采場開采順序與采場穩定性研究

夏長念

（中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

隨著我國采礦技術的發展和探礦工作的重大突破，一大批大規模的地下礦山進入了實質性開發階段。為有效保護環境，大多數礦山均采用了充填法開采，為了提高產能，降低生產成本，礦山均優先選用大直徑深孔采礦法[1-3]。但該方法同時也會因為更大空間的暴露，易導致空區失穩引起較大的生產和安全事故[4-5]。因此，開展開采過程中的采空區穩定性分析、加強采空區管理十分重要。

當前數值計算方法成為了研究采空區穩定問題的主要方法。可以通過輸入礦巖體物理力學參數、地應力參數和開采條件等，通過數值模擬軟件能夠進行直觀進行應力場、位移場分析，從而對前期推薦的開采參數進行驗證分析，得到圍巖變形破壞的分析結果[6]。

1 項目簡介

該礦的成礦巖體為花崗斑巖，具有典型的斑狀結構。該礦床主礦體只有一個，是本礦床中規模最大的礦體，占總金屬資源量的99%。設計采用主井、副井+輔助斜坡道的開拓系統，生產規模為1000萬噸/年，采礦方法為大直徑深孔空場嗣后充填法，采場空區采用全尾砂高濃度膠結充填，首采中段為-450m中段，距地表深度約800m。

2 原巖應力測量

2.1 主井工勘鉆孔地應力測量

主井工勘鉆孔孔口標高為+378.14m，孔底標高為-650.15m，鉆孔深度為1028.19m。現場對獲得的9段有效壓裂曲線進行了初步分析和篩選，選取了4個壓裂段進行印模試驗，以確定鉆孔最大水平主應力方位。4個印模試驗段深度分別為：464.00m、494.45m、502.00m和565.00m。主井鉆孔水壓致裂地應力測量壓裂參數和主應力值計算結果見表1。

表1 主井工勘鉆孔地應力測量主要參數及計算結果

2.2 1#進風井工勘鉆孔地應力測量

1#進風井工勘鉆孔孔口坐標為397.012m，孔底坐標為-490.038m，孔深887.05m。根據鉆孔巖芯觀察結果，選擇了20個深度段作為水壓致裂測試的預選段。現場測試工作自上而下依次進行。總計獲得了8個測段的有效測試數據，具體測段深度及測試結果見表2。

表2 1#進風井工勘鉆孔水壓致裂地應力測量結果表

2.3 2#進風井工勘鉆孔地應力測量

2#進風井工勘鉆孔孔口坐標為+283.226m，孔底坐標為-456.314m，孔深739.54m。通過試驗，累計在該鉆孔458m深度以上進行了壓裂試驗13次，獲得有效測量曲線12段，為確定該孔主應力大小提供了翔實可靠的基礎數據。2#進風井鉆孔水壓致裂地應力測量壓裂參數和主應力值計算結果見表3。

表3 2#進風井鉆孔水壓致裂地應力測量結果

3 巖石力學性質

頂部圍巖覆于礦體之上，礦體中心部位厚度較小，一般200m～350m，最小地段不足200m，向四周厚度漸增，至礦體外圍與底部圍巖連為一體，沒有明確的分界線。巖性為黃鐵絹英巖化正長巖及蝕變較強二長花崗巖等。巖石破碎，性脆，裂隙較發育，尤其閉合狀隱形細裂紋發育，錘擊易碎裂。鉆孔RQD值4.7%～78%不等，平均48.6%。巖石單軸天然抗壓強度81.6～183.1MPa，平均為106MPa。巖石完整性穩定性均較差，變化較大，與礦體直接接觸構成礦體直接頂板。對礦山開采有較大的不利影響。

含礦帶為蝕變正長巖及花崗巖，總體呈筒狀，埋藏較淺的礦體裂隙發育，破碎，完整性穩固性較差。隨埋藏深度的增加礦石完整性越來越好，深部礦石裂隙被后期蝕變礦物充填愈合程度很高，RQD值46.0%～94.2%，平均RQD為80.6%。礦石單軸天然抗壓強度97.7～166.4MPa,平均為141.5MPa，屬堅硬巖石，礦體的完整性、穩定性總體較好。

由于埋藏深度較大，巖石裂隙多被充填愈合，RQD值一般大于80%，鉆孔平均RQD值為90.3%，巖石質量屬極好的。礦石單軸天然抗壓強度84.2～165.5MPa,平均為128.8MPa，屬堅硬巖石，巖石完整性、穩固性均很好。

礦巖石及巖體質量分級見表4所示。

表4 巖石及巖體質量分級表

4 模型建立

建模范圍：走向長1200m，垂直走向600m，高度700m，模型參數及開采范圍見表5，模型見圖1。

表5 模型參數表

圖1 開采數值模擬模型

5 計算參數

本次數值模擬的參數主要依據地質報告并參考其他礦山選取，計算中采用的礦巖力學參數見表6。

表6 計算中采用的巖體力學參數表

計算中原巖應力根據地應力測量研究報告成果選取，其規律如下：

6 計算方案及結果

6.1 計算方案

按照采礦工藝方案進行模擬開挖，開挖的礦房高度為100m，礦房大小為40m×40m。模型開挖順序見圖2。

圖2 采場回采步驟示意圖

6.2 計算結果

為了方便了解每步開采后圍巖的應力及塑性區拉應力區狀態，計算中選取了三個垂直剖面I-I、II-II、III-III及一個-400m水平面，垂直剖面位置見圖2。

（1）第一步采場開挖

開采第一步采場后，II-II剖面最大、最小主應力分布見圖3和圖4，塑性區拉應力區分布見圖5。圖3中淺藍色區域為應力增大區域，主要分布在頂、底板應力釋放區后部，最大主應力為35MPa。圖4最小主應力分布中黃色區域為應力釋放區，最小主應力為-0.178MPa，在該剖面上沒有出現拉應力。圖5反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區。

圖3 開采第一步采場II-II剖面最大主應力分布

圖4 開采第一步采場II-II剖面最小主應力分布

圖5 開采第一步采場II-II剖面塑性區拉應力區分布

開采第一步采場后，采場中部-400m平面最大、最小主應力分布見圖6和圖7，塑性區拉應力區分布見圖8。圖6中淺藍色區域為應力增大區域，兩邊的采場應力集中區域分布在角落處，中間采場應力集中區分布在應力釋放區后部，此剖面上最大主應力為37.98MPa。在圖7最小主應力分布中，采場周圍應力釋放區很明顯，在中間的采場側壁有個別單元出現拉應力（圖7中淺黃色區域），最大拉應力為0.059MPa。圖8反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區。

圖6 開采第一步采場-400m平面最大主應力分布圖

圖7 開采第一步采場-400m平面最小主應力分布圖

圖8 開采第一步采場-400m平面塑性區拉應力區分布圖

（2）第二步采場開挖

開采第二步采場后，II-II剖面最大、最小主應力分布見圖9和圖10，塑性區拉應力區分布見圖11。圖9中淺藍色區域為應力增大區域，主要分布在采場的四個角落處，最大主應力為35.4MPa。圖10最小主應力分布中局部單元出現拉應力，最大拉應力為0.03MPa。圖11反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區。

圖9 開采第二步采場II-II剖面最大主應力分布圖

圖10 開采第二步采場II-II剖面最小主應力分布圖

圖11 開采第二步采場II-II剖面塑性區拉應力區分布圖

開采第二步采場后，采場中部-400m平面最大、最小主應力分布見圖12和圖13，塑性區拉應力區分布見圖14。圖12中淺藍色區域為應力集中區域，采場應力集中區域分布在角落處，此剖面上最大主應力為35.77MPa。在圖13最小主應力分布中，采場周圍應力釋放區很明顯，在采場側壁有個別單元出現拉應力（圖13中淺黃色區域），最大拉應力為0.374MPa。圖14反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區。

圖12 開采第二步采場-400m平面最大主應力分布圖

圖13 開采第二步采場-400m平面最小主應力分布圖

圖14 開采第二步采場-400m平面塑性區拉應力區分布圖

（3）第三步采場開挖

開采第三步采場后，I-I剖面最大、最小主應力分布見圖15和圖16，塑性區拉應力區分布見圖17。圖15中淺藍色區域為應力增大區域，主要分布在采場的四個角落處，最大主應力為37.7MPa。圖16最小主應力分布中采場側壁局部單元出現拉應力（圖中淺黃色部分），最大拉應力為0.305MPa。圖17反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區，淺綠色區域為曾經出現拉應力的區域。

圖15 開采第三步采場I-I剖面最大主應力分布圖

圖16 開采第三步采場I-I剖面最小主應力分布圖

圖17 開采第三步采場I-I剖面塑性區拉應力區分布圖

開采第三步采場后，采場中部-400m平面最大、最小主應力分布見圖18和圖19，塑性區拉應力區分布見圖20。圖18中淺藍色區域為應力集中區域，采場應力集中區域分布在采場原巖的角落處，此剖面上最大主應力為38.68MPa。在圖19最小主應力分布中，采場周圍應力釋放區很明顯，在采場側壁有個別單元出現拉應力（圖19中淺黃色區域），最大拉應力為0.599MPa。圖20反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區，淺綠色區域為曾經出現拉應力的區域。

圖18 開采第三步采場-400m平面最大主應力分布圖

圖19 開采第三步采場-400m平面最小主應力分布圖

圖20 開采第三步采場-400m平面塑性區拉應力區分布圖

（4）第四步采場開挖

開采第四步采場后，III-III剖面最大、最小主應力分布見圖21和圖22，塑性區拉應力區分布見圖23。圖21中淺藍色區域為應力增大區域，主要分布在采場側壁角落處及底板角落，最大主應力為39.21MPa。圖22最小主應力分布中淺黃色部分為最大的應力釋放區，在此剖面上沒有出現拉應力。圖23反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區。

圖23 開采第四步采場III-III剖面塑性區拉應力區分布圖

開采第四步采場后，采場中部-400m平面最大、最小主應力分布見圖24和圖25，塑性區拉應力區分布見圖26。圖24中淺藍色區域為應力集中區域，采場應力集中區域分布在采場的四個角落處，此剖面上最大主應力為37.62MPa。在圖25最小主應力分布中，采場周圍應力釋放區很明顯，在采場側壁有個別單元出現拉應力（圖25中淺黃色區域），最大拉應力為0.193MPa。圖26反映了采場周圍的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區，僅出現在第四步開采角落的二個采場圍巖中。

圖24 開采第四步采場-400m平面最大主應力分布圖

圖25 開采第四步采場-400m平面最小主應力分布圖

圖26 開采第四步采場-400m平面塑性區拉應力區分布圖

開采第四步采場后，采場頂板平面最小主應力分布見圖27，塑性區拉應力區分布見圖28。在圖27最小主應力分布中，淺黃色區域為采場頂板出現拉應力的單元，最大拉應力為0.178MPa。圖28反映了采場頂板的塑性區拉應力區分布，圖中淺藍色區域為最終的剪切塑性區，主要出現在第四步開采角落的二個采場頂板中。

圖27 開采第四步采場頂板平面最小主應力分布

圖28 開采第四步采場頂板平面塑性區拉應力區分布

7 結論

通過數值計算分析可得如下結論：

（1）第一步的采場開采時，最大主應力為37.98MPa，周邊礦柱圍巖出現最大拉應力僅為0.059MPa，且此時第二步驟的礦柱沒有被塑性區貫通，不會出現整體失穩情況；

（2）第二步的采場開采時，最大主應力為35.77MPa，周邊礦柱圍巖拉應力最大值為0.374MPa，且此時采場兩邊的塑性區范圍較小，不會對第三和第四步驟采場的穩定性造成較大的不利影響；

（3）第三步的采場開采時，最大主應力為38.68MPa，周邊礦柱圍巖拉應力最大值為0.599MPa，且此時采場兩邊的塑性區沒有貫通第四步驟采場的礦柱，因此第四步驟采場礦柱不會出現整體失穩情況；

（4）第三步的采場開采時，最大主應力為39.21MPa，周邊礦柱圍巖拉應力最大值為0.193MPa，且此時已回采區域周邊并沒有出現較大范圍的塑性區，因此對后續采場的穩定性影響不大；

（5）整體四步驟的采場全部回采完畢后，采場頂板出現的最大拉應力僅為0.178MPa，且沒有出現大范圍的塑性區，因此對上一個中段的采場穩定性也不會造成太大的影響；

（6）設計選定的40m×40m×100m采場結構參數以及確定的開采順序能夠滿足周邊礦柱及圍巖穩定的要求，生產中的安全可以得到保證。