羅河鐵礦鑿巖硐室條柱開采擾動效應研究

劉 康 何曉文 袁錦鋒 魏福海 袁海濤

（安徽馬鋼羅河礦業有限責任公司）

受地質條件和開采條件影響，采空區空間形態及其分布將有較大差異，有的空區由于應力重新分布和局部應力集中已經發生垮塌，同等規模下有的則相對較穩定［1-2］。垂直深孔階段空場嗣后充填采礦法是一種高效、安全、低成本的采礦方法，但隨著開采深度的不斷增加，地壓危害將逐步突顯，尤其對于巖體裂隙較發育和側幫有效暴露面積較大的礦房，地壓危害將更加顯著［3-4］。

針對羅河鐵礦20聯巷以北高階段采場礦體開采模式優化，與現場二步采鑿巖硐室預留條柱大面積破壞現象，本研究應用現代仿真技術與計算機數值模擬技術，分析硐室支撐條柱的采場穩定性效應，為后續開采設計提供參考。

1 模型建立

根據羅河鐵礦鑿巖硐室的工程地質條件以及現場踏勘情況，對所建立的模型進行了簡化，提高計算精度，以便得到更準確的應力、位移和塑性區等數據，為后期安全穩定回采提供依據。所建模型范圍由19進路到33進路附近，模型原點所處位置絕對坐標為（531 300 m，3 434 000 m，-615 m），模型x方向范圍由531 300 m到531 675 m，模型y方向范圍由3 434 000 m到3 434 200 m，模型底面高程為-615 m（XOY平面在高程為-615 m的水平面上），頂面高程為-375 m，z軸垂直向。離散后的四面體單元數為533 079個，節點數889 730個。

2 計算方案

根據礦體賦存情況和開采初步設計方案，20聯巷以北高階段采場布置形式為采區采場垂直礦體走向布置，設計礦房采高為85 m、礦房寬為45 m，長度為礦體的水平厚度，分段高度依次為25，21，24，20 m。硐室采高為4.15 m，寬為5 m，長度為礦體的水平厚度，條柱采高為4.15 m，寬為5 m，長度為礦體的水平厚度，炮孔采高為85 m，每個礦房寬為15 m，長度為礦體的水平厚度。為模擬不同開采順序和開采方式，本研究設計了先開采硐室再回采條柱，形成13個模擬工況，如表1所示。

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3 計算參數

數值模擬計算所用到的力學參數是模型計算準確的前提，力學參數的準確性直接影響模型的計算結果。但是由于巖體不連續性、地質條件復雜以及巖石取樣點的困難性等因素，由于巖體力學參數無法全部通過試驗得到，所以只能采取以往同一礦區其他采場或者類似礦井的力學參數，本研究采用經典的Mohr-Coulomb巖石屈服準則，各種巖石力學參數如表2所示，斷層、充填體參數參照現場調查及相關文獻，根據經驗取值。

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4 鑿巖硐室開采擾動效應分析

根據先開采硐室再回采條柱的方案，對20聯巷以北高階段采場礦房的開采所引起的周邊巖體擾動導致破壞情況以及硐室周邊圍巖穩定性進行了模擬計算。

4.1 次生應力場分布特征

在地下巖體開挖后，原來處于應力平衡的巖體，受到開挖擾動而引起所開挖空間周邊巖體的應力集中，巖體的應力再次重分布，應力重分布即次生應力場對圍巖的穩定至關重要，所以對次生應力場的應力大小、位移及塑性區情況的掌握尤為重要。本研究通過礦體開采過程中所引起二次應力重分布情況，掌握周邊圍巖的最大主應力和最大剪應力的分布規律，可以具體了解巖體的受力情況，同時通過對比分析，了解巖體次生應力重分布特征。

圖1所示的是工況6的-455～-450 m中間礦房硐室15 m分步開采最大主應力分布云圖，圖2所示的是y=62 m剖面的最大主應力分布云圖，圖3為工況3、工況4、工況5、工況6y=62 m剖面的最大剪應力分布云圖，對各工況應力分布情況進行了數值模擬計算分析，得到如下結果。

（1）礦體開采后，采場周邊礦體及巖體的應力釋放、次生應力場重分布并局部產生應力集中現象。從圖1可見，礦體拉應力主要分布在采空區上方頂板處，壓應力主要集中在中間礦柱和兩側礦體處，左右硐室不斷開挖擾動導致巖體的最大主應力隨著y軸方向不斷向前延伸，同時其應力數值也處在不斷變化中，拉應力從0.59 MPa升高至1.21 MPa又降低到0.65 MPa，壓應力從8.78 MPa升高至10.2 MPa又降低至8.88 MPa，從這些數據可以得到后續的開采活動影響了應力的變化。

（2）從圖2可見，隨著開采的不斷推進，其采空區空間不斷擴大，其周邊巖體的最大主應力值也有不同程度的增大，拉應力和壓應力保持比較平穩，拉應力在在0.60 MPa左右，壓應力保持在8.77 MPa，同時可以看出巖體受到的壓應力主要集中在中間條柱和兩幫礦體處。各工況硐室上方受力較復雜，存在拉壓應力交錯的情況，而各工況開采時硐室上方的拉應力最大，因此在這些位置更容易發生破壞，應加強監測。總體來說礦房受拉應力，且應力值在2 MPa以下，礦房較為安全。

（3）由圖3可知，各工況開采后中間條柱及采空區兩幫礦體有著數值較大的剪應力值，各工況中間條柱發生破壞的可能性較大。

4.2 變形與位移分布特征

圖4～圖5所示分別為工況6不同剖面水平位移等值云圖，圖6為y=62 m剖面不同工況豎直位移等值云圖。并對各開采工況變形與位移規律進行了分析，得出如下幾點認識。

（1）從圖4可知，在y=62 m剖面開采擾動后，隨著剖面從y=62 m到y=137 m，礦體的水平位移呈現先增大而后減小的趨勢，從3.27 mm增大至3.89 mm又減小至3.74 mm。從水平位移的量值上來說位移值變化不大，水平位移值相對來說在安全范圍內，但左硐室左側幫位移整體大于右側幫，右硐室如此。尤其在左側硐室左側幫和右側硐室左側幫有較大水平位移出現，不排除會出現片幫等現象。

（2）從圖5可知，在y=62 m剖面，在礦體開采過程中，巖體變形量在總體上是變化不大的，保持在3.25 mm，而在工況3、4、5、6中，較大水平位移主要集中于左側硐室左側幫和右側硐室左側幫，存在片幫滑落的風險，且左側硐室左側幫和右側硐室左側幫需重監測控制。

（3）從圖6可知，在礦體開采過程中，始終存在2處明顯變形，即硐室頂板附近巖體產生較明顯的沉降，而在底板附近則出現了底鼓現象，這是礦體開挖導致應力釋放造成的。隨著開采的推進，巖體發生位移的區域越來越大，頂板巖體沉降位移變化不大，底板附近突出巖體隆起位移在開采過程中保持穩定。硐室頂板沉降量為4.81 mm，底板隆起位移為4.04 mm。圍巖變形較小，比較穩定。

4.3 破壞接近區分布特征

礦體的開采必然引起周邊巖體擾動與破壞，開采過程中巖體受力比較復雜，其破壞形式有拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合破壞［5-6］。塑性破壞區主要分布在采場頂板中央、采場隅角、斷層及斷層與采場間巖橋等應力集中區與構造破碎帶等強度薄弱區。頂板中部為拉伸破壞，礦柱與頂底板交界處為剪切破壞，斷層部分為局部開采擾動破壞，斷層與采場間巖橋為剪切破壞。

（1）由圖7～圖8可知，在開采完成后，在硐室兩幫礦體和中間條柱處有大量塑性積累，具有發生破壞的趨勢，從破壞接近區分布云圖可知，頂板塑性區變形小，發生冒落可能性較小，底板塑性變形較小，圍巖比較穩定，主要在硐室兩幫礦體和中間條柱處塑性變形較大，因此在開采時應對側幫進行必要的監測、加固措施。

（3）由圖9可知，破壞接近區主要分布在硐室兩幫礦體、中間條柱、各工況頂板和底板等應力集中區。工況3、4、5、6的硐室兩幫礦體及中間條柱處均存在一定的破壞，有片幫的可能。當受到進一步的開采擾動后，采場周邊巖體及條柱的破壞分布區域均有所增加，圍巖較為穩定。

5 結論

（1）硐室開采模擬結果顯示，各工況硐室上方受力較復雜，存在拉壓應力交錯的情況，而各工況開采時硐室上方的拉應力最大，因此在在這些位置更容易發生破壞，應加強監測。總體來說礦房受拉應力，且應力值在2 MPa以下，礦房較為安全；各工況開采后中間條柱及采空區兩幫礦體有著數值較大的剪應力。總體來說，硐室中間條柱發生破壞的可能性較大。最大水平位移為3.89 mm；巖體發生位移的區域越來越大，頂板巖體沉降位移變化不大，底板附近突出巖體隆起位移在開采過程中保持穩定。硐室頂板沉降量為4.81 mm，底板隆起位移為4.04 mm。

（2）礦體開采后，采場周邊礦體及巖體的應力釋放、次生應力場重分布并局部產生應力集中現象。總體上，礦體拉應力主要分布在采空區上方頂板處，壓應力主要集中在中間礦柱和兩側礦體處，左右硐室不斷開挖擾動導致巖體的最大主應力隨著y軸方向不斷向前延伸，同時其應力數值也處在不斷變化中，拉應力從0.59 MPa升高至1.21 MPa，又降低到0.65 MPa，壓應力從8.78 MPa升高至10.2 MPa，又降低至8.88 MPa，說明后續的開采活動產生了明顯應力擾動。