大團山礦床地下開采采場穩定性研究

姚道春(銅陵有色金屬集團控股有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031)

1 前言

礦山安全是我國礦山生產過程中越來越關注的問題，其中采場穩定性分析對非煤礦山的安全生產有著至關重要的意義，是保證礦山企業高效安全生產的重要手段。由于開挖引起巖體中的應力重分布，當應力超過巖石強度或者變形過大時，圍巖發生失穩[1]。目前研究采場失穩主要利用彈性理論、彈塑性理論以及數值模擬等方法[2-6]。礦山開采中巖土工程及其力學結構的復雜性決定了當前尚無法求得巖土工程問題的精確解，因而只能借助其他方法進行定性分析。隨著計算機計算的發展，數值模擬方法已成為一種能有效地分析和模擬巖土受力結構的工程方法。由于獨特的優越性和工程應用背景，已具有一定的可靠性和實際應用價值。

目前，大團山礦段39線破碎帶以南-580m以上1至5盤區充填回采已經基本結束,-580m以下4盤區和5盤區已經開始回采，但僅4、5盤區礦體較厚大，其他盤區礦體相對較小。為保證未來幾年大團山礦段產量的接續，有必要對39線破碎帶以北的礦體進行回采。根據以往大盤區開采的經驗，大盤區開采面臨開采范圍大，地壓管理困難等問題，鑒于39線以北含破碎帶，圍巖情況較以往復雜，且開采高度從-520m一直到-670m，較以往39線以南盤區采場的高度更高。因此，為確保39線以北礦體能安全回采，對前期所確定的開采方案有必要進行采場穩定性研究。以目前的回采現狀為基礎，利用FLAC3D數值模擬軟件，采用Mohr- Coulomb本構模型，對39線以北的回采方案進行穩定性分析，并根據數值模擬分析的結果，對采場尺寸、回采順序等進行合理的優化，以便為該礦床的高效、安全回采提供指導。

2 數值分析方案

2.1 方案分析

根據已有地質勘探資料以及類似礦山破碎礦體的開采經驗，結合大團山生產現狀，首先回采破碎帶區域。現有勘探結果表明破碎帶有一定強度，基于類似破碎帶工程支護經驗，采取相應的安全技術措施的情況下，可將45～50m破碎帶視為一個盤區并采用下向大孔進行回采。破碎帶以北礦體沿走向長度約為130～150m，須劃分為多個采(盤)區進行開采。通過以上礦體賦存特點，現采用以下兩種方案進行研究。

方案1：破碎帶區域劃分一個盤區進行回采，根據破碎帶平面分布范圍，破碎帶采場寬度需45～50m，-610m以上為50m(布置切割工程需要)，以下為45m。根據礦體賦存形態，為減少空區頂板斜長，在-610m保留部分垂直礦柱，分隔成-520～-610m及-610～-670m兩個部分，分別以-610m及-670m為出礦水平。其他區域劃分為1個30m寬間柱采場及2個盤區采場。破碎帶以北開采方案1縱投影如圖1所示，依次分為破碎帶回采單元，北1回采單元，北2礦柱回采單元，北3回采單元。

圖1 破碎帶以北開采方案1縱投影圖

方案2：實際上，隨著開采的進行，應力會向剩下的采場集中，且39線以北未留原生礦柱，故為進一步降低盤區回采的安全風險，應適當控制盤區采場跨度。破碎帶以北開采方案2縱投影如圖2所示，45A線以北礦體狹小并逐漸尖滅，故考慮把45A作為盤區回采邊界，以縮小整個開采區域的跨度，同時，適當增大各個盤區尺寸，將方案1中的4個回采單元縮為3個回采單元，具體依次為破碎帶回采單元，北1回采單元，北2礦柱回采單元。

圖2 破碎帶以北開采方案2縱投影圖

2.2 模擬初始條件

隨著計算機的發展，數值模擬方法已成為一種能有效地分析和模擬巖土受力結構的工程方法。相對于常規的巖石力學分析，它能更真實的還原現場實際情況，并能計算出整個系統的應力位移分布狀態以更好指導后續作業的進行。

數值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計算模型是否與實際情況相符合，包括選擇適當的計算范圍，確定計算模型的邊界條件，局部結構的簡化處理等。為便于進行計算，應該對巖體介質性質及計算模型等作必要的假設。

本文主要考慮以下幾點：

(1)結合生產實際，主要模擬大團山39線以北-670m水平以上礦體的回采。建立模型時，由于破碎帶走向與礦體走向垂直，無法通過剖面同時反映。故以各個勘探線剖面建立礦體模型，以-670m、-640m、-610m、-580m、-520m等平面建立破碎帶模型，然后通過布爾運算，建立整體模型。

(2)模型通過網格節點傳遞應力、位移等信息，一般將礦巖視為連續介質。為更好的模擬破碎帶情況，將其與周圍礦體、圍巖視為不連續的介質，即破碎帶體與周圍體在接觸面上各自劃分有獨立網格。

(3)模型Y方向底部為-970m水平，模型在X、Z方向進行了一定程度的擴展。對于井下采礦巷道模型中不予體現。模型邊界取距開采空區尺寸3～5倍的距離，模型實際尺寸約為長×寬×高=1 750m×800m×1 030m。

(4)各個采場開挖是一次性完成的。本構模型是對巖土材料性質特性的經驗型描述，模擬時選用通用的摩爾- 庫倫巖土本構模型。本次研究巖體力學參數取自以前大團山-580m采礦方法研究及-580m盤區礦柱回采研究中相關參數。其中，因破碎帶區域受膠結物的影響，強度參差不齊，為簡化計算，認為其強度等同于充填體強度。地應力是存在于地層中的天然應力，它是引起采礦工程變形和破壞的根本作用力。為提高計算精度，地下工程數值模擬計算應在已知地應力的前提下才能進行。采用應力解除孔壁應變法，在大團山-460m，-730m水平進行過4個點的測試。由于礦區地應力觀測值有限，本次測試假定模型表面的地應力大小是按深度等差分布，在各點與地表之間進行應力插值計算，則計算模型區域內應力值見表1。數值模擬中一般采用施加一定的邊界條件去代替模型外受采動影響外的原始介質。本測試計算模型上表面邊界的采用自由邊界，底面采用固定約束，x、z方向邊界施加鉸支約束，固定以上邊界的位移和速度。

表1 -460m、-730m水平初始應力情況

3 計算結果分析

3.1 方案1與方案2對比分析

為簡化研究過程，方案1與方案2均采用二步驟回采來進行模擬。方案1先同時回采破碎帶單元-610m水平采場與北2回采單元(30m盤區間柱)-640m水平采場，再采破碎帶回采單元的下部-670m水平采場，膠結充填完畢后進入北1回采單元與北2回采單元回采。方案2先同時回采破碎帶單元-610m水平采場與北2回采單元(-640m水平采場)，再采破碎帶-670m水平采場。充填完畢后進入北1單元回采。

1)破碎帶回采單元(一步驟)分析

圖3、圖4所示分別為方案1與方案2破碎帶-610m水平采場最大主應力剖面云圖，從以上云圖可知，兩方案拉應力分布規律基本相同，僅極值稍有差別。拉應力區主要分布在空區上盤圍巖中央處，方案1中，空區上盤中央處拉應力極值約2.67MPa；方案2中，空區上盤中央處拉應力極值約2.63MPa。兩方案在拉應力集中區均有少量塑性區產生，其他大部分塑性區均受破碎帶或本身就位于破碎帶中。從以上結果來看，方案1與方案2的破碎帶采場穩定性差別不大。表明若北端采場(北2單元)與破碎帶采場同時回采，北端采場的尺寸對破碎帶采場回采的影響較小，即非相鄰其他采場回采對破碎帶采場穩定性影響不大。

圖3 方案1破碎帶上部采場最大主應力剖面云圖

圖4 方案2破碎帶上部采場最大主應力剖面云圖

2)北2回采單元(一步驟)分析

圖5所示為方案1北2回采單元(30m間柱)43B線剖面塑性區云圖，圖6所示為方案2北2回采單元(50m采場)45線剖面塑性區云圖。對比分析計算云圖，方案1中30m采場最大拉應力達到了4.3MPa，塑性區在空區中央處分布稍密集，其他區域也有零散分布；方案2中50m寬采場最大拉應力約為3.78MPa，空區頂板中央未見塑性區分布，僅底板及頂板端部有零散分布。根據上述結果，方案1的北2回采單元(膠結采場)雖然僅約為30m寬，小于方案2北端膠結采場50m寬，但空區中央剖面最大拉應力與塑性區反而均比方案2大。這可能也與方案2空區剖面上盤成自然拱有一定關系。

圖5 北2間柱回采單元43B線剖面塑性區云圖

圖6 北2回采單元45線剖面塑性區云圖

3)北1單元及北3單元(二步驟)分析

對于方案1中北1回采單元尺寸為50m，其北1回采單元下部-670m水平采場回采時的塑性區云圖如圖7所示。上部-610m水平采場回采時，最大拉應力約為4.26MPa；下部-670m水平采場回采時，最大拉應力約為4.29MPa。從塑性區分布情況來看，兩采場頂板塑性區均有零散分布，差別不大，但-670m水平采場底板塑性區分布明顯較多。總體來看，-670m水平采場受力比-610m水平采場差，根據15m垂直礦柱受力及塑性區計算結果，垂直礦柱已遭受較為嚴重的塑性破壞，須進一步加大垂直礦柱尺寸，但這些應力值及塑性區在可控范圍內，即方案1可以滿足采場穩定性要求。

圖7 北1回采單元下部采場中間剖面塑性區云圖

圖8 北1尾砂上部采場43線剖面塑性區云圖

方案2中北1回采單元尺寸為63.7m，其北1回采單元上部-610m水平采場回采時43A剖面的塑性區云圖如圖8所示。根據模擬結果，-670m水平采場回采時，43線剖面最大拉應力約為3.78MPa，43A剖面最大拉應力約4.75MPa，拉應力區基本分布在空區端部至中央處。43線剖面塑性區僅底板垂直礦柱內有零散分布，43A空區上盤基本無塑性區，僅空區端部及垂直礦柱中有零星分布。對于方案2，二步驟采場北1回采單元中間剖面，拉應力極值及塑性區可控，尤其是塑性區分布情況要略好于方案1北1回采單元。以上分析結果表明本方案能滿足采場穩定性要求。

4)兩方案結果對比

從模擬結果來看，兩方案若采用二步驟回采，均能滿足采場穩定性要求，空區頂板穩定性情況與上盤形狀有一定關系，但采場保持適度的開采跨度反而有利于采場穩定。其中，-670m水平采場受力狀況要差于-610m水平采場，且15m寬垂直礦柱會出現一定程度的塑性破壞，建議回采從下到上進行。兩方案上部采場情況對比見表2。

表2 兩方案上部采場情況對比表

3.2 方案2采場回采優化研究

方案1與方案2均能滿足采場穩定性要求，回采時，先采深部-670m水平采場，再采-610m水平采場。經分析對比，方案2工藝布置更簡潔合理，回采應以方案2單元劃分為主。大團山地壓情況較為復雜，某些情況下，采場尺寸并非越小越好，大采場反而比小采場更穩定。故方案2回采尺寸及回采順序有進一步優化的空間。經考慮，為進一步簡化生產工序，減少膠結充填成本，對回采順序進行調整：第一采場為破碎帶-670m水平采場，采場45m；第二采場為破碎帶-610m水平采場，采場45m；第三采場為北1回采單元-670m水平采場，采場63.7m；第四采場為北1單元-610m水平采場與北2單元-640m采場，采場113.7m。根據模擬結果，第一、二、三均能滿足采場穩定性要求。具體采場回采順序如圖9所示，由于篇幅限制，本文僅對第四采場進行分析，研究是否有聯合開采的可能。

經數值模擬計算，圖10、圖11所示分別為北1回采單元-610m采場與北2回采單元-640m采場聯合開采后(采場113.7m)最大主應力與塑性區云圖。從圖可以看出，空區上盤塑性破壞區分布范圍小，拉應力區及塑性區主要分布在空區上盤端部及中央處，可以滿足現場的安全生產條件。同時根據計算分析，空區上盤僅有零星塑性區分布，且中央塑性區并未出現向周圍大面積擴展現象，頂板可能會出現一定程度的局部冒落，但頂板整體失穩的可能性不大。采取合理的技術措施的情況下，可以對其進行聯合開采。

圖9 破碎帶以北采場回采順序

圖10 采場中央剖面最大主應力云圖

圖11 采場中央剖面塑性區云圖

4 結論

結合數值模擬采場穩定性分析，對大團山破碎帶及以北各個采場回采順序進行優化研究，并根據實際的現場應用驗證，由模擬選定的方案滿足該礦床開采的采場穩定性要求。研究表明：

(1)根據大團山的地質條件，其他非相鄰采場尺寸對破碎帶采場穩定性影響不大。

(2)采場尺寸與采場穩定性并非簡單的正相關，按大團山現有的力學參數及地應力場數據，采場尺寸并非越小越好，適度的增大開采尺寸反而可以提高采場的穩定性。

(3)對北1單元與北2單元-610m大孔采場進行聯合開采時，實際采場變化情況與模擬結果稍有差別，這是由于數模模擬空區是一次性形成的，而實際開采空區是逐漸形成的。因此在采用必要的技術措施的情況下，兩采場聯合開采仍然可行，但須密切關注采場地壓活動情況，并隨時根據地壓活動程度調整回采工作。