某銅礦水平礦柱開采力學效應研究

周德照 熊睿

（①溫州東泰建設工程有限公司溫州325000 ②江西銅業集團東同礦業有限責任公司東鄉 331800）

1 概述

某銅礦-385m～-400m 的水平礦柱，是一種臨時結構物，在其涉及到的相關采礦工程結構體系中，屬于重要的臨時結構體，關系到礦山的整體穩定性。水平礦柱自身的穩定性又是一個潛在的安全隱患源，一旦水平礦柱突然失穩，勢必造成采場地壓劇烈顯現，采空區上下盤圍巖急劇移動變形，影響水平礦柱的安全回收，甚至可能影響到礦區的整體穩定性，且剩余的礦體將無法回收。通過研究礦體的回采過程，分析開采累積擾動對水平礦柱的力學參數影響變化，水平礦柱與充填體的共同作用力學效應的變化規律，從而對水平礦柱自身穩定性的科學評估判斷和礦柱回采方案研究的提供重要的依據。研究礦體歷史累計回采過程中，分析水平礦柱的力學效應顯現規律，對礦山的穩定性起至關重要的影響。

2 數值模擬模型及力學參數

2.1 計算模型的建立

通過某銅礦各礦體資料的收集與分析，將所得各中段平面圖及地質剖面圖CAD格式的資料進行預處理后，通過一系列的坐標轉換成實際坐標后導入Surpac 形成線串文件，在此建立該區域的數值計算礦段模型。

為了便于塊體單元之間的銜接，兼顧FLAC3D幾何模型的單元尺寸，整個模型用統一的塊體模型來擬合，塊體模型最小單元尺寸為5m×5m×5m。同時，為了數據導出方便，將礦體旋轉一個角度，并帶基點移動到坐標零點，再通過建立塊體約束文件來區分圍巖的上下盤，并對上下盤圍巖賦值巖性等屬性，安慶銅礦各礦體計算模型如下圖1所示。

圖1 礦體計算模型

2.2 模型介質力學參數

參與計算的巖體主要有四種：大理巖、閃長巖、矽卡巖和礦石，礦體上盤圍巖為角礫狀大理石，礦體下盤圍巖為矽卡巖、蝕變閃長巖，輕變質粉砂巖石和鈣質角頁巖。其中矽卡巖分布相對較少，其力學參數與閃長巖相近，為避免繁瑣，故在賦參數時將其歸至閃長巖一類。模型中采場的充填體有2 種：（1）作為采場假底和一步驟回采礦房的高配比尾砂膠結充填體；（2）二步驟礦柱回采后的非膠結尾砂充填體。計算模型中的巖體力學參數由巖石力學參數折減而來，各種介質的物理力學參數取值列于表1。

表1 計算模型中各種介質的力學參數

3 水平礦柱力學效應顯現

3.1 水平位移

原有采礦累積活動在-400m 水平X 方向位移空間分布如圖2所示。

由圖可知，原有采礦活動在-400m水平X方向位移分布特征是：

圖2 原有采礦活動在-400m水平X方向位移云圖

原有累積采礦活動在-385m～-400m 水平礦柱產生X方向向左移動與向右移動區域存在一個北偏東45°角的明顯分界限。在2線以西斜下方呈向右移動趨勢，2線以東斜上方呈向左移動趨勢。這是由于水平礦柱受上部充填體壓力及水平應力共同作用造成的，這表明水平礦柱有產生兩端向中間壓縮的趨勢；水平礦柱在15m厚度方向上，水平位移變形規律近似一致，不同高度上未發生明顯變化；最大向左位移區域形態近似橢圓形分布，位以1線以西下盤邊緣區域，最大向右移位于西部厚大礦體2線上盤邊緣區域及8線下盤邊緣區域；水平向左位移量最大位移值為-9.22mm左右，向右位移量最大為9.59mm，兩者最大位移量區域都分別集中于間厚大礦體區域上下盤，主要是因為厚大礦體回采之后造成采空區面積較大，造成位移量較大；總體上原有采礦活動引起水平礦柱的水平變形位移值較小，說明原有采礦活動開采對水平礦柱穩定性影響不大。

3.2 最小主應力

原有累積采礦在-400m樓板水平剖面最小主應力分布云圖如圖3所示。

圖3 原有采礦活動在-400m水平最小主應力等值線云圖

由圖可知，-400m 水平剖面的原巖的最小主應力約為-17.00Mpa。隨著礦體的開采，采區跨度逐步擴大，水平礦柱應力將逐漸轉移到采區上、下盤等四周圍巖上，誘發形成采空區圍巖新次一級應力場，最小主應力的空間分布在具體演變過程中，均表現出一定的規律性；在原有采礦活動后，所對應的水平礦柱礦體區域，形成明顯的最小主應力降低區，在色譜圖中產生為紅色區域代表的應力降低區，該區域位于4 線以東，尤其明顯于8 線附近，其最小主應力值為-8.51Mpa；在4 線以西較厚大礦體區域，采區范圍所對應的水平礦柱上下盤圍巖等接觸處存在明顯的應力集中現象，即沿采區上、下盤邊界等產出的近似連續的藍色條帶代表的高應力（或應力集中）區，尤其以1 線以西較為明顯，其最小主應力值為-31.82Mpa；在礦體走向的水平礦柱的兩側圍巖應力集中區域范圍較其它邊界區域面積大，下盤應力集中區域比上盤大。

3.3 最大主應力

原有累積采礦在水平礦柱-400m剖面最大主應力分布云圖如圖4所示。

與原巖地應力場的最大主應力（最大主應力背景值：-10.00Mpa）分布相比，由圖4 知，在水平礦柱-400m剖面上，最大主應力在空間分布上表現出一定的規律性：

在水平礦柱礦體中及上下盤圍巖附近存在最大主應力明顯降低區，應力降低區域的空間分布形態受原有采礦的影響；受累計回采影響，水平礦柱巖體3線至0線之間及4線以東的最大主應力值與原巖應力值相比，降低極為明顯，頂板的最大主應力值為0.45Mpa；-400m 水平礦柱兩端盤圍巖及2 線上盤圍巖等接觸處存在最大主應力升高區，或者最大主應力輕度集中區，其最大主應力值為-11.37Mpa；-400m水平礦柱礦體中出現拉應力現象，但出現的區域及拉應力值較小，樓板在穩定性范圍以內。

4 結論

通過對某銅礦礦體開采過程的數值模擬，分析了-385～-400m 水平礦柱周邊巖體巖移和地壓活動區域，可以得到以下結論：

⑴水平礦柱上下盤圍巖應力集中區域增大，主要集中在4 線以西，尤以2 線附近較為明顯，采場充填后，水平礦柱應力集中現象得到緩解；

⑵水平礦柱在本年度有下沉的趨勢，最大下沉變形區域的最大位移值為-9.93mm，最大上升變形區域的最大位移值為3.19mm；

⑶建議礦山在采場出礦完畢后及時進行充填工作，以緩解水平礦柱的下沉和圍巖的應力集中現象。