態(tài)(圖13(a)與(b))分析可知,方形采場在平行與垂直層理方向頂?shù)撞颗c側(cè)幫均出現(xiàn)較大的塑性區(qū)(圖16(a)與(b)),塑性區(qū)范圍基本一致。結(jié)合長條形采場應(yīng)力狀態(tài)(圖13(c)與(d))與水平位移(圖15(c)與(d))分析可知,長條形采場平行層理方向塑性區(qū)較大,而垂直層理方向塑性區(qū)明顯縮小。整體而言,長條形采場塑性區(qū)分布范圍小于方形采場,尤其是長條形采場有利于控制垂直層理方向的塑性區(qū),但應(yīng)加強(qiáng)平行層理方向的側(cè)幫管理。

圖16 塑性區(qū)云圖Fig.16 Plastic zone nephogram

3.4 深埋高應(yīng)力層狀礦體采場設(shè)計(jì)方法

由于地應(yīng)力與巖體層理的影響,巖體強(qiáng)度及其穩(wěn)定性表現(xiàn)出明顯的各向異性,在高應(yīng)力作用下垂直層理方向易發(fā)生潰曲破壞(圖9),高地應(yīng)力與巖體層理成為影響安全回采的關(guān)鍵因素,深埋礦山采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地應(yīng)力與巖體層理的影響。

對于思山嶺鐵礦類似的深埋高應(yīng)力層狀礦體,采場應(yīng)設(shè)置為長條形采場,進(jìn)而控制采場跨度。對于近垂直傾向的層狀礦體,長條形采場長軸應(yīng)垂直層理走向、短軸平行層理走向,采場長軸應(yīng)平行水平最大主應(yīng)力、垂直水平最小主應(yīng)力布置。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(圖13～圖15),長軸平行于水平最大主應(yīng)力、垂直層理的長條形采場應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布均優(yōu)于方形采場,開挖后有助于保持采場的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

采用水壓致裂法測量思山嶺鐵礦圍巖與礦體地應(yīng)力,分析了圍巖與礦體地應(yīng)力分布規(guī)律及其差異。根據(jù)地應(yīng)力分布規(guī)律與礦體層理,對思山嶺鐵礦現(xiàn)有采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證,提出了深埋高應(yīng)力層狀礦體的采場設(shè)計(jì)方法。得出以下主要結(jié)論:

(1)思山嶺鐵礦圍巖與礦體地應(yīng)力隨著埋深增加近線性增大,水平最大主應(yīng)力始終為第一主應(yīng)力,方向近NEE向,垂直應(yīng)力始終為第三主應(yīng)力。圍巖與礦體的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值均較大,埋深超1 000 m時水平主應(yīng)力之比分別為1.58與1.46,思山嶺鐵礦處于強(qiáng)各向異性高應(yīng)力狀態(tài)。

(2)圍巖主井井底埋深1 505 m處地應(yīng)力達(dá)59.9 MPa,水平應(yīng)力差達(dá)15.56 MPa;礦體首采階段埋深1 245 m處地應(yīng)力達(dá)46.4 MPa,水平應(yīng)力差達(dá)12.55 MPa。圍巖地應(yīng)力高于礦體地應(yīng)力,1 000 m以深時圍巖水平主應(yīng)力約是礦體水平主應(yīng)力的1.06倍。

(3)基于思山嶺鐵礦地應(yīng)力分布與層狀巖體特征,將方形采場優(yōu)化為長軸垂直層理、平行水平最大主應(yīng)力的長條形采場。長條形采場考慮了地應(yīng)力與巖體層理的影響,開挖后應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布更為合理,提高了采場開挖后的穩(wěn)定性。對于高應(yīng)力近垂直傾向的層狀礦體,采場應(yīng)設(shè)計(jì)為長軸垂直層理走向、平行水平最大主應(yīng)力的長條形結(jié)構(gòu)。