某鉛鋅礦地壓活動數(shù)值模擬及防控措施

張 賢 袁子清 李 旺 于世波 王 平

（1.馳宏科技工程股份有限公司；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心）

隨著礦山開采逐漸向深部延伸，將面臨高應(yīng)力、大變形等一系列地壓問題，這些問題是造成深部開采動力災(zāi)害的主要原因［1-3］。因此，對深井開采地壓活動規(guī)律的監(jiān)測與研究顯得尤為必要。許多學(xué)者在礦山地壓災(zāi)害監(jiān)測與防控方面開展了大量研究，并取得了一定的成果［4-6］。但當(dāng)前不少地壓監(jiān)測系統(tǒng)在建設(shè)過程中，存在監(jiān)測點布置隨意性較大、監(jiān)測重點不突出的問題，主要原因是沒有事先分析與掌握井下開采過程中的地壓變化規(guī)律，導(dǎo)致地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)缺乏針對性，監(jiān)測效果不太理想。針對該問題，本研究以某鉛鋅礦為研究背景，基于礦山開采技術(shù)條件與現(xiàn)場地壓活動情況，選取礦山典型地質(zhì)剖面進(jìn)行二維數(shù)值模擬與分析，研究現(xiàn)有開采工藝下的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律與變形特征，為礦山未來地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)及地壓災(zāi)害防控提供參考。

1 礦山概況

1.1 開采技術(shù)條件

某鉛鋅礦礦體賦存于石門坎背斜傾伏端西翼石炭系和泥盆系層間裂隙中，礦區(qū)構(gòu)造破碎發(fā)育。礦區(qū)共分I#、II#、III#礦體，其中I#為主礦體，下分I-6#～I(xiàn)-15+#礦體，礦體傾向南東，傾角為60°～85°，礦體平均厚度為9 m，礦體賦存標(biāo)高為900～-20 m。頂?shù)装鍑鷰r多為淺灰色中厚層狀細(xì)—粗晶白云巖，巖性比較單一。礦床屬于水文地質(zhì)條件復(fù)雜型的巖溶裂隙水直接充水礦床。地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要充水水層為石炭系和泥盆系碳酸鹽巖裂隙含水層，富水性、透水性中等—弱，補給條件好，且具較高水壓，深部實測最大涌水壓力達(dá)2 MPa。同時，經(jīng)現(xiàn)場實測，最大主應(yīng)力方向近乎水平，在610 m 中段測試最大主應(yīng)力約為15 MPa，在深部430 m 及以下中段，地應(yīng)力呈明顯增強趨勢。目前，礦山采用下向水平分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法。

1.2 地壓活動

根據(jù)礦方反饋，近年來，井下發(fā)生的地壓顯現(xiàn)主要為巷道局部或大面積的變形、底鼓以及垮落災(zāi)害，該類災(zāi)害主要發(fā)生在C11 地層，尤其在370，430 和490 m 等深部中段表現(xiàn)明顯。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，巷道兩幫擠壓變形與底鼓現(xiàn)象主要發(fā)生在與主地應(yīng)力方向垂直的巷道段；而全斷面變形破壞的現(xiàn)象則主要受巖性與結(jié)構(gòu)面控制，在II#礦體分布較多。此外，根據(jù)現(xiàn)場反饋，近期地表出現(xiàn)數(shù)次有震感的礦震，但其發(fā)生地點與原因當(dāng)前仍未查明。圖1～圖3 為各種類型典型破壞的現(xiàn)場情況。

從現(xiàn)場調(diào)查情況來看，I#礦體圍巖當(dāng)前穩(wěn)定性相對較好，II#、III#礦體圍巖較破碎，是未來地壓監(jiān)測的主要區(qū)域。此外，在深度上，670 m 以下深部巷道變形破壞的情況相對較多，例如490，430 m 水平沿脈巷道，且多發(fā)生在C11地層，主要受巖性、結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造控制。

2 模型建立

2.1 分析對象及目的

考慮到礦體走向長度近2 km，且礦體數(shù)量較多，若采用整體三維建模數(shù)值計算，計算速度將受到計算機條件的限制。鑒于礦山當(dāng)前及未來主要開采I#礦體下的I-6#、I-8#及I-14#礦體，且這些礦體賦存標(biāo)高為900～-100 m，因此，本研究選擇96線剖面進(jìn)行二維數(shù)值建模分析，該地質(zhì)剖面同時包括了上述3個礦體，具有很好的代表性。模擬旨在掌握動態(tài)開采過程中的圍巖變形破壞特征及地壓演化規(guī)律，為下一步地壓監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與地壓災(zāi)害防控提供參考。

2.2 模型建立

研究采用PHASE26.0 軟件進(jìn)行數(shù)值計算，使用其內(nèi)嵌的Mohr-Coulomb 模塊，計算過程中考慮了巖體重力作用和構(gòu)造應(yīng)力的影響。計算模型頂面設(shè)為自由邊界，底部與兩側(cè)設(shè)為單向固定約束邊界。模擬步驟：先采用CAD 圈出礦巖輪廓，然后將其導(dǎo)入PHASE26.0 軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置、地應(yīng)力場施加。模型寬度為1 000 m，覆蓋了-100 m 以上的所有地層和礦體，以及上部自然地表邊界。模型共有11 402 個單元、5 831 個節(jié)點。模型中礦巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1，工程地質(zhì)力學(xué)模型如圖4所示。

2.3 模擬開挖步驟

根據(jù)礦山從上往下的開采順序，以實際生產(chǎn)中單個分段的開采為一個開挖步序，開挖后對空區(qū)進(jìn)行充填，依次完成整個模擬開采過程。模型中每個分段高度為12 m，每個中段分為5 個分段，從上往下共有34 個分段。從而獲得+20 m 水平以上采礦全過程中的應(yīng)力、變形情況。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力場分析

為了解礦體間天然隔離礦柱以及頂?shù)装逶陂_采過程中的應(yīng)力變化情況，在模型中I-8#礦體的頂、底板以及礦柱位置設(shè)置虛擬應(yīng)力監(jiān)測點，測點編號分別為1#～3#，圖5為各測點在分步模擬開挖時的偏應(yīng)力值變化曲線。偏應(yīng)力是最大、最小主應(yīng)力的差值，用以判斷地壓或巖爆災(zāi)害傾向性的強弱，數(shù)值越大表示傾向性越強。I-8#礦體頂、底板圍巖分別在開挖至18 步序（圖5（a））與26 步序（圖5（b））時出現(xiàn)應(yīng)力急劇增大，且后續(xù)沒有出現(xiàn)下降，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；礦體間天然礦柱在開挖至22 步序（圖5（c））時，監(jiān)測點出現(xiàn)了應(yīng)力急劇增大再突然消失的現(xiàn)象，說明該開采步序下礦柱區(qū)域出現(xiàn)破壞的可能性很高，且屬于典型的動態(tài)孕震區(qū)，將來應(yīng)重點關(guān)注。同時，應(yīng)力集中區(qū)域與斷層分布位置相近，說明斷層活化產(chǎn)生的破壞也是需要重點關(guān)注的問題。

為進(jìn)一步了解模擬開挖過程中巖體的應(yīng)力集中情況，提取了第22步序偏應(yīng)力分布云圖（圖6）?？梢钥闯觯撻_挖分層周邊圍巖與該礦體上部頂板圍巖處的偏應(yīng)力值較大，說明其發(fā)生較大地壓災(zāi)害的風(fēng)險較大。同時，也說明了充填體頂部與圍巖接觸帶是應(yīng)力集中的重點區(qū)域，未來應(yīng)注意充填接頂?shù)馁|(zhì)量。

為了解礦體開采及充填完成后的整體應(yīng)力變化情況，提取了最后開采步序完成后的最大主應(yīng)力分布云圖（圖7）。可以看出，開采引起應(yīng)力場的明顯變化主要集中在含礦地層宰格組第三段的第二亞段中，即礦體賦存地層是采動誘導(dǎo)應(yīng)力顯現(xiàn)最明顯的區(qū)段。此外，應(yīng)力集中現(xiàn)象基本分布在上下礦體之間的天然隔離礦柱區(qū)域，這些區(qū)域?qū)⑹情_采過程中典型的孕震區(qū)，在實際生產(chǎn)中應(yīng)予以關(guān)注。

3.2 變形場分析

為了解開挖過程中上盤圍巖的變形情況，在主礦體I-8#上盤圍巖處設(shè)置位移監(jiān)測點，并提取了不同開采步序下的圍巖變形曲線圖（圖8）。可以看出，采動引起的變形具有明顯的分區(qū)和階段性特點，在開挖至21步序（對應(yīng)5中段第1分層）時，變形值急劇升高。

為進(jìn)一步了解開采完成后圍巖的變形情況，提取了第34 步序整體位移矢量分布圖（圖9），可以看出，I-8#礦體上盤圍巖變形最為集中，變形方向朝向開采區(qū)域。所以，上盤頂板容易發(fā)生較大的拉伸破壞。而下盤圍巖變形主要以水平位移為主，未來下盤巷道在軟弱地層處有發(fā)生底鼓破壞的風(fēng)險。

4 地壓災(zāi)害防治措施

4.1 高應(yīng)力卸荷與柔性支護(hù)

高應(yīng)力卸荷與柔性支護(hù)是典型的卸壓與支護(hù)相配合的巷道維護(hù)方法。現(xiàn)場實施時，一般在巷道頂部超前工作面鉆卸壓孔，通過卸壓爆破將待掘巷道或采場與相鄰巷道或采場空間隔離，切斷開采擾動應(yīng)力傳遞路徑，形成局部卸壓環(huán)境，降低巖爆風(fēng)險。之后采用錨桿、錨網(wǎng)、噴射混凝土及聯(lián)合支護(hù)的方式，確保采場與主要行人通道的安全。

4.2 井下工程布置優(yōu)化

根據(jù)井下地應(yīng)力測量結(jié)果，礦區(qū)最大主應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，方位是北西向，平均走向為N62.1°W，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的方向一致。因此，礦區(qū)在主要巷道和采場的設(shè)計中，要充分考慮最大主應(yīng)力方位與巷道間的夾角。尤其是巖體節(jié)理較發(fā)育的區(qū)域，巷道或采場盡量與最大主應(yīng)力方向一致。

4.3 綜合地壓在線監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)上述模擬分析得到的應(yīng)力分布情況及變形特征，建議對深部區(qū)域開展綜合地壓在線監(jiān)測，監(jiān)測重點在610 m 水平以下，尤其需要關(guān)注各相鄰礦體間的圍巖變形、斷層活化導(dǎo)致的地壓災(zāi)害。

5 結(jié)語

（1）不同礦體之間的天然隔離礦柱是應(yīng)力集中最為明顯的區(qū)域，是典型的孕震區(qū)，實際生產(chǎn)中應(yīng)予以重點關(guān)注。

（2）下向進(jìn)路開采過程中，應(yīng)力集中區(qū)域位于底板下部約2 個分段高度的范圍；由于巖體較破碎，對于高應(yīng)力集中形成的應(yīng)變能儲存能力有限，在進(jìn)行地壓監(jiān)測時，應(yīng)重點關(guān)注各相鄰礦體間的圍巖變形、斷層活化導(dǎo)致的地壓災(zāi)害。

（3）模擬結(jié)果顯示，開采后巖層移動主要以豎向和水平變形為主，其中以上盤下向45°方向的移動變形最為典型，是地壓監(jiān)測的重點關(guān)注部位；采動引起的變形量具有明顯的分區(qū)與階段性特點。