顏克俊 ,史秀志 ,姚 曙 ,曹勝祥 ,黃宣東

(1.中金嶺南凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關(guān)市 512100；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

斷層結(jié)構(gòu)面對(duì)VCR法間柱穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

顏克俊1,史秀志2,姚 曙1,曹勝祥1,黃宣東2

(1.中金嶺南凡口鉛鋅礦， 廣東 韶關(guān)市 512100；2.中南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

針對(duì)斷層影響VCR法間柱回采的穩(wěn)定性問題，分析了凡口鉛鋅礦主要的控礦斷裂位于下盤時(shí)對(duì)VCR法間柱穩(wěn)定性的不利影響，建立了包含分界面單元的FLAC3D數(shù)值模型，獲得了側(cè)向崩礦過程的應(yīng)力、位移和塑性分布情況。結(jié)果表明，回采過程中斷層處的應(yīng)力逐步釋放，位移呈一致性，兩幫充填體負(fù)載增加，剪切和拉伸塑性嚴(yán)重，存在間柱采場(chǎng)失穩(wěn)的可能，應(yīng)合理設(shè)計(jì)崩礦步距和慎重切采下部硐室點(diǎn)柱。

間柱采場(chǎng)；斷層；VCR法；穩(wěn)定性；數(shù)值分析；FLAC3D

0 引 言

VCR法具有安全高效的特點(diǎn)，在國內(nèi)外的礦山廣泛應(yīng)用。凡口鉛鋅礦是我國重要的鉛鋅生產(chǎn)基地，于1970年代末試驗(yàn)VCR法并獲得成功，經(jīng)過30多年的發(fā)展，采礦工藝得到了重大改進(jìn)[1]。但隨著間柱回采條件惡化，VCR法間柱采場(chǎng)存在諸多穩(wěn)定性問題，尤其是在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的地段。大斷層作為地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)烈形式，它的存在破壞了巖體的連續(xù)性與完整性，它不僅降低了巖體的強(qiáng)度，增大了巖體的變形量，而且還控制著巖體的破壞模式。斷層處地應(yīng)力集中，最有可能成為地壓活動(dòng)的劇烈區(qū)域，成為采礦過程最危險(xiǎn)的因素[2]。

目前，數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用于地下采礦工程的穩(wěn)定性分析中，本文在地質(zhì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析大斷層的特點(diǎn)，通過分析關(guān)鍵部位的應(yīng)力、位移以及塑性分布的特征，得出大斷層對(duì)VCR法間柱的穩(wěn)定性影響規(guī)律，為采礦生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 大斷層特征

凡口鉛鋅礦礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育有3組斷裂[3]：NNW向的F203斷裂，為礦區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的斷裂；NNE向的F3、F4、F5、F6等，為礦區(qū)內(nèi)主要的控礦斷裂；NE向的F101、F102等，為主要的容礦斷裂。

礦床地質(zhì)條件復(fù)雜，礦體分布受構(gòu)造斷裂帶控制，分布在斷層的上下盤。對(duì)凡口礦開采影響較大的主要是F3為主的控礦斷層。F3斷層為逆斷層，斷裂長(zhǎng)度已控制的有900 m，推測(cè)有2800 m，斷距260 m，走向12°～192°，傾向102°，傾角85°，斷裂帶一般寬度為6 m。F3斷層作為控礦斷裂，一般位于礦巖分界面。

圖1 下盤F3斷層位置示意

1.2 VCR法間柱回采工藝

采用VCR法回采間柱的前提是礦房必須是膠結(jié)充填，保證回采過程中礦房充填體的穩(wěn)定性以及采場(chǎng)自身的穩(wěn)定性。按照礦體形態(tài)、裝藥結(jié)構(gòu)、爆破順序等不同可將崩礦方式分為VCR法深孔崩礦、VCR法切槽—全孔側(cè)向崩礦、VCR法切槽—分段側(cè)向崩礦(或稱倒梯段側(cè)向崩礦)[4-5]。目前凡口鉛鋅礦主要采用VCR法切槽—全孔側(cè)向崩礦，這種適合采場(chǎng)長(zhǎng)度方向較長(zhǎng)的采場(chǎng)，采場(chǎng)爆破次數(shù)少，效率高。

VCR法回采間柱時(shí)，都要掘進(jìn)鑿巖硐室和出礦硐室，間柱礦體主要受到上下盤圍巖和充填體的約束作用。但隨著分次爆破的應(yīng)力擾動(dòng)，采場(chǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，斷層結(jié)構(gòu)面處的巖體力學(xué)強(qiáng)度較低，而兩幫充填體的支撐力是有限的。因此在設(shè)計(jì)崩礦順序、破頂層厚度、側(cè)向崩礦長(zhǎng)度時(shí)都要考慮斷層對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，以免出現(xiàn)采場(chǎng)整體失穩(wěn)。

2 數(shù)值建模與參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型建立

建模采用FLAC3D自帶的強(qiáng)大網(wǎng)格生成器，網(wǎng)格生成器通過組合可生成任意變形、復(fù)雜的三維幾何網(wǎng)格，該法建模方便快捷。

模型對(duì)象為凡口鉛鋅礦間柱采場(chǎng)Sh-360mS1#，為便于計(jì)算與觀察，以采場(chǎng)中線為對(duì)稱面，建立1/2模型，模型尺寸為300 m×100 m×240 m，模型上表面距離地表為330 m，重點(diǎn)研究范圍為60 m×60 m×24 m，礦體模型傾角接近實(shí)際情況，取80°，下盤礦巖交界處設(shè)立斷層單元，以便模擬斷層的影響。共有101160個(gè)單元和112824個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格成放射狀劃分(見圖 2)。

圖2 FLAC3D計(jì)算1/2模型

模擬方案分兩為有斷層和無斷層兩種情況，有斷層的模擬方案將在斷層處設(shè)置斷層的材料力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D中的分界面單元(Interface)技術(shù)，Interface界面單元可用來模擬節(jié)理、斷層、層理等不連續(xù)面。在本次模擬中，充填體與礦體的接觸面也同樣設(shè)置分界面單元。模擬流程如圖3所示。

圖3 間柱回采FLAC3D模擬流程

2.2 巖體材料物理力學(xué)參數(shù)

近幾年,不少科研院所在凡口鉛鋅礦做過相關(guān)的巖石材料物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，但凡口礦地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石各類多樣，需要進(jìn)行必要的歸類與簡(jiǎn)化。巖體材料物理力學(xué)參數(shù)與分界面參數(shù)見表 1、表2。

2.3 初始地應(yīng)力與邊界條件

凡口礦深部礦床地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，為壓應(yīng)力，最大主應(yīng)力近似水平，沿礦體走向，垂直應(yīng)力近似等于自重應(yīng)力，最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值約為1.2～1.7[6]。

上部覆巖自重產(chǎn)生的垂直正應(yīng)力為：

σν=ρgh=2800×10×330=9.24(MPa)

假定垂直礦體走向的水平應(yīng)力為垂直正應(yīng)力的1.2倍，即11.09 MPa，平行礦體走向的水平應(yīng)力為垂直正應(yīng)力的1.5倍，即13.86 MPa。

FLAC3D一般用Fix和Apply命令設(shè)定位移、應(yīng)力邊界條件。以采場(chǎng)中線為對(duì)稱面，約束水平移動(dòng)；固定模型底部，在頂部施加上部巖體自重的垂直載荷，在模型周邊施加應(yīng)力邊界，模擬水平應(yīng)力狀態(tài)。

表1 巖體材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 模擬中使用的分界面參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力、位移分析

評(píng)價(jià)巖土體工程穩(wěn)定條件的依據(jù)是巖土體介質(zhì)的力學(xué)狀態(tài)，包括應(yīng)力、位移(變形)以及塑性破壞狀態(tài)等。

圖 4和圖 5表明,間柱回采過程中斷層處的最大、最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力,并且隨著回采步驟呈階梯遞減，斷層處的應(yīng)力逐步釋放。由于斷層處的巖體抗拉強(qiáng)度低，若最小主應(yīng)力減小至轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，則可能出現(xiàn)斷層開裂。

圖4 下盤F3斷層處最大主應(yīng)力σ1變化曲線

圖5 下盤F3斷層最小主應(yīng)力σ3變化曲線

圖 6和圖 7表明，不管下盤有無斷層，間柱采場(chǎng)切割拉槽至破頂后，位移量均由臨空面向下盤方向遞減；存在斷層時(shí)，斷層處的位移量基本一致，且位移達(dá)到0.010～0.012 m，不存在斷層時(shí)，下盤斷層對(duì)應(yīng)位置的位移僅為0.005～0.007 m。

3.2 塑性區(qū)分布

FLAC3D中可通過分析塑性區(qū)分布特點(diǎn)，較直觀地了解潛在的破壞區(qū)域，顯示不同的顏色來表示剪切破壞和拉伸破壞，正處于破壞狀態(tài)和曾進(jìn)入屈服狀態(tài)分別以shear-n或tension-n標(biāo)識(shí)、shear-p或tension-p標(biāo)識(shí)。

圖6 切槽后位移分布(無斷層)

圖7 切槽后位移分布(有斷層)

從圖 8可看出，上下部硐室開挖后，由于巖體二次應(yīng)力擾動(dòng)，斷層處即發(fā)生了剪切破壞，頂?shù)装逡渤霈F(xiàn)了拉伸破壞。從圖 9可看出，有無斷層的情況下，充填體的塑性分布有較大區(qū)別，無斷層時(shí)，靠下盤充填體呈拉伸屈服，中間充填體不完全貫通；而存在斷層時(shí)，靠下盤充填體呈剪切、拉伸破壞，中間充填體完全貫通，由于下盤斷層的存在破壞了礦體與下盤的連續(xù)性，間柱礦體自重更多地由兩幫充填體和下部硐室的點(diǎn)柱來支撐，當(dāng)點(diǎn)柱被切采后，充填體承載能力無法滿足礦體自重產(chǎn)生的下滑力，則可能導(dǎo)致剪切和拉伸破壞，出現(xiàn)采場(chǎng)失穩(wěn)滑移。

從圖 10中可觀察到，在有斷層的情況下，回采過程中產(chǎn)生的塑性區(qū)遠(yuǎn)大于無斷層的情況，有斷層時(shí)，間柱采場(chǎng)需要兩側(cè)充填體提供更多的接觸支撐力來保持穩(wěn)定。因此，在下盤斷層強(qiáng)度較弱時(shí)，回采時(shí)應(yīng)在下部硐室適當(dāng)留點(diǎn)柱，并在回采時(shí)慎重切采，避免出現(xiàn)失穩(wěn)，威脅出礦安全。

圖8 上部硐室開挖后塑性分布對(duì)比

圖9 回采結(jié)束后充填體塑性分布對(duì)比

圖10 間柱回采過程塑性區(qū)體積變化曲線

4 總 結(jié)

下盤大斷層的存在破壞了礦體與圍巖的連續(xù)性與完整性，在間柱回采過程中，斷層處發(fā)生應(yīng)力集中，而斷層處的強(qiáng)度較弱，易發(fā)生剪切、拉伸破壞，回采最后一次側(cè)向崩礦時(shí)必須留足夠的長(zhǎng)度。

斷層的存在增加了兩幫充填體的負(fù)載，使充填體更容易發(fā)生剪切、拉伸破壞，存在間柱整體失穩(wěn)的可能性。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，必須慎重對(duì)待下部硐室點(diǎn)柱的切采，在采場(chǎng)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)柱切采或點(diǎn)柱過載破壞都有可能引起采場(chǎng)的失穩(wěn)。

[1] 史秀志,邱賢陽,張木毅,等.凡口鉛鋅礦無底柱深孔后退式崩礦嗣后充填采礦法[J]. 采礦技術(shù),2011,11(5):11-12，31.

[2] 饒運(yùn)章, 徐靈彬. 某銅礦逆斷層對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響數(shù)值分析[J]. 有色金屬科學(xué)與工程, 2012, 3(6): 55-60.

[3] 劉德利,劉繼順,郭 軍,等.廣東凡口鉛鋅礦床控礦構(gòu)造型式[J].礦床地質(zhì),2006, 25(2):183-190.

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2013-08-23)

顏克俊(1964-)，男，漢族，廣東韶關(guān)人，工程師,本科，主要從事采礦技術(shù)及管理工作。