L27號脈礦柱及采空區穩定性數值模擬分析

趙小平，張寶，王玉丁，吳亞飛

(1.金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌市 737100；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025)

0 引言

隨著目前安全生產及環保要求越來越嚴，采空區存在的問題逐步顯現，大量的采空區有可能引發地質災害及生產安全事故，嚴重威脅公司職工生命及財產安全。因此，為進一步加強礦山安全技術管理和現場生產管理工作，須加快采空區隱患的排查和治理，排除采空區潛在的安全隱患，徹底消除由采空區引發的地質災害及重特大安全生產事故。

某金礦賦存于含金構造蝕變破碎帶內，該蝕變帶經工程揭露其連續性較好，礦體形態呈規則脈狀、大透鏡狀。礦體總體走向為 12°，總體傾向為282°，傾角為 45°～70°，平均傾角約 58°。礦體厚度平均為4.81 m，厚度變化較穩定。礦體品位為5.62 g/t，礦體有用組分分布較均勻。該礦段的主要礦石類型為構造蝕變巖型金礦石。礦山采用淺孔留礦法開采，形成了大量采空區。

通過對照礦山安全設施設計、礦山采掘工程平面圖、井上井下對照圖、礦山開采工程布置圖等相關資料，建立采空區及礦柱的三維立體模型，開展采空區穩定性、安全隱患辨識和分析。

基于采一礦區開采技術條件、礦山開采現狀以及調查結果，利用AutoCAD和3DMine軟件完成了該金礦L27號脈934～1054 m標高采空區三維數字建模，通過Midas-GTS和FLAC3D仿真計算軟件，得到了該礦區歷史開采過程的位移場、應力場及塑性區分布情況，方便今后高品位礦柱的回采方案研究，為該區域后續采空區治理及頂底柱、間柱的回采提供了參考依據。

1 礦柱穩定性數值模擬

1.1 礦柱應力分析

根據數值模擬計算結果，礦體開挖后，采場的頂柱、底柱以及間柱兩側形成開挖臨空面，失去礦巖支撐，進而在應力作用下往采空區內部方向發生變形。L27號礦脈934～1054 m中段采場開挖后形成臨空面，開挖邊界應力釋放明顯，礦柱初始應力場重新分布并形成二次應力場，采空區頂板和底板區域巖體應力有一定程度地釋放，而采場間柱和頂底柱為主要應力集中區，且采空區體積越大，距離地表越遠，礦柱應力集中更為顯著。

L27號礦脈盡管礦體較厚，采場開挖后形成的空區體積比較大，但由于預留礦柱尺寸較大，同時礦巖穩固，因而絕大部分礦柱張拉程度相對較輕，主要為壓應力集中，如采空區 C20006、C10007、C10008，最大值達到23.19 MPa，超過巖體的抗壓強度。礦柱由于失去巖體支撐，抗剪性能減弱，因而容易發生剪切變形和塑性破壞。僅個別采空區即C40006頂柱巖體形成小范圍的拉應力顯現區域，其余采空區均未出現拉應力區域。另外，從數值上來看，C40006采空區頂柱拉應力極值為6.47 kPa，遠小于礦體的張拉屈服強度（見圖1、圖2和表1）。

圖1 L27號脈開挖后礦柱最大主應力分布

圖2 L27號脈開挖后礦柱最小主應力分布

1.2 礦柱位移分析

數值模擬結果顯示，采場開挖后采空區間柱往采場內部方向發生水平變形，而礦脈中部間柱水平變形程度明顯高于礦脈兩端。另外，間柱距離地表越深，對應采空區體積越大，間柱水平變形程度越劇烈。間柱沿水平方向整體位移量較小，最大位移量不超過 0.91 cm，因而從變形角度來看，該礦脈采空區兩側間柱整體穩固性好（見圖3和表1）。依據現場調研資料，L27號礦脈934 m水平間柱多未塌方，與數值分析結果比較相符。

圖3 L27號脈開挖后礦柱水平方向位移

采場開挖形成采空區后，其周邊巖體向采空區內部方向產生變形。因采空區體積、所處中段位置不同，不同采空區的頂底板沉降或底鼓位移也有所差異，整體表現為采空區體積越大、所處中段位置越低、越靠近礦脈中部，對應的采空區頂底柱垂直變形量越大。根據統計，該礦脈所有頂柱的最大沉降量不超過 3.52 cm，根據容許極限位移量判據可知，采場頂柱的最大下沉量在2～5 cm范疇，巖體也可以保持穩定性。礦脈采空區底柱底鼓量整體大于頂板下沉量，個別采空區如C10007、C10008（采空區的體積明顯高于其他采空區，體積量超出 10 000 m3）的最大底鼓量超出5 cm，最大值達到5.59 cm，依據容許極限位移量判據，采空區存在潛在穩定性問題（見圖4和表1）。

表1 L27號礦脈所有空區穩定性分析結果

圖4 L27號脈開挖后礦柱豎向位移

1.3 礦柱塑性破壞分析

從礦脈塑性區分布來看，采空區頂底柱和間柱塑性破壞程度較輕，未顯現明顯的塑性貫通區，但存在局部的片幫和冒頂現象，且片幫和冒頂程度隨采空區體積、距離地表深度增大和距離礦脈中部距離減少而逐步加劇（見圖5和表1）。結合現場調研資料，L27號礦脈934 m水平頂底間柱多未塌方，同時沿脈巷道完好、未進行任何支護，而數值分析結果中934 m采空區頂柱、間柱以及沿脈巷所在的底柱塑性破壞程度均相對比較輕微，與現場實際比較相吻合。

圖5 L27號脈開挖后礦柱塑性區分布

2 采空區上下盤圍巖穩定性數值模擬

2.1 采空區上下盤數值計算結果

根據數值模擬計算結果，934～1054 m各中段采場回采后，在原巖內部形成臨空面，采空區周邊巖體向其內部方向產生變形，頂底板及上下盤形成明顯的應力釋放區域，兩側間柱內部則發生不同程度的應力集中現象。應力集聚程度因采空區體積、所處中段位置、距離礦脈中部遠近以及間柱自身尺寸而存在差異，具體表現為間柱周邊采空區體積越大、距離地表越遠，距離礦脈中部越近、自身尺寸越小，應力集聚程度更為劇烈。L27號脈各中段采場開挖后各中段采空區上下盤圍巖的應力場、位移場和塑性區的分布情況如圖6所示，所有空區的穩定性分析結果見表2。

表2 L27號礦脈所有空區上下盤穩定性分析

圖6 L27號礦脈上下盤圍巖應力場、位移場及塑性區分布（934 m中段）

2.2 采空區上下盤穩定性分析

從模擬計算結果來看，L27號礦脈各中段采場回采后，由于礦房回采造成礦脈上下盤形成臨空面，水平應力導致上下盤巖體往采空區內部發生變形，L27號礦脈下盤巖體變形程度較上盤劇烈，進而在部分采空區下盤巖體內部形成拉應力區域，如C30007、C20007，有小范圍區域的拉應力極值超過圍巖的張拉屈服強度，容易造成下盤圍巖產生小范圍的拉伸破壞。

采場礦體開挖后，周邊上下盤圍巖因受擾動影響而發生巖層移動，并以采空區為中心向四周呈“弧狀”擴展，移動程度逐步減弱。從變形數值上看，各個采空區上下盤圍巖的水平位移量相對較小，最大值不超過 4.23 cm，因而從變形角度看，該礦脈采空區上下盤圍巖整體穩固性好。在計算過程中，最大不平衡力的整個平衡過程比較平緩，無明顯突變，所有空區頂底板的垂直位移量控制在10 cm以內，說明采空區不會產生大規模的破壞。

L27號礦脈各中段采場回采作業導致周邊上下盤圍巖發生不同程度的松動破壞，塑性破壞程度同樣受采空區體積、所處中段位置、是否存在臨近礦脈采空區等因素影響。974 m水平C20007采空區受下盤鄰近礦脈 L27-5采場回采擾動影響，與C20008采空區發生了塑性貫通，因而穩定性變差，容易發生塌方。現場調查資料顯示，934 m水平大部分采空區上下盤保持穩定，未發生塌方等失穩現象，與數值分析結果比較一致。由于L27號礦脈礦體圍巖節理裂隙不太發育，整體穩固性好，因而采場開挖后采空區上下盤的塑性破壞程度較輕，不易發生塌方等災害。

3 結論

（1）從 L27脈礦柱應力、位移和塑性區分布情況來看，采場間柱和頂底柱為主要應力集中區，礦柱整體上穩定，在C20006、C10007、C10008采空區周圍礦柱應力最大值達到23.19 MPa，超過巖體的抗壓強度，最大底鼓量也超過了5 cm，發生剪切變形和塑性破壞，存在潛在的穩定性問題。另外，C30006頂柱巖體形成小范圍的拉應力顯現區域，其余均未出現拉應力區域。頂底柱和間柱塑性破壞程度較輕，未顯現明顯的塑性貫通區，但存在局部的片幫和冒頂現象。

（2）在計算過程中，最大不平衡力的整個平衡過程比較平緩，無明顯的突變，L27號礦脈所有采空區頂底板的垂直位移量控制在10 cm以內，說明采空區不會產生大規模的破壞。采空區下盤巖體變形程度較上盤劇烈，在C30007、C20007部分采空區下盤巖體內部形成拉應力區域，容易造成下盤圍巖產生小范圍的拉伸破壞。974 m水平 C20007采空區受下盤鄰近礦脈L27-5采場回采擾動影響，與C20008采空區發生了塑性貫通，因而穩定性變差，容易發生塌方。

（4）考慮到巖體質量差異性以及鑿巖爆破作業擾動等因素影響，進行礦柱回采時應采取一些礦柱應力及位移實時監測和預警措施，回采不穩定采空區周圍礦柱時要盡量采用遙控設備，避免人員進入采空區，條件允許時應先充填采空區，然后在充填體的保護下進行殘礦資源的回采，以確保礦山井下生產安全。