深部開采對下盤豎井穩定性影響的研究

丁子晨

(內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院, 內蒙古 包頭市 014010)

井筒對于礦山而言是極其重要的構筑物,一般會服務于礦山的整個生命周期,是礦山諸多生產活動的必經之路,井筒的穩定關乎礦山提升礦石、運送人員和設備、通風、排水等作業。然而,在深部開采過程中,由于深部礦塊回采時常導致井筒變形破裂,給礦山企業造成了不可挽回的經濟損失和人員傷亡。因此,分析研究深部開采對井筒穩定性的影響對保障礦山安全生產具有重要意義。

本文以內蒙古某金礦為工程研究背景,通過建立礦山三維數值模型、測定礦山巖體物理力學參數,釆用數值模擬軟件FLAC3D模擬礦山32號礦體動態開采過程,分析32號礦體開采對下盤豎井穩定性造成的影響,研究成果對于礦山安全生產和下盤豎井的穩定性評價具有重要指導意義。

1 數值模擬

某金礦位于內蒙古自治區包頭市九原區,32號礦體分布于該礦區中部,分布在103#至32#勘探線之間,32號礦體是礦區內的主要開采礦體,32號礦體呈北西走向、南西傾向,礦體長為1750 m,礦體延深大,從地表延深至地下-300 m標高,共延深1100 m,淺部礦體傾角緩,深部礦體逐漸變陡,礦體平均厚度為1.82 m,礦體厚度穩定,平均傾向為215°,傾角由西向東逐漸變陡,平均傾角為50°,礦體和圍巖質量良好,礦區巖體較穩定,礦體呈大脈狀—似層狀產出,礦區工程地質類型屬于以半堅硬—堅硬塊狀巖類為主的中等類型。

該礦山采用平硐-上盤豎井-下盤豎井聯合開拓,其中下盤豎井井口標高為＋698 m,井底標高為＋188 m,井深510 m,服務于下部開采中段,下盤豎井設計采用圓形斷面,井筒直徑為5 m,凈斷面為19.63 m2,下盤豎井在向下延伸時穿過32號礦體,與32號礦體相交。32號礦體的開采會造成覆巖的塌陷或移動,進而對下盤豎井的穩定性造成影響,因此,本文主要分析研究32號礦體開采對下盤豎井穩定性的影響。

1.1 數值模型

圈定103#至32#勘探線之間的礦體作為本次數值模擬的研究范圍,結合礦山工程地質條件、礦體的走向、傾向、延伸、厚度以及采場結構參數等實際情況,并根據井筒和礦體的實際坐標、深度以及相對空間位置關系,運用3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模的方法建立了與該礦地表形態、礦體開采現狀、礦體產狀相一致的三維礦山模型,并利用Griddle插件對模型進行了細致的網格劃分,建立好的礦山三維數值計算模型如圖1所示,模型沿Y軸方向長度為1100 m,沿X軸方向長度為1200 m,沿Z軸方向高度為1600 m,模型共有862 616個節點、1 427 207個單元。

圖1 礦山三維數值計算模型

1.2 模型邊界條件及模擬條件假設

本次模擬將模型的前后兩個面設置為Y方向的位移為0,將模型的左右兩個面設置為X方向的位移為0,將模型下邊界設置為固定邊界,將模型地表設置為自由邊界,約束好模型邊界條件后執行初始應力場平衡,最后清除模型的速度場和位移場[1]。

因為該金礦的巖體是一種彈塑性材料,因此,給礦山三維模型賦予Mohr-Coulomb(摩爾庫倫)本構模型關系,將模型中的礦體、圍巖均定義為連續的均勻性介質,即各向同性的介質,在數值模擬過程中假設自重力為主要的地應力[2]。

1.3 巖體物理力學參數的確定

合理的巖體力學參數是確保數值模擬計算結果準確的基礎,通過室內各項巖石力學試驗測定了該金礦各類巖石的各項物理力學參數,再利用廣義Hoek-Brown強度準則對室內試驗得到的參數進行修正折減,綜合分析后得出本次數值模擬計算所需的各項巖體物理力學參數,見表1。

表1 巖體力學參數

1.4 模擬過程

該金礦目前的開采方法為分段空場法,自上而下分中段進行開采,所以結合礦山實際生產方式,模擬礦山分段空場法自上而下開挖188～-300 m之間的32號礦體,共分13步,模擬開挖步驟見表2。

表2 32號礦體開挖步驟

1.5 監測點布置

在下盤豎井周邊每個中段布置1個位移監測點,共布置13個豎井位移監測點,測點坐標及編號見表3。

表3 下盤豎井監測點布置

2 數值模擬結果分析

為了分析32號礦體188～-300 m開采對下盤豎井穩定性的影響,利用模擬軟件FLAC3D模擬礦山32號礦體動態開挖過程,并根據模擬得到的下盤豎井圍巖變形量、應力集中情況和塑性區分布特征,對下盤豎井的穩定性做出評價。

2.1 應力分析

礦山地下開采作業破壞了原巖原始應力場,產生了新的次生應力場[3],當32號礦體188～-300 m開采完成后,下盤豎井圍巖的最大主應力、最小主應力分布如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可以看出,當32號礦體188～-300 m開采完成后,下盤豎井圍巖中應力集中現象明顯,下盤豎井圍巖中應力集中情況由近及遠逐漸減小,在遠離下盤豎井的地方逐漸恢復原巖原始應力狀態。下盤豎井圍巖主要受壓應力作用,且最大壓應力值為118.3 MPa,大于圍巖的抗壓強度104.7 MPa,證明在開采過程中下盤豎井受開采擾動影響大,圍巖穩固性差,易發生變形破壞。

圖2 188～-300 m開采后下盤豎井最大主應力云圖

圖3 188～-300 m開采后下盤豎井最小主應力云圖

2.2 塑性區分析

當豎井圍巖受力變形超過其自身彈性極限時,就會發生不可恢復的變形,進而形成塑性破壞區,塑性破壞區分布大小反映了豎井圍巖的完整性[4],因此,可以將豎井圍巖中塑性區的分布大小作為判斷豎井穩定性的依據。

當32號礦體188～-300 m開采完成后,下盤豎井圍巖中塑性區分布情況如圖4所示,根據圖4可知,下盤豎井圍巖中主要發生了剪切破壞,且范圍較大,表明32號礦體188～-300 m開采完成后,下盤豎井圍巖完整性差,處于不穩定的狀態。

圖4 下盤豎井塑性區分布云圖

2.3 位移分析

根據《有色金屬采礦設計規范》(GB 50771—2012)中的規定,建(構)筑物的變形量應滿足表4中的變形允許值[5]。該金礦下盤豎井屬于Ⅰ級保護建(構)筑物,按規定下盤豎井的水平變形量不應超過±2 mm/m傾斜變形量不應超過±3 mm/m,該金礦豎井的直徑為5 m,故該金礦豎井的水平變形量不應超過±10 mm,傾斜變形不應超過±15 mm。

表4 建(構)筑物位移與變形的允許值

32號礦體開采過程中下盤豎井水平變形情況如圖5所示,由圖5可知,32號礦體深部開采過程中,下盤豎井發生較大水平變形,從上往下水平變形量越來越大。下盤豎井698～278 m之間的水平變形小于-2 mm/m,而278 m以下部位水平變形大于-2 mm/m,下盤豎井最大水平變形位于188 m中段,最大水平變形為-2.4 mm/m,超過了規定的下盤豎井水平變形安全許可范圍。

圖5 下盤豎井水平變形

由圖6可知,32號礦體188～-300 m開采過程中,下盤豎井發生傾斜變形的量很小,下盤豎井傾斜變形量在-0.1 mm/m～0.3 mm/m之間,下盤豎井最大傾斜變形量位于698 m中段,整體而言下盤豎井傾斜變形量沒有超過規定的傾斜變形安全許可范圍。

圖6 下盤豎井傾斜變形

如圖7所示,在前期的開采中,下盤豎井的變形速率較為平緩,變形量較低,當32號礦體開挖至58 m中段時,下盤豎井的最大變形量位于698 m中段,且最大變形量為-0.55 c m,接下來隨著開采深度的增大,下盤豎井的變形速率也逐漸增大,當32號礦體-22 m中段開挖完成后,下盤豎井的最大變形量位于698 m中段,最大變形量為-1.33 c m,當32號礦體-62 m中段開挖完成后,下盤豎井698 m中段和658 m中段最大變形量為-1.53 c m,根據《有色金屬采礦設計規范》的規定,下盤豎井最大變形不得超過1～1.5 c m,證明32號礦體開挖至-62 m中段時,下盤豎井的變形量就已經超過規定的安全范圍,當32號礦體188～-300 m開采完成后,下盤豎井的最大變形量位于378 m中段,且最大變形值為-3 c m。

圖7 下盤豎井位移監測

隨著32號礦體開采深度的增加,下盤豎井的變形速率和變形量都不斷增加,且超過了安全許可范圍,證明32號礦體開采對下盤豎井的穩定性影響較大,下盤豎井穩定性差,易發生失穩變形。

3 結論

(1)下盤豎井圍巖中應力集中明顯,所受到的最大壓應力大于圍巖的抗壓強度,圍巖穩固性差。

(2)從塑性區分布情況來看,在32號礦體開采過程中,下盤豎井圍巖發生了較大范圍的剪切破壞,下盤豎井處于不穩定的狀態。

(3)在32號礦體開采過程中,雖然下盤豎井的傾斜變形量沒有超過安全許可范圍,但下盤豎井水平變形量超過了規定的安全許可范圍,且在開采過程中逐漸變大,下盤豎井的最大變形量位于378 m中段,最大變形值為-3 c m,超過了規定的安全許可范圍。