基于數值模擬的高壓采場卸壓方案研究①

馬春德， 譚觀霜， 侯奎奎， 謝偉斌， 徐家慶

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 2.山東黃金集團深井開采實驗室，山東 萊州 261442）

隨著地下礦山開采深度加深，深部巷道的高地應力導致巖爆災害發生頻率加大［1］。 嚴重的巖爆災害表現為圍巖爆裂彈射甚至拋擲性破壞，并發出巨響。巖爆具有突發性，并迅速向圍巖深部發展，對人員及設備的安全造成極大威脅［2－4］。 近年來，一些學者發現進行卸壓開采可以有效改善圍巖應力狀態從而達到減小巖爆的目的［5－12］，但大多是簡單情況下的卸壓巷道開挖研究，較少涉及采空區較多的情況。

甘肅小廠壩鉛鋅礦區主要采用中深孔落礦采礦法，部分采區進行嗣后充填，大部分采空區未經處理。大量采空區存在會誘發巖體應力轉移并產生大量高應力區，高應力條件下工程硬巖易發生巖爆。 小廠壩礦區由于前期開采不合理，其1 號礦體－800 m 中段大量優質礦石周圍采空區密布，采場地壓增大，開采存在很大安全隱患，已多次發生巖爆災害，對生產活動造成嚴重影響。 本文以小廠壩礦區為工程背景，結合數值模擬和理論分析，提出了2種不同卸壓方案并進行了數值模擬驗證，以期為小廠壩礦區安全回采礦房提供參考。

1 模型建立和參數選取

1.1 數值模型的建立

小廠壩礦區覆蓋范圍較廣，礦體形狀很不規整，采用現有的數值模擬軟件，如果按實際情況來處理，往往會導致網格劃分出錯，網格數量超過軟件上限值，達不到精度要求。 對此，根據礦區礦體和空區的位置，將實際問題簡化成一個長、寬、高分別為2 000 m、1 000 m、900 m 的方塊，1 號礦體厚度16.2 m。 對于未開采的礦體，其形狀和邊界位置對模型影響很小，可以忽略，在此進行相應簡化，如圖1所示。采用摩爾-庫倫準則分析圍巖材料的本構模型。

圖1 礦體三維建模圖

1.2 材料參數

根據研究目的，對小廠壩礦區含礦灰巖、灰巖、礦巖和黑云母石英片巖4種巖石的力學參數進行了測試，利用經驗公式、Hook-Brown 準則［13］以及Serafim，Pereira 等人提出的彈性模量與RMR 的關系對各項力學參數進行工程折算，結果見表1。

表1 計算模型中的力學參數

1.3 邊界條件

分別在850 m、800 m 和750 m 共3個中段不同位置取了5個巖芯，進行原巖應力測量，以便確定模型應力邊界條件。 結果發現800 m 中段最大主應力最高高達30 MPa，遠遠超過實際測得巖石的單軸抗壓強度，這也反映了進行卸壓開采的必要性。

對模型底邊施加位移邊界條件，上表面為自由面。單元所受應力隨著埋深增加而增加，模型前后左右4個面必須為漸變應力邊界條件。 根據測得的地應力結果可以得到邊界條件中漸變應力梯度為：垂直方向0.023 MPa/m，最小水平主應力方向0.018 MPa/m，最大水平主應力方向0.039 MPa/m。

2 卸壓方案及其模擬分析

2.1 采場卸壓方案

為了進行安全回采，制定了2種卸壓方案：

方案1：在分層鑿巖巷道內每間隔10 m 開鑿卸壓巷道，卸壓巷道與鑿巖巷道呈“非”字形，卸壓巷道斷面尺寸2.8 m×2.8 m，垂直于鑿巖巷道。

方案2：在分層鑿巖巷道內，開鑿兩組交錯卸壓巷道，上下分層互相交錯。 雙排卸壓巷道，間隔20 m，單排卸壓巷道與礦體邊界距離為25 m。 卸壓巷道斷面尺寸2.8 m×2.8 m，皆垂直于鑿巖巷道。

卸壓方案具體結構如圖2～3 所示。

圖2 卸壓方案1 結構示意（單位：m）

2.2 方案1 模擬結果分析

對方案1 進行數值模擬，其中x方向為水平最大主應力方向，z方向為水平最小主應力方向。 由于最大應力在水平方向上，卸壓方案主要針對水平方向，同時也對比一下鑿巖巷道頂板應力分布情況，模擬結果如表2 所示。

表2 方案1 模擬結果

圖3 卸壓方案2 結構示意（單位：m）

由表2可以看出，卸壓前后x方向應力變化不大；相比于卸壓前，卸壓后z方向應力在鑿巖巷道兩旁產生了一定應力釋放，兩側應力降低區顯著擴大，其中貼近鑿巖巷道的部分區域應力值由卸壓前的8 MPa 降至卸壓后的5 MPa 左右。 對于頂板區域，z方向應力在鑿巖巷道頂板兩側卸壓效果并不明顯。 相較于卸壓前，z方向應力在鑿巖巷道頂板附近產生了較小的卸壓效果，應力最低值由卸壓前的9 MPa 降至8 MPa左右。

由以上分析可以看出，x方向應力卸壓效果明顯不如z方向。

2.3 方案2 模擬結果分析

為了驗證方案2 的可行性，對其進行了數值模擬研究。 將x方向設為水平最大主應力方向，z方向為水平最小主應力方向。 由于此方案中卸壓巷道在上下層中非對稱布置，分別對上層和下層卸壓巷道進行比較分析。 模擬結果如表3 所示。

由表3可以看出，卸壓后，上層鑿巖巷道附近x方向應力幾乎沒有變化，下層鑿巖巷道兩側的x向應力變化較??；鑿巖巷道與卸壓巷道交匯處z方向應力降低明顯，由卸壓前的8 MPa 降至4 MPa 左右，卸壓后鑿巖巷道周圍應力區域無明顯變化。 對于頂板區域，x方向上層卸壓后，鑿巖巷道頂板附近應力狀態無明顯變化；下層卸壓后，兩條鑿巖巷道兩側礦體應力降低較明顯，由原來的24 MPa 降至20 MPa；z方向上層卸壓后，鑿巖巷道的頂板附近區域應力有所降低，從9 MPa降至8 MPa；下層卸壓后，鑿巖巷道和卸壓巷道頂板附近區域應力也有所降低，從9 MPa 降至8 MPa 左右。

表3 方案2 模擬結果

2.4 對比分析

對比方案1 與方案2 的卸壓效果可以發現，最大水平應力方向（x方向）卸壓效果不如最小水平應力方向（z方向）。 由此可見，若是卸壓巷道走向與x方向平行，會使得x方向應力卸壓效果沒有z方向卸壓效果好。 為取得更好的卸壓效果，應使卸壓巷道走向與最大主應力方向保持垂直。

在方案2 中，最小主應力在鑿巖巷道附近降低幅度為4 MPa，大于方案1 的3 MPa；在鑿巖巷道頂板附近降低幅度為1 MPa，最大主應力在鑿巖巷道頂板附近降低幅度為4 MPa。 方案2 的卸壓效果明顯優于方案1。

小廠壩礦區采用方案2 進行卸壓巷道施工，很好地改善了礦體周圍的應力分布狀況，并且安全地完成了60 萬噸礦體開采。

3 結 論

1） 卸壓巷道與最大主應力垂直時，卸壓巷道的開挖能降低鑿巖巷道周邊的應力，能獲得較好的卸壓效果。

2） 對于方案1，最大主應力在鑿巖巷道附近并無較大變化，卸壓效果不明顯。 最小主應力在鑿巖巷道兩邊及其頂板附近分別從8 MPa 和9 MPa 降至5 MPa及8 MPa，說明在鑿巖巷道兩邊及卸壓巷道頂板附近取得了一定的卸壓效果。

3） 對于方案2，最小主應力在鑿巖巷道與卸壓巷道的交匯處從8 MPa 降至4 MPa，巷道交匯處是工程實踐中事故頻發位置，此處應力降低對工程安全具有重要意義。最大主應力在下層鑿巖巷道頂板附近由24 MPa 降至20 MPa，最小主應力在上、下層鑿巖巷道頂板附近均由9 MPa 降至8 MPa，頂板區域卸壓效果十分理想。

4） 對比方案1 和方案2 的卸壓效果發現，方案2的卸壓效果明顯優于方案1。 小廠壩礦區按照方案2進行卸壓巷道施工并安全地完成了60 萬噸礦體開采。