地下深部開采對豎井穩定性影響的數值分析

谷中元，李彩虹，郭利杰，楊 揚

(1.長春工程學院，長春 130000；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

隨著社會的不斷發展，對能源的需求日益增加，目前淺部礦產資源逐漸枯竭，為滿足能源需求，越來越多的礦山開始向深部資源開采發展。但隨著礦山開采深度的增加，地應力不斷升高，同時地質條件變得更加復雜，易出現一些工程災害，為井下人員的安全和采場、井巷等的穩定性帶來一些不利影響。

為保證地下深部礦山安全開采，國內外學者做了大量研究，但主要集中在深部采場穩定性和深部開采中地表塌陷范圍的確定等方面[1-3]，而豎井作為礦山的重要設施，其井筒穩定性對于礦山的提升運輸具有重要意義。馬鳳山等[4]利用FLAC2D軟件對山東望兒山礦區淺部復采對豎井井筒的穩定性影響進行分析研究，對比空區不充填方案，發現地下空區充填后豎井位移量減小，井壁基本無拉應力出現，穩定性較好。魏秀泉[5]為研究某銅鎳礦采空區對豎井穩定性影響，采用數值模擬方法從應力、位移、塑性區等方面進行分析，發現該豎井在地表附近和底部某一高程范圍內易發生開裂和剝落。黃武勝等[6]通過FLAC3D計算軟件對金川三礦區設計的不同開挖方案對主、副井的穩定性影響進行研究分析，結果表明同時進行多個工程開挖會對豎井產生一定影響，應及時對井壁進行加固處理。此外，尹士獻等[7]、趙海軍等[8]、吳永剛[9]均通過數值模擬方法對地下礦體開采中豎井的穩定性進行研究分析，并提出適當建議措施以保證礦山安全生產。

本文以吉林東風鐵礦區為工程背景，根據地質資料建立精細化三維模型，采用FLAC3D模擬軟件進行數值計算，通過變形規律、應力分布及塑性區分布等方面研究分析其深部礦體回采對豎井穩定性的影響，為礦山后續安全開采提供一定指導依據。

1 工程概況

東風鐵礦位于吉林省臨江市大栗子鎮，礦石的自然類型為菱鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦混合型礦石，為傾斜-急傾斜中厚礦體。礦體賦存標高為+280～-356 m，其中+40 m以上礦體為老采區，此部分礦體已全部采出且用干式充填完畢。新采區礦體賦存標高-58～-356 m，目前開采至-150 m中段，采用上向分層干式充填法進行回采。圍巖以千枚巖為主，部分區域有斷裂構造存在。

本鐵礦在開采初期只探明了老采區的礦體儲量，新采區是在老采區回采過程中進行地質勘探發現的礦體。礦山的原開采方案是針對老采區開采設計的，并確定了巖體移動角度，如果在進行深部新采區開采方案設計時沿用原來的巖體移動角度，則位于采區附近的豎井的近地表部分將處于新采區的巖體移動帶內，使得部分新采區礦體無法開采，造成大量礦產資源的浪費。

由于我國金屬礦山關于巖體移動角度的設計規范是沿用前蘇聯的設計標準，但當時金屬礦山普遍開采深度較淺，因此當時的設計標準已無法適用現在的深部礦山開采。其次當時的設計標準主要是針對空場法和崩落法得出的結論，已不太適用于充填法。因此本文利用數值模擬方法針對東風鐵礦新采區使用的充填法對豎井穩定性的影響進分析，為礦山安全開采提供一定的理論指導。

2 數值模擬計算

2.1 三維模型的建立

為全面分析老、新采區的開采對豎井穩定性的影響，根據地表地形圖和地質調查資料，利用ANSYS軟件建立精細化三維模型，并根據計算需求適當加大部分區域網格密度，如圖1所示。為消除邊界效應的影響，模型四周邊界距離礦體中心均超過三倍礦體長度，模型底面距礦體底部200 m。模型尺寸為1 660 m×1 190 m×1 180 m(長×寬×高)，豎井高800 m(頂部標高+500 m，底部標高-300 m)，模型單元總數為1 124 819，節點總數為189 919。最后將模型導入FLAC3D中進行后續計算任務。

圖1 三維模型圖Fig.1 3D model diagram

2.2 相關參數的確定

根據巖體分類情況，本次計算采用Mohr-Coulomb本構模型。計算模型的邊界條件為：底面進行豎直位移約束，模型四周進行水平位移約束，地表不做任何約束。模型應力以自重為主，側壓力系數參考同類型礦山取值為0.5。

在礦體不同中段分別取多塊礦石和圍巖，加工后進行單軸壓縮、剪切等試驗獲取巖石力學參數。根據Hoek-Brown強度準則對巖石力學參數進行折減得到礦石和圍巖的巖體力學參數，同時參考同類型干式充填礦山確定了充填體的力學參數，如表1所示。

表1 巖體力學參數

2.3 計算方案

目前老采區(240 ～80 m中段)的礦體全部開采充填完畢，由于豎井位于老采區的巖體移動帶外，因此在老采區的整個開采過程中豎井穩定性較好，沒有發生破壞，因此本次計算著重對新采區(-50 m以下)的礦體開采對豎井穩定性影響進行分析。根據設計的采礦方法(上向分層干式充填法)，在模擬計算時從上到下逐個中段進行開采及充填；同時在每個中段，水平方向每隔50 m作為一個礦房，并逐個進行開采；在每個礦房每開采一定的高度就進行充填，直至結束。對于240～80 m的老采區，為減少計算時間，采用從上到下逐個中段進行開采充填，不再進行具體礦房劃分，礦房分布情況如圖2所示。

圖2 各中段礦房和豎井分布圖Fig.2 Distribution of mine houses and shafts in each middle section

3 計算結果與分析

隨著礦體的不斷向下開采，其對豎井穩定性的影響也在逐漸增大。為方便分析，計算過程中在靠近礦體一側的豎井井壁上每隔50 m設置一個監測點，同時選取兩個過豎井中心點且平行于坐標軸的豎直剖面，如圖3(a)與(b)所示，通過井筒位移、應力和塑性區的大小及分布情況對豎井穩定性進行分析。

圖3 豎井剖面圖Fig.3 Shaft profile

3.1 位移分析

當新采區的礦體全部開采充填完成后，豎井的變形情況如圖4～5所示，可以發現，豎井上部的水平變形值大于下部的，且越靠近地表變形值越大，最大水平變形值為2.5 mm。

圖4 豎井X方向變形情況(單位：mm)Fig.4 Deformation of shaft in X direction

圖5 豎井Y方向變形情況(單位：mm)Fig.5 Deformation of shaft in Y direction

每個中段開采充填結束后通過井壁監測點的變形值(如圖6和圖7所示)可以發現，在井巷開挖階段，豎井的變形值不大且各部分變形較為均勻。隨著老采區的開采，豎井水平方向(X方向)變形逐漸增大，這是因為礦體位于豎井X軸方向，礦體的開采對豎井X方向變形影響最為明顯。隨著新采區的開采，豎井X方向變形值逐漸變為負值，表示豎井向礦體方向發生變形，且隨著礦體的不斷向下開采，近地表區域的變形值越來越大。在豎井下部區域，X方向變形值為正值，說明豎井下部受礦體開采影響較小，其變形主要是由于豎井內部臨空面造成的。豎井Y方向變形值隨著礦體的不斷開采也在不斷增大，但其最大變形值為1.1 mm。

圖6 豎井X方向位移值Fig.6 Displacement value of shaft in X direction

圖7 豎井Y方向位移值Fig.7 Displacement value of shaft in Y direction

為更詳細分析豎井的穩定性情況，對豎井水平方向變形值進行進一步計算得到偏斜率值，該值反映豎井沿某一方向的坡度值，計算如公式(1)所示。圖8和圖9為豎井的水平和豎直方向偏斜值，可以發現X方向最大偏斜率為-0.015 mm/m，Y方向最大偏斜率為-0.008 mm/m。參照《有色金屬采礦設計規范》中的要求，豎井屬于Ⅰ級保護等級，其最大傾斜率允許值為±3 mm/m，而本次計算中的豎井傾斜率均小于規范允許值，因此豎井能夠保持穩定。

圖8 豎井X方向偏斜率Fig.8 Deviation slope of shaft in X direction

圖9 豎井Y方向偏斜率Fig.9 Deviation slope of shaft in Y direction

(1)

3.2 應力分析

新采區全部開采結束后，豎井的主應力分布情況如圖10～13所示?？梢园l現，豎井井筒及鄰近區域總體以壓應力(正數值)為主，無明顯拉應力(負數值)，無應力集中區，應力場基本保持穩定。井筒周圍應力場呈現近似水平層狀分布，井筒處發生應力梯度錯動，從上至下井筒最大主應力逐漸增加，井筒底部出現應力集中，最大主應力約為25 MPa。因此礦體開采對豎井和其附近巖體的應力場影響不大。

圖10 X方向剖面最大主應力(單位：MPa)Fig.10 The maximum principal stress in X direction

圖11 X方向剖面最小主應力(單位：MPa)Fig.11 The minimum principal stress in X direction

圖12 Y方向剖面最大主應力(單位：MPa)Fig.12 The maximum principal stress in Y direction

圖13 Y方向剖面最小主應力(單位：MPa)Fig.13 The minimum principal stress in Y direction

3.3 塑性區分析

豎井的塑性區分布情況如圖14所示，發現塑性區產生范圍較小且主要集中在豎井上部，說明礦體開采對豎井上部的影響較為明顯。同時可以發現，豎井上部的塑性區分布較為均勻，深度較淺，且主要為剪切破壞，伴隨少量拉伸破壞，無明顯塑性貫通區，因此該豎井較為穩定。

圖14 豎井塑性區分布圖Fig.14 Distribution of plastic zone in shaft

綜上所述，在新采區開采充填過程中，通過對豎井的應力、位移和塑性區等方面的分析可知，豎井井筒的變形值小于《有色金屬采礦設計規范》中規定的最大允許值，同時無明顯應力集中區域，塑性區產生范圍較小且深度較淺，無明顯塑性貫通區，因此礦體的開采對豎井穩定性的影響較小，豎井可以保持其原有穩定性。

4 結論

1)通過數值計算對豎井穩定性進行分析，發現隨著礦體的不斷開采，豎井的變形越來越大，最大水平變形值為2.5 mm，偏斜率值為-0.015 mm/m，小于安全規范中對于Ⅰ級保護等級構筑物的變形最大允許值，因此礦體開采對豎井變形影響較小。

2)通過對應力和塑性區分析發現，礦體的開采對豎井及其周邊圍巖的應力場影響不大，豎井不存在應力集中區，同時豎井塑性區產生范圍較小，深度較淺，無明顯塑性貫通區，因此豎井較為穩定。

3)計算結果表明，新采區的充填開采方法對豎井穩定性影響較小，豎井可以保持其原有穩定性。同時可以發現，充填法在一定程度上可以減小巖體移動范圍，可為同類型礦山的開采設計提供一定參考依據。