三山島金礦深部開采采場能量釋放規律研究

劉建坤

(沈陽鑫博工業技術股份有限公司)

隨著淺部礦產資源的不斷開采，現有資源已不能滿足社會發展的需求，在近期或不久的將來，深部礦體的開采必將成為未來的趨勢[1-2]。深部開采中，巖體在高地應力條件下，由于內部積聚大量應變能，回采過程中會突然釋放，即發生巖爆現象。當開采深度達到800～1 000 m即進入深部開采，南非大部分礦山開采深度已達到千米以上，最深達到4 000多m，為了有效的防治巖爆的發生，南非礦山均采用充填采礦法，有效地改善了深部巖體應力的突然釋放。充填采礦過程中，充填體作為開挖后回填介質抑制圍巖變形，同時，圍巖對充填體進行擠壓，充填體內部就積聚了一定的變形能，圍巖與充填體之間存在能量交換。1966年Cook和Hoek等[3]在研究南非金礦深部開采巖爆問題時提出了能量釋放率的概念，同時提出了巖爆發生的次數以及規模與井下開采過程中平均能量釋放率密切相關，平均能量釋放率越大，發生巖爆的概率就越大，因此能量釋放理論在地下工程中的應用將日益廣泛。謝和平院士在文獻[4-5]中討論了巖石變形破壞過程中能量耗散、能量釋放與巖石強度和整體破壞的內在聯系，文中指出巖石的變形破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結果，能量耗散使得巖石內部產生損傷破壞，能量釋放則是造成巖石突然破壞的內在原因。

在彈性情況下，采場圍巖釋放的能量依賴于采場的閉合體積，采場圍巖中儲存的能量依賴于采場采出的體積，充填體受圍巖的壓縮發生變形，充填體吸收圍巖釋放的能量同樣與體積有關[6]。本文根據能量原理，通過對巖體和充填體單位體積釋放或吸收的變形能進行研究，對充填體與圍巖之間的能量交換進行分析，最后通過數值模擬驗證效果。

本文以三山島金礦為例，運用能量原理對其深部采場中充填體與圍巖的能量釋放規律進行分析研究。根據三山島金礦情況，該礦三期工程即-420 m以下采場已進入理論意義上的深部開采，地壓現象嚴重，三山島金礦針對-555 m中段553#采場進行采礦方法研究，采用房柱交替上升式機械化盤區上向充填采礦法回采，本文將針對該采礦方法對深部開采采場能量釋放規律進行研究，旨在為深部礦山開采提供指導。

1 礦山巖性及工程地質

該礦區為近海岸地下開采的礦山，礦體傾角緩，斷裂構造發育，近礦圍巖多不穩定，局部地段易發生礦山工程地質問題，工程地質條件復雜程度為中等-復雜。影響巖體穩定性的主要因素為各種地質結構面、斷裂帶及附近巖石受擠壓而破碎。這種巖體的能量釋放極容易引起掘進及開采時產生塌方或大規模的冒頂。

2 巖體能量釋放分析

巖體在地應力場的作用下，內部儲存了彈性應變能，在巖體被開挖后，將會釋放一部分能量[7]。礦巖開挖前處于一個穩定的地應力場，處于彈性狀態，其內部儲存的能量采用下式描述[8-9]：

-2μ(σ1σ2+σ1σ3+σ2σ3)] ,

(1)

式中,μ為巖體泊松比；E0為巖體彈性模量，GPa；σ1為原巖應力最大主應力，MPa；σ2和σ3為原巖中間應力和最小主應力，MPa。

根據蔡美峰等對地應力測量的研究[9]，發現地應力分布規律為線性分布，與深度大致呈線性關系，即

σ=a+bH,

(2)

式中,σ為原巖應力，MPa；a為截距，m；b為斜率；H為深度，m。

將式(2)代入式(1)中，即可得到根據地應力分布特征的原巖儲存能量的計算公式，該公式能很好地表征巖體中能量的分布。根據喬蘭等[10]采用應力解除法對三山島金礦深部礦體地應力進行測量分析結果，可知三山島金礦地應力分布規律：

水平應力為

σx=0.87+0.023H，

(3)

σy=0.81+0.044 9H.

(4)

垂直應力為

σz=0.28+0.025 5H.

(5)

將地應力分布規律代入式(1)中，得到三山島金礦巖體彈性變形能密度公式為

+1.491 4-2μ(0.002 764 15H2

+0.119 545H+1.175 1)] .

(6)

不同開采深度彈性應變能密度曲線見圖1。可以看出，隨著開采深度的不斷增大，巖體彈性應變能密度也不斷增大，則在開采過程中巖體釋放的能量也愈來愈大；對于不同性質的巖體，彈性模量越大，也就是巖體剛度大，則在開挖過程中釋放的能量越小。

圖1 不同開采深度彈性應變能密度曲線

3 數值模擬計算

根據三山島金礦553#采場的開采技術條件，建立FLAC3D數值模擬計算模型，針對深部采場回采過程中巖體的能量釋放規律進行分析。如圖2所示，553#盤區劃分成8個采場，2#、4#、6#、8#采場為第一步回采采場，1#、3#、5#、7#為第二步回采采場，一二步交替上升分層回采，回采安全步長為11.5 m，每分層回采高度為2.5 m，控頂高度為4.0 m，每一步回采完畢后接頂充填。

圖2 數值模擬計算模型

在模擬計算過程中，假設接頂質量良好，在每次模擬充填完畢后，運算5 000步模擬充填體的固結形成強度的過程。根據彈性力學理論，運用FISH語言編寫了彈性應變能密度的計算程序，回采過程中巖體的彈性應變能密度云圖見圖3，由于篇幅有限，這里只顯示第一步回采、充填過程中的彈性應變能密度云圖。

圖3 彈性應變能密度云圖

每一步開挖后與充填后巖體的彈性應變能密度的變化情況見表1及圖4。可以發現，未充填時，隨著開挖體積的增大，彈性應變能密度呈指數增長，充填后巖體的彈性應變能密度較未充填時降低了很多，較好地控制了地壓，保證了采場的安全穩定開采。

表1 充填前后彈性應變能密度變化情況

4 結 論

(1)隨著開采深度的不斷增大，巖體釋放的能量隨之增大；巖體的彈性模量越大，即剛性越大，彈性應變能密度越小。

(2)深部開采過程中，對采空區進行充填，通過減小開挖體積，同時降低充填后巖體的彈性應變能密度來控制地壓，能夠有效地保證采場安全穩定。

圖4 不同開挖過程彈性應變能密度變化曲線