高峰礦深部多空區下充填采礦地壓分布特征*

馬生徽 王文杰 鄧金燦 王越嶺 馬雄忠

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院;2.廣西高峰礦業有限責任公司)

隨著金屬礦山開采深度不斷延伸，礦山進入深部開采面臨著“三高一擾”的復雜環境:深部地壓活動干擾愈加頻繁，導致深部采場與巷道的維護也變得困難，造成高損失、高貧化和高安全事故的技術難題。高峰礦在100號礦體延深開采以及105號礦體的開采中，由于開采深度增加以及原有民采及探礦過程中的亂采亂挖，礦巖的完整性受到很大破壞，出現許多不規則空區和大面積的破碎礦巖體，給礦床正常開發利用帶來了極大的安全隱患［1］。雖已對空區進行了充填處理，但隨著開采深度的增加，地壓顯現將日漸顯著，其上部采空區充填體的穩定性將受到影響，且直接危害下部開采的技術經濟指標和作業安全。因此有必要結合高峰礦現有地質資料，利用ANSYS－Workbench建立高峰礦開采數值模型，導入FLAC3D計算分析，研究高峰礦深部多空區下充填采礦的地壓分布特征［2］，并針對高峰礦生產管理中存在的問題，提出合理地壓控制措施，避免地質災害的發生，從而降低礦山安全事故和提高經濟效益。

高峰大廠礦田西礦帶生物礁灰巖中的100號礦體及深部延伸部分的垂向深度大于1 000 m，－79 m標高以上稱為100號礦體，－79 m以下為100號礦體的延伸部分稱為105號礦體，礦體從標高+690至－50 m，傾角由陡變緩，礦體由大變小;從標高－50 m以下，傾角由緩變陡，礦體由小變大，礦體平面投影呈馬蹄狀。105號礦體總體走向近南北，總體傾向于東至南東，傾角陡，礦體在深部往南至南西方向側伏，礦體走向長100～300 m，水平厚度10～70 m，礦體由致密塊狀礦石組成，與圍巖界線清楚，普氏系數f為8～10，礦巖構造上既有褶皺和一系列斷層的切割，也有花崗巖脈的穿插，也形成一定范圍的破碎巖體。從采空區的分布來看，民采盜采形成的采空區主要分布在－166 m水平以上，且頂板暴露面積在2 000 m2以上，是影響安全開采的主因。－166 m水平以下的采空區規模較小，頂板暴露面積在2 000 m2以下，且采空區內都留有一定的礦柱，采空區相互獨立處于相對穩定狀態，加之高峰礦近幾年大量投入對采空區進行充填處理，使采空區周圍地壓活動趨于穩定。

1 深部開采數值模擬

1.1 計算模擬的建立

由于礦體從地表淺部向下延伸超過1 000 m，其走向、傾向、傾角、各水平截面都是逐漸變化的，為世界罕見的巨型囊狀－透鏡狀特富礦體，復雜的礦體形態難以在FLAC3D中直接建模，因此利用ANSYSWorkbench建立高峰礦開采模型，劃分網格后，通過轉換程序導入FLAC3D有限差分程序中進行計算分析［3-4］。劃分網格時選用適應性較強的四面體網格，模型如圖1所示，共380 653個單元，518 890個節點，模型主要分為圍巖、礦體和采空區。

圖1 導入FLAC3D后的計算模型

1.2 力學參數的選取

數值模擬中主要考慮圍巖、礦體、充填體都為彈塑性材料，因此采用摩爾－庫侖屈服準則，計算中把100號礦體和105號礦體的巖體參數區分開來，100號巖體的相關參數由高峰礦提供，105號礦體的相關參數在巖石力學實驗的基礎上，通過巖體的RMR值與巖體參數之間關系轉化所得，礦巖物理參數如表1所示。計算中對于模型開挖后的空區選用FLAC3D內置的空模型(Null)，對于開挖前以及開挖后的非空區部分都采用摩爾－庫侖塑性模型。

1.3 邊界條件與計算方案

根據高峰礦歷次地應力測量的結果，進行回歸分析后，得出地應力與深度H之間的關系如式(1)所示。

表1 數值計算中礦巖的物理參數

按照快速應力邊界法施加初始應力［5］，由于地表起伏，取地表的平均標高為模型上表面標高，采用快速應力邊界法施加初始條件并計算平衡后，進行后續的開挖計算時要對模型施加位移邊界條件，即固定模型底部Z向位移，模型左右表面X向位移，模型前后表面Y向位移。

為了便于在FLAC3D里計算分析，對高峰礦開采模型進行了適當簡化，忽略節理和裂隙等不連續面的影響，也不考慮巖體地下水、地震和爆破震動等因素。計算中采用了各中段分步回采的計算方式，即開挖充填+690～+540 m、+540～+400 m、+400～+250 m、+250～+100 m、+100～－50 m和開挖充填所有空區，總共6步回采順序，每個階段的計算均按順序在前一階段計算基礎上連續進行，從而客觀地反映了礦體逐步開采過程中，巖體應力累積、變形延續與破壞逐漸發展的力學進程，最后得出高峰礦在多空區群回采充填后的力學效應，用以分析深部地壓分布特征。考慮礦山實際生產情況，數值模擬結果主要分析－151 m和－200 m 2個主要回采中段水平的地壓分布狀態以及典型多空區群開挖充填對地壓分布的影響。

2 深部地壓分布特征分析

2.1 －151 m水平應力分布狀態

圖2(a)所示為多空區群充填前－151 m水平最大主應力云圖(應力符號:壓應力為負，拉應力為正)，應力值在－15.0～－59.8 MPa，圖中空白區域為17號空區，承壓區主要分布在采空區四周、礦體北部以及脈外巷區域，19號采空區底板恰好位于礦體北部應力集中區，可見承壓區形成的主因是空區開挖后應力重新分布而在采空區四周出現次生應力集中，承壓區中的礦巖因過度應力集中易發生破壞，這與現場巖石條件相吻合。卸壓區主要分布在礦體上盤中部與下盤沿礦體走向區域，特別是在礦體下盤出現1條明顯的卸壓帶。圖2(b)為空區充填后－151 m水平最大主應力云圖，應力集中區保持不變而集中值明顯下降，其他區域應力分布狀態基本與充填前一致，說明充填空區對局部的應力集中有所改善，但對整體的應力分布狀態影響不大。

圖2 －151 m水平最大主應力分布

2.2 －200 m水平應力分布狀態

圖3(a)為空區充填前－200 m水平最大主應力云圖，應力值在－36.0～－52.6 MPa，承壓區主要在礦體北部和南部花崗斑巖附近。在垂直礦體走向上，應力分布狀態表現為應力值先減小，后逐漸增大，最后趨于該水平平均水平。由于受多空區群影響較小，在－200 m中段水平承壓區都處于礦體上盤，卸壓區位于礦體下盤，在礦體下盤形成1條明顯的卸壓帶。圖3(b)為空區充填后－200 m水平最大主應力云圖，與空區開挖后基本趨于一致。在南部花崗斑巖附近的承壓區內井巷工程較為密集，水倉、變電站等也布置在此，出現的局部應力集中造成巖體較破碎，支護量大、成本高，巷道變形劇烈，應盡量加強該區域圍巖的監測以及巷道的支護。

圖3 －200 m水平最大主應力分布

2.3 采空區群對地壓分布影響

由于深部空區群眾多，這里選取各采空區中相鄰空間區間頂底板厚度小和暴露面積大的空區群作為研究對象［6-8］。圖4為2號、4號、15號和23號共4個采空區的空間位置圖，最上面的2號空區位于105號礦體的－79～－103 m標高，頂板暴露面積為3 632 m2，4號空區在－106～－110 m標高，并與15號、23號空區部分重疊。

圖4 典型多空區群相對位置

取典型多空區群的縱剖面進行分析。圖5(a)為計算截面上充填前的采空區群最大主應力分布狀態，可以看出在采空區群的頂底板區域為卸壓區，易出現拉應力集中，拉應力的存在與擴展對采空區穩定性構成較大威脅。在采空區兩側形成承壓區，并逐漸向外延伸，應力最大值為－69.9 MPa，巖體也容易發生壓縮破壞，承壓區主要在15號空區與23號空區兩側。圖5(b)為充填后采空區群最大應力分布狀態，可以發現卸載區和承載區的位置未發生變化，但是承載區的應力集中值有所下降，說明充填后有利于巖體中的能量向充填體轉移，有效減少次生應力集中。

圖5 各空區的最大主應力分布

從采空區的地質調查來看，前期民采形成的空區群底板標高最低為－180 m水平，且暴露面積大的空區群在－166 m水平以上，結合－151 m水平和－200 m水平的地壓分布特征，可以發現多空區群的存在對－151 m水平的地壓分布影響較大，導致局部形成了明顯的承壓區和卸壓區，上部多空區群對－200 m水平地壓分布影響較小。

2.4 深部地壓控制措施建議

高峰礦深部地壓分布特征為:在沿礦體走向上，上盤形成1條承壓帶，下盤形成1條卸壓帶，受多空區的影響，在空區四周也形成次生應力集中。而高峰礦大量采準開拓工程布置在承壓帶上，造成采場與巷道頂板變形大，支護困難，地壓顯現頻繁，應加強該區域采場與巷道的監測，提高支護等級，井巷工程應盡量布置在卸壓帶上，并采用卸壓、錨桿支護等多種方式維護頂板的穩定［9-11］。原則上應先回采承壓區內的礦體，后回采卸壓區內的礦體，采用前進式回采順序，以控制地壓有序的釋放，防止中間礦帶始終處于應力集中狀態而導致巷道與炮孔易發生變形與破壞。采場應強采強出強充，減少頂板暴露面積與時間。因此，在合理回采順序的前提下，優化井巷工程布置，加強目前承壓區內井巷工程的維護是保證高峰礦深部安全高效回采的關鍵。

3 結論

數值模擬研究表明，深部空區群同時開挖充填后，對離多空區較近水平地壓分布影響大，對離多空區群較遠的深部水平地壓分布影響較小，充填開采在高峰深部礦體上下盤產生明顯的承壓區與卸壓區，而高峰礦大量井巷工程布置在上盤承壓帶上，這成為導致高峰礦深部地壓活動頻繁的主要因素。針對高峰礦深部地壓分布特征，采用合理的回采順序與采場結構參數，優化布置井巷工程等措施能有效控制地壓災害的發生，使地壓活動規律能為生產作業服務，保證高峰礦深部回采安全高效地進行。

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