黑牛洞銅礦地應力分布規律及采場結構參數優化研究

鄒文

(九龍縣雅礱江礦業有限責任公司， 四川 甘孜州 626201)

0 引言

隨著礦山開拓、采切、回采作業等采礦工程向深部進行，不同采場結構參數下的地應力直接關系著回采作業安全，地應力分布還決定了采場布置的數量和時空關系。國內多數礦山常采用經驗法參考類似礦山不同埋深、不同采場結構參數下的地應力情況[1-2]，但不同礦山的地應力分布受地質結構、巖體力學性質、礦體完整性等多因素的綜合影響，直接參照同類礦山數據往往導致實際生產過程中地應力過大，采場失穩破壞，造成人員、設備安全事故及資源的浪費，因此，需要針對不同礦山的特征，科學分析、計算與之相適應的地應力數值，確保采場的穩定性，保障礦山的安全生產[2-3]。

理論分析[4-6]可以通過構建力學模型，分析采場的失穩臨界點，從而確定不同采場結構參數下安全合理的地應力分布。相似試驗法[7-8]通過構建相似的采場環境，設計不同結構參數采場，直接判斷采場的穩定狀態及破壞形式，從而給出最佳的地應力分布形態及最大地應力。現場監測法[9-10]則利用監測設備監測井下采場的頂底板沉降等關鍵數據，通過收集異樣數據以判定采場的失穩破壞形態，給地應力規律的研究提供參考。上述方式對于采場地應力的確定起到了積極有效的作用，但由于采場結構參數不同，地應力分布也隨之有較大變化，單一方式無法完全還原實際的應力環境，故本文通過3D-σ有限元法[3,11-14]，構建三維模型，模擬采場在不同埋深、不同采場結構參數下的穩固情況，判斷最佳的地應力范圍，進而保證回采作業中的安全。

1 工程背景

黑牛洞銅礦是川西高品位銅礦山，為典型的露頭藏身的隱伏礦體，總體為傾向南西的單斜構造，走向長度約600 m，傾向長度約700 m，埋深為 200～1000 m，屬于緩傾斜中厚礦體，地質條件中等[15]。

該銅礦采用房柱法進行地下開采，目前主要生產中段為2995中段、3210中段、3250中段及3295中段。礦體頂板為云母片巖，存在遇水弱化現象，實際生產過程中，由于埋深過大，加之采場結構參數選取未充分考慮地應力分布、采場穩固性差別等因素，導致多數礦房在開采過程中發生頂板及圍巖冒落垮塌，造成了較為嚴重的安全隱患及資源的 浪費，急需探尋地應力分布特征，采取相應的安全措施。

在深部地應力較大及淺部礦體破碎帶附近，自拉底巷掘進數米切割上山后，頂部即發生冒落垮塌情況，所留礦房及礦柱難以回收。通過對垮塌采場分析可知，隨著埋深的加深，采場的地應力亦隨之增大，加之空場法回采后的應力重分布，使得區域內存在較大的地應力，從而導致整個區域礦巖結構應力愈發復雜，繼續沿用原結構參數回采將加大上盤礦巖垮塌的風險，難以保證安全作業。因此，需分析該銅礦礦巖物理力學參數，開展采場不同結構 參數下安全地應力的分布范圍，確定各中段采場的布置形式，以解決現有采場難以開采的問題。

2 計算分析

本文選用3D-σ有限元分析軟件，添加真實的礦巖物理力學參數，基于Hoek-Brown準則，簡化構建采場有限元模型并計算，以比較不同埋深和不同采場結構參數下的地應力分布情況，為采礦決策提供依據[15-16]。

2.1 計算方案

選取重點研究礦段，建立不同埋深下的采場模型，分析其穩固性及地應力大小。原始采場結構參數為：一個礦塊分為5個采場，采場垂直走向布置，礦房寬度W1為9 m，礦柱為連續條柱，寬度W2為3 m，后期視采場穩固性將條柱擴刷為點柱?；诘V體賦存特征和工程實際，建立埋深H自200～1000 m下不同礦房、礦柱寬度參數的有限元模型，具體比較方案見表1。

表1 采場結構參數數值模擬比較方案

2.2 計算參數選取

根據巖石類型(mi值)、巖體分級RMR值、巖體結構面發育程度GSI值、巖石單軸抗壓強度指標 和相關的特征參數，對該銅礦的5種主要巖石進行了力學參數的弱化處理。具體數據見表2。

表2 弱化處理后的巖體力學參數

2.3 計算模型

（1）由于開采過程為采二留一，為確保分析模型的準確性，建立尺寸為開采范圍4～5倍的單元模型，礦體模型走向方向為350 m，垂直礦體走向上為400 m，礦體高度為200 m，即計算模型的尺寸為400 m×350 m×200 m。

（2）模型邊界約束。計算模型頂部主要受上部礦巖的均布荷載，具體大小與礦體埋深有關：σv=λ×h，λ為巖體密度，h為埋藏深度。根據礦巖的物理力學性質，分析軟件可根據表1中參數自動施加側壓力，從而完成計算模型的邊界約束，具體模型見圖1。

圖1 帶約束條件的力學模型

（3）網格劃分。網格的劃分是保證有限元模 型計算準確的重要因素。較大網格參數往往會導致計算結果難以貼近真實情況，而過密的網格也會增加軟件的計算時間，故本文采用20節點的高精度等參單元離散模型網絡。整個模型共有12 017個單元，劃分好的網格的單元模型見圖2。

圖2 有限元計算模型初始單元網格

（4）巖體力學參數及屈服準則。巖體力學參數取值見表2，采用巖土工程領域廣泛使用的Drucker-prager塑性屈服準則。

（5）模型開挖。在計算模型開挖前，錄入初始條件，完成初始應力的計算，然后模擬條柱間礦房的開挖，從而分析礦房采場及礦柱的應力分布和穩定情況。

3 模擬結果分析

數值模擬不僅可以模擬房柱法的整個開采過程，還能實時記錄自開挖前至開挖后的應力變化，從而給出巖體各個方向應力的持續變化情況，由此判斷采場失穩破壞的時刻及應力大小，提供采場失 穩破壞的具體特征及不同埋深、不同采場參數下的地應力規律。由于巖體的抗壓強度＞抗剪強度＞抗拉強度，且現場調查發現，該銅礦礦房采場主要受拉破壞，選擇最大抗拉強度作為礦房采場失穩的主要判斷依據，最大抗壓強度作為條柱的主要判斷依據，并以此時的地應力作為該埋深下不同結構參數的最大地應力。

3.1 方案A-方案D數值模擬計算結果

方案A-方案D的數值模擬計算主要用于分析現有采場結構參數下采場的受力情況，驗證數值模擬的數據結果與實際破壞情況是否一致。建立W1為9 m，W2為3 m的單元模型，施加埋深在200～800 m下的地應力，計算不同埋深條件下的拉應力、壓應力、剪應力，計算結構見表3。根據應力分布云圖，判斷采場的破壞失穩位置，以驗證結果的準確性。因篇幅限制，本文僅給出方案A的模擬結果，見圖3。

圖3 方案A（埋深200 m）模擬計算結果

各方案隨埋深變化的最大拉應力、壓應力曲線見圖4。結合模擬數據及應力變化可以看出，隨埋深增加，模型的三向應力均隨之增大。

圖4 現有參數下采場圍巖最大壓/拉應力隨埋藏深度變化曲線

（1）從表3可以看出，采場埋深位于200 m時，頂板區域的拉應力大于礦石抗拉強度（0.568 MPa），采場頂板出現失穩區域，但小于圍巖的抗拉強度（1.355 MPa），因此頂板拉伸破壞區域不會與圍巖連接貫通，空場不會發生大面積冒落事故，局部區域采用錨網支護可以保障采場的安全開采。條柱的壓應力未超過其抗壓強度，故礦柱無失穩風險，為后續的擴刷等提供了較為安全的作業條件。

表3 方案A-方案D的模擬計算應力值結果/MPa

（2）采場埋深位于400 m時，空場、條柱的應力值均已超過礦巖的最大強度值，采場處于危險狀態，可能會發生空區大面積冒落，支護失效，條柱會發生崩角、開裂等情況，現有結構參數下，采場地應力較大，難以安全開采400 m及以下埋深的礦體。

綜上分析，選用礦房9 m寬，條柱3 m寬的采場結構參數模型，模擬結果與實際相符。同時，現有結構參數下，采場地應力分布較差，難以適用于深部的采場開采。為保證井下采場地應力分布的均勻性及采場的安全穩固，在開采200～300 m埋深的礦體時宜選用該參數，但需注意局部失穩區域，并增加該區域的支護措施。

3.2 方案E-方案H數值模擬計算結果

結合方案A-方案D的模擬結果，減小礦房采場的寬度，建立礦房寬度為7 m、礦柱寬度為3 m的單元模型，分析中上部礦段采場的穩固性情況，判斷不同埋深下的地應力分布及各方案具體破壞程度，方案E-方案H的應力狀況見表4。

表4 方案E-方案H的模擬計算應力值/MPa

各方案隨埋深變化的最大拉應力、壓應力曲線見圖5。由圖5可以看出，埋深超過400 m后，采場及頂底柱的應力增加趨勢擴大，進一步驗證埋深增加會伴隨著地應力的非線性增大。

圖5 中上部礦段采場圍巖最大壓/拉應力隨埋藏深度變化曲線

（1）減小了礦房采場的寬度后，空區頂板的 拉應力小于圍巖的抗拉強度，但超過了礦體的抗拉強度。與方案A類似，采場局部區域發生失穩破壞，存在冒頂情況，但由于縮小了采場寬度，采場頂部的拉應力明顯小于方案A（1.213 MPa），故失穩區域較小，安全風險較低。同樣的，條柱地應力分布相對較好，其壓應力未超過礦石抗壓強度，采場處于穩定狀態。

（2）當采場埋深達到400 m時，可以看出采場拉應力（1.657 MPa）超過礦巖的最大抗拉強度，采場穩定性大幅下降。因為礦柱的壓應力未超過抗壓強度，此時位于400 m埋深下開采生產仍可接受，但周邊地應力分布較大，需增加相應的支護措施，避免采場的大面積失穩。

（3）當采場埋深超過600 m時，采場地應力分布較差，采場頂板、礦柱所受應力均超過了失穩的臨界值，空區將發生大面積垮塌，礦柱出現大裂紋，難以支撐兩側空區。

綜上所述，當將礦房寬度縮短至7 m時，采場地應力有了一定的改善，但結合礦巖特性，其地應力在200～400 m范圍內有較好的分布，拉應力、壓應力均未超過破壞的臨界值，采場可以穩定開采。局部地方巖性較好時，可以在500 m埋深下開采。中下部及深部礦體的安全開采仍需進一步調整參數，以調整地應力分布。

3.3 方案I-方案L數值模擬計算結果

根據上述分析，礦柱寬度為3 m，埋深位于400 m時，采場失穩，礦柱局部破壞情況較為明顯，故將條柱寬度擴大至5 m，選用7 m寬礦房和5 m寬條柱的采場結構，以控制井下地應力。為提高研究效率，僅研究模擬分析埋深為400～1000 m的采場，具體結果見表5。

表5 方案I-方案L的模擬計算應力值/MPa

（1）由于增加了礦柱的寬度，礦房采場的應力分布有了明顯的改善，當采場埋深位為400 m時，采場頂板的拉應力（1.111 MPa）雖超過了礦石的抗拉強度，但小于圍巖的最大抗拉強度，僅發生局部冒落，且礦柱能較好的維持穩定?？梢源_定，該采場參數下的采場各應力分布相對均勻合理，采場可安全開采。

（2）當采場埋深位為600 m時，采場頂板的拉應力達到1.670 MPa，礦柱內的壓應力為34.873 MPa，拉壓應力均超過礦巖的極限強度，井下地應力狀況較差，存在采場出現大面積破壞失穩的風險。

（3）而當采場埋深為600 m時，空場頂板及礦柱的壓、拉應力均超過了礦巖的極限強度值，此時開采已經難以保證采場的穩定。特別地，當埋深超過800 m時，模型的應力分布進一步惡化，礦房7 m +礦柱5 m的采場結構將出現“即掘即垮”的現象，無法安全開采。

圖6 中下部結構采場圍巖最大壓/拉應力隨埋藏深度變化曲線

綜合分析認為，設計礦房7 m +礦柱5 m的采場結構參數，其采場地應力僅允許在400～600 m埋深下進行開采活動。由于房柱法回采時，工人需暴露在空場下作業，當埋深達600 m時，上述結構參數仍會造成采場的局部失穩，對于礦巖不穩固的厚大礦段，地應力分布更差，需做好支護加固工作或更改采場結構參數。

3.4 方案M-方案P數值模擬計算結果

為高效安全地回采深部礦體，改善深部采場的地應力分布情況，進一步縮小礦房寬度，選用5 m礦房+5 m條柱的結構參數模擬深部礦體的采場開采穩定性，建立相應的有限元模型，模擬400～1000 m埋深下采場的穩固狀態，具體結果見表6。

表6 方案M-方案P的模擬計算應力值/MPa

由圖7可知，采場頂底板及留設的條柱所受的應力均隨埋深的增加而增大，當礦體埋深超過400 m時，應力增幅擴大。由此可知，深部礦體所處地應力環境較為復雜，合理的采場結構參數是保障安全生產的重要因素。

圖7 深部礦體結構采場周巖最大壓/拉應力隨埋藏深度變化曲線

（1）從模擬結果可知，當礦房寬度變為5 m后，礦柱支撐空區的能力大幅增加，礦體埋深位為400 m時，采場頂部未出現失穩破壞區域，此時采場處于十分穩定的狀態；當增加礦體埋深至600 m時，采場應力分布情況明顯優于方案J及方案K，采場頂板的拉應力略微超過礦石的最大抗拉強度，遠小于圍巖的抗拉強度，局部區域會因拉伸破壞而造成小范圍冒落，采用普通的錨網支護能有效控制采場頂板，確保生產的安全。

（2）而當采場埋深為800 m時，采場頂部的拉應力（1.004 MPa）遠高為600 m埋深時的應力（0.783 MPa）。同時，礦柱所受壓應力超過礦石的單軸抗壓強度（32.794 MPa），此時礦柱會發生壓縮破壞，產生縱向裂縫，但由于采場頂部應力未超過圍巖的極限抗拉強度，采場不會出現大面積的冒落現象，需加強失穩區域的支護工作，以保證采場的穩定性。

（4）當采場埋深為1000 m時，受礦體埋深的影響，采場及礦柱所受的地應力進一步增加，礦柱破壞情況加劇，但采場頂板抗拉強度仍未超過圍巖最大抗拉強度，兩側采場穩固性進一步惡化?？傮w而言，采場仍處于穩固狀態，但支護成本增加。

礦體埋深超過600 m后，地應力進步增加，采場面臨較大的地應力，需嚴格控制采場的暴露空間。采用礦房5 m+礦柱5 m的采場結構后，采場地應力分布大為改善，拉、壓應力值明顯優于7 m及9 m的采場結構方案。

4 結論

綜上分析，采場安全開采的影響因素眾多，其中最為重要的為礦體的埋藏深度。埋深的大小直接影響礦體周邊的應力環境，不同采場結構參數下，其能承受的地應力大小也不盡相同，數值模擬分析，結果表明，隨著埋深的增加，采場的最大拉壓應力等關鍵數據均隨之增大。具體結論如下：

（1）大礦房小礦柱結構參數所能承受的地應力較小，以礦巖的最大抗拉強度為破壞標準，礦體埋深小于200 m時，9 m+3 m的采場結構參數較為合理，采場可安全回采；

（2）當礦體埋深介于200～400 m時，礦體地應力增加，7 m+3 m的采場結構在能承受地應力的同時，可最大限度地開采礦石；

（3）埋深超過400 m后，地應力進一步增加，此時需進一步增加礦柱寬度，7 m+5 m的采場結構較為適宜于中下部礦段的開采；

（4）礦體向深部延伸時，采場地應力較大，較小的采場參數難以保證礦石的安全開采，針對其地應力特征，宜選用5 m+5 m的采場結構，為避免地應力過大而發生采場失穩破壞，需嚴格控制采場暴露空間，加強頂板管理，以控制地應力，達到安全開采的目的。