板廟子金礦深部開采留設隔離礦柱控制地壓數值優化*

趙興東，朱乾坤，趙一凡

(東北大學 采礦地壓與控制研究中心， 遼寧 沈陽 110819)

地下開采時，礦產資源被大量采出后，巖體原有的平衡狀態受到破壞，上覆巖層將依次發生冒落、斷裂、彎曲等變形破壞，最終波及到地表，在采空區的上方造成大面積的地表沉陷，形成一個比開采面積大得多的下沉盆地。在地表沉降影響區的外圍，會因受拉而產生地表裂縫。礦山開采造成的地表沉降和環境損害等一系列問題，在我國及世界范圍內越來越引起人們的關注[1-2]。目前金屬礦山常采用留設礦柱與采空區充填等方法控制地表沉降，已取得較為理想的地表沉降控制效果，但是目前對深部地下金屬礦床開采尤其是急傾斜礦體深部開采誘發覆巖移動規律及地表沉降控制對策研究比較少。

關于金屬礦山開采巖層移動規律方面，夏開宗等[3-4]以典型陡傾結構面條件下的金屬礦山-程潮鐵礦西區為例，通過對礦區的地表變形監測資料及宏觀破壞特征分析，認為礦區的巖層移動分為采空區頂板巖體破壞擴展至地表引起塌陷階段和采空區周邊圍巖向采空區的傾倒破壞階段，并得出了傾倒滑移區的地表巖體變形規律。礦山開采地表沉降預計通常采用概率積分法[5-6]，隨著計算機技術及數值模擬方法的引入及發展，數值模擬方法逐漸成為地表沉陷與巖層移動領域的主流方法之一。張國權等[7]以金山店鐵礦東區為例，利用離散元軟件UDEC模擬該礦區2#礦體-130 m水平以上礦體開挖以及-270 m放頂工程引起的地表移動變形，探究了兩開采活動所引起的地表移動變形規律。王彥瑋等[8]根據望兒山金礦區淺部回采的工程地質與采礦條件，采用數值模擬手段對開采引起的地表沉陷災害進行了研究。李一帆等[9]利用UDEC軟件結合某磷礦山的具體工程地質情況，對破碎帶下采礦誘發地表沉陷的地質力學現象進行了數值模擬研究。丁德民等[10]運用ADINA 軟件對金川鎳礦不同充填開采條件下的圍巖應力場、位移場變化特征進行了探討。本論文分析得出急傾斜薄礦體開采覆巖移動破壞規律，結合吉林省樺甸市板廟子金礦工程地質概況，采用FLAC3D軟件對該礦深部開采誘發的地表沉陷控制方法進行了研究。

1 急傾斜薄礦體開采覆巖移動誘發地表沉降與控制方法

根據文獻[11]可知，急傾斜礦體開采上覆巖層呈現非對稱破壞方式，分為滑移變形區、錐形破壞區(見圖1)；由于金屬礦山多為含節理裂隙巖體或完整巖體，開采誘發的覆巖變形破壞區域形成機制略有不同。隨著礦體采出，采空區體積逐漸增大，巖體在重力作用下發生彎曲變形，這期間頂柱及其巖體會發生拉剪破壞而產生巖體破裂面，然后上覆巖體沿著破裂面或先期存在結構面產生整體滑移變形，即為滑移變形區，此時地表形成下沉盆地，地表大致可分為連續變形帶和非連續變形帶(見圖2)。

圖2 急斜礦體開采誘發地表移動模型

在巖體上盤通常形成楔形破壞區，楔形破壞區尖部朝向頂板深部，其發展演化過程為礦體上方巖體在自重應力、采動應力作用下發生變形，當變形達到一定程度后使得臨空面巖體產生平行于臨空面的板狀結構，當變形持續增加，板狀結構會發生結構失穩產生潰屈破壞乃至上盤巖體冒落，這種破壞由上盤圍巖淺部逐漸向深部發展形成楔形破壞區(見圖3)。

圖3 上盤楔形破壞區

由于巖體發生變形破壞，會導致圍巖部分區域應力得以釋放，形成低應力區，同時由于采動應力的影響，仍然存在高應力區域(見圖4)。

圖4 急傾斜薄礦體開采圍巖應力重新分布

針對上述覆巖移動破壞特征，常見控制方法為充填開采和留設隔離礦柱，隔離礦柱設計方法有極限跨度法、經驗公式法以及極限平衡分析方法等[12]。

2 板廟子金礦深部開采誘發地表沉降控制研究

板廟子金礦位于吉林省樺甸市夾皮溝鎮錦山村板廟子屯，位于長白山脈與張廣才嶺交接地帶，屬丘陵地貌，最高峰503.14 m，最低侵蝕基準面標高為350 m，坑口豎井標高430 m。板廟子金礦主要開采的礦體有4條，即：302-7號、302-7-1號、302-8號、303-13號4條金礦體，傾角為70°～89°，礦體為含金硫化物石英脈，其圍巖主要為花崗質片麻巖及一系列由北西向剪切帶形成的礦化破碎蝕變帶。該礦屬井下開采，采用明豎井+兩段盲豎井開拓，明豎井地表標高為435 m，井底標高為-575 m，井筒開拓深度為1010 m。當前礦體開采在540中段(-130 m)至952中段(-542 m)，共計有11個開拓中段，主要開采302-7號、302-8號、303-13號礦體；現生產中段有5個(540中段、580中段、620中段和653中段)；當前礦體開采深度為678 m。該礦采用上向分層干式充填采礦法，礦房的中段高度40 m，礦體走向長度40～50 m，回采分層高度為3 m，采用鋼筋混凝土人工假底。深部礦房充填空區主要分布在4號～33.2號勘探線之間，500中段(-90 m標高)以上，采空區均用廢石料充填。

2.1 板廟子金礦深部開采誘發地表沉降控制方案

針對板廟子深部開采誘發地表沉降現狀，考慮到其現有開采方法和工程狀況，結合覆巖移動與破壞特征，提出以下4種控制方案進行分析研究：方案1為既不留設礦柱，也不進行充填，模擬時完全將礦體采出；方案2留設1隔離礦柱，礦柱位于-246 m水平以上，厚度為20 m；方案3在-118， -246， -384 m水平各留設厚度為20 m礦柱；方案4在-210， -370 m水平各留設厚度為20 m礦柱(見圖5)，且對開采后的采場進行充填。方案1～方案4均按從上往下開采順序開采。

圖5 隔離礦柱留設方案4

2.2 數值模型建立

建模時將礦體開采模型視為平面應變模型，假定巖層內部為均勻連續介質。模型采用位移邊界條件，即模型兩側和底部均為限定垂直和水平方向的位移。在數值模擬計算過程中，不考慮構造應力影響，僅考慮巖體自重引起的應力。巖體內部初始應力狀態取決于上覆巖層的重量和性質。

建模時將模型建至地表，礦體平均厚度為2.2 m，傾角為78°。模型尺寸為長和寬均為1000 m。考慮到計算時間，本次模擬采用完全彈性模型。巖體參數來源于現場巖體質量分級和實驗室實驗獲得的參數(見表1)。

表1 巖體物理力學參數

采用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬，并應用Tecplot軟件從模擬結果文件中提取位移、應力數據進行分析研究。

2.3 采場圍巖應力分布特征分析

從圖6可以看出，礦體采出后采出空間頂底板垂直應力集中比較明顯，其余部位均處于或接近原巖應力狀態而未明顯受開挖擾動影響，礦柱留設數目越多，垂直應力受采動影響區域越小，方案4開采充填后垂直應力受擾動區域也明顯減小。垂直應力集中區域通常位于各采場右上角以及左下角，礦柱的左上角及右下角，其它位置受開采影響垂直應力得以釋放和轉移，因此垂直應力較低。方案1中礦體完全采出后，在采空區左下角出現垂直應力集中值較大，最大可達65.0 MPa，其它方案垂直應力集中程度相對方案1來說降低很多，但仍有局部小范圍垂直應力集中值接近65.0 MPa。

圖6 不同方案圍巖垂直應力分布云圖

從圖7可以看出，礦體采出后水平應力集中區域主要位于采空區頂底板以及礦柱附近，且深部水平應力普遍大于淺部圍巖水平應力。方案1采空區頂部、方案2～方案4最上部采場頂部水平應力等值線呈現心形分布特征，礦柱附近水平應力等值線大致沿采場中心軸線對稱分布。不同方案下水平應力集中值無較大差別。在采場上下盤巖體中存在一較大范圍水平應力為0 MPa區域，說明在完全彈性情況下，礦體開挖后僅表現出對開挖空間頂底板水平應力影響較明顯，而使上下盤巖體水平應力得以釋放或轉移。方案4各應力集中區域之間也均存在較大范圍水平應力為0 MPa區域，這是由于充填體力學參數較圍巖和礦體低，存在被壓縮變形現象，從而使上下盤巖體水平應力能得以釋放或轉移，采場頂底板水平應力集中也比較明顯。

2.4 采場圍巖位移分布特征分析

從圖8可以看出，各方案垂直位移較大處位于采空區上下盤巖體，垂直位移上盤巖體影響范圍較大，整個上盤巖體均出現不同程度沉降，礦柱上方區域垂直位移明顯小于礦柱下方區域垂直位移。方案1上盤巖體最大下沉值為140.0 mm，下盤巖體最大抬升值為100.0 mm。方案2上盤巖體最大下沉值為100.0 mm，下盤巖體最大抬升值為80.0 mm。方案3上盤巖體最大下沉值為60.0 mm，下盤巖體最大抬升值為50.0 mm。方案4上盤巖體最大下沉值為60.0 mm，下盤巖體最大抬升值為40.0 mm?？梢?，方案3和方案4差別不大，但方案4采取采場充填開采后礦體圍巖穩定性較好，圍巖變形量與影響范圍變小。

圖7 不同方案圍巖水平應力分布云圖

圖8 不同方案圍巖垂直位移分布云圖

從圖9可以看，水平位移較大處均位于上下盤最下部采場圍巖中，其中上盤水平位移影響高度大于下盤巖體，采空區頂底板水平位移均比較小，礦柱上方區域水平位移明顯小于礦柱下方區域水平的位移。方案1水平位移最大值為120.0 mm，方案2水平位移最大值為100.0 mm，方案3水平位移最大值為70.0 mm，方案4水平位移最大值為50.0 mm。從這也可以看出留設礦柱能夠顯著地減小上下盤巖體的變形和移動，與充填結合能取得更好的圍巖控制和減小地表沉陷的效果。

圖9 不同留設方案礦體圍巖水平位移分布云圖

2.5 各方案模擬結果對比分析

將4種模型模擬結果分別按水平位移、垂直位移、水平應力、垂直應力繪制曲線(見圖10～圖13)。

圖10 4種方案水平位移曲線圖

從圖10可以看出，隨著礦柱留設的增加，地表水平位移呈現減小趨勢，尤其是上盤巖體地表位移顯著降低；方案4采場充填后上盤水平位移減小明顯，但下盤位移較方案3略有增大。方案1～方案3隨著礦柱數目增加地表沉陷最大值點逐漸趨于模型垂直中心線位置，這說明隨著留設礦柱的增加，地表水平位移受地下開采影響較小。方案4最大位移位置位于模型中心線右側，說明方案4留設2礦柱并充填后可使地表巖層移動范圍減小，同時可使地表最大水平位移位置趨近于礦體上端的正上方位置。方案1、方案2、方案3、方案4的最大水平位移值分別為21.07， 12.20， 5.80 mm和6.49 mm，地表水平移動最大值點方案1～方案3分別位于其豎直中心線左側8.51， 4.27， 0 m，方案4則位于豎直中心線右側23.53 m處。

圖11 4種方案垂直位移曲線圖

從圖11可以看出，地表下沉最大值點均處于模型邊界位置，說明在深部開采情況下礦床開采對上盤垂直位移影響范圍較大。隨著礦柱留設數目增加地表垂直位移呈現降低趨勢，且地表沉降值降低非常明顯，下盤地表巖體沉降影響范圍逐漸減小，同時地表下沉曲線傾斜逐漸減小。方案4留2礦柱并充填可使上下盤地表垂直位移減小，下盤地表垂直方向位移幾乎無明顯移動。與模型3相比，充填相對于增加留設礦柱數來說減沉效果不太明顯，兩者結合可有效控制地表豎直方向沉降。方案1～方案4的垂直位移最大值分別為102.59， 64.95， 33.67， 28.53 mm。

圖12 4種方案水平應力曲線圖

從圖12可以看出，隨著礦柱留設數目增加，地表巖體水平應力值逐漸降低，且位移最大值點逐漸趨近于模型豎直中心線，這說明地下開采對地表水平應力產生影響的范圍逐漸減小。方案4充填后上盤巖體地表水平應力有增加也有降低，下盤巖體地表水平應力既有增加也有降低，整體來看降低位置位于開采空間上部。方案1上盤地表巖體所受最大拉應力為0.91 MPa，位于模型中心線左側207.26 m處；下盤地表巖體所受最大壓應力為1.00 MPa，位于模型中心線右側180.30 m處。方案2上盤地表巖體所受最大拉應力為0.55 MPa，位于模型中心線左側175.12 m處；下盤地表巖體所受最大壓應力為0.59 MPa，位于模型中心線右側183.67 m處。方案3上盤地表巖體所受最大拉應力為0.26 MPa，位于模型中心線左側156.91 m處；下盤地表巖體所受最大壓應力為0.27 MPa，位于模型中心線右側146.79 m處。方案4上盤地表巖體所受最大拉應力為0.34 MPa，位于模型中心線左側146.14 m處；下盤地表巖體所受最大壓應力為0.20 MPa，位于模型中心線右側193.20 m處。

圖13 4種模型方案應力曲線圖

從圖13可以看出，方案1、方案2、方案4地表垂直應力比較接近，說明在僅留一礦柱情況下和留2礦柱并充填對地表垂直應力影響較小。而當隔離礦柱留設數目達到3個時，地表所受垂直應力降低至0.08 MPa左右，這也反映出多礦柱開采情況下地表垂直應力受地下開采影響較小，充填所能起到降低垂直應力作用有限。

3 結 論

(1) 針對急傾斜薄礦體開采誘發采場覆巖破壞及移動規律進行分析，分析得出采空區上盤巖體在重力及采動應力作用下巖體層裂增長及失穩后破斷形成楔形破壞區，采場上部邊界以上為滑移變形區，采空區上部存在潛在冒落區的規律?；谱冃螀^變形引起地表形成下沉盆地，地表分為連續變形區和非連續變形區。

(2) 對于深埋急傾斜礦體，采場巖體所受載荷以巖體自重為主，地表巖體移動變形以整體豎向沉降為主，水平方向變形移動較小，地表沉降曲線一直保持單沉降中心的特征，沉降過程中沉降中心曲率逐漸增大。

(3) 數值模擬結果表明，隨著礦柱留設增加，地表沉降仍以整體豎向沉降位移為主，水平方向變形移動較小，地表沉降曲線也是保持單沉降中心的尖底形特征，但沉降過程中尖底形曲率逐漸降低，說明隨著礦柱的增加地表沉降得到良好的控制，而且也能看出增加留設礦柱數量對控制地表移動能起到決定性的作用。在這種情況下將礦柱數減為2個并充填采空區，由于充填體自身強度較低的原因僅能對地表沉降起到輔助作用，但是能更好地控制采場上盤圍巖變形破壞。因此，基于數值模擬結論，將板廟子金礦深部開采引發地表沉降控制方案定為留設兩隔離礦柱并干式充填采空區。