朱仕林，江文武，廖永斌，袁 磊，吳小豐

（1.江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000；2.江西漂塘鎢業(yè)有限公司，江西 大余 341515）

隨著采礦的深入開(kāi)展，地表以及淺部礦山的開(kāi)采逐步轉(zhuǎn)入中深部開(kāi)采，而深部開(kāi)采首先面臨的就是高地應(yīng)力、自穩(wěn)性差等主要問(wèn)題[1-2]。進(jìn)入中深部后，開(kāi)拓方式也有早先的平硐開(kāi)拓轉(zhuǎn)為深部豎井或斜井開(kāi)拓。贛南某鎢礦是我國(guó)著名的鎢錫生產(chǎn)基地，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，已經(jīng)形成了大量的采空區(qū)，地壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的隱患[3-5]，故試驗(yàn)運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究上覆巖層對(duì)采空區(qū)的變形機(jī)理，為采取相應(yīng)的防范措施提供一定的參考作用。

1 礦區(qū)工程概括

贛南某鎢礦地質(zhì)地形條件復(fù)雜，整個(gè)礦區(qū)中存在大小斷層多達(dá)數(shù)十條，其中有四條大斷層橫貫礦區(qū)的東西、北東向，其中F2、F3斷層橫切整個(gè)礦體，斷層的附近巖體十分破碎，在開(kāi)采暴露后有產(chǎn)生垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。贛南鎢礦山除了地壓?jiǎn)栴}突出外，還容易產(chǎn)生巖層及地表變形和巖爆災(zāi)害等問(wèn)題[6-9]。目前該礦區(qū)開(kāi)拓采準(zhǔn)工程已經(jīng)達(dá)到+208、+268中段，主要回采中段集中在+328、+388中段。目前的回采采區(qū)主要分布在348、1812等采場(chǎng)。其中處在+388中段的348采場(chǎng)西部被F3斷層貫穿，經(jīng)過(guò)回采后，應(yīng)力二次分布，F(xiàn)3斷層被活化。在模擬開(kāi)采不同寬度后，觀測(cè)頂板巖層和斷層移動(dòng)對(duì)采空區(qū)的應(yīng)力和變形規(guī)律的影響[10-11]。分析采空區(qū)變形的影響因素和變形規(guī)律，為后期支護(hù)和監(jiān)測(cè)提供指導(dǎo)性建議。

2 空區(qū)的模型構(gòu)建

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

在建立采空區(qū)模型之前了解礦區(qū)地質(zhì)條件（斷層位置、傾角、力學(xué)性質(zhì)），通過(guò)建模分析空區(qū)位移及應(yīng)力變化，從而給出支護(hù)監(jiān)測(cè)意見(jiàn)。采空區(qū)研究和治理主要分為模型構(gòu)建前期調(diào)查、采空區(qū)模型的構(gòu)建、空區(qū)穩(wěn)定性分析三個(gè)部分，流程圖如圖1所示。

模擬地層包含兩部分，上部為黏土，下部為砂巖，采空區(qū)模型假設(shè)位于砂巖層（主要為變質(zhì)砂巖夾板巖）。共進(jìn)行三組數(shù)值模擬試驗(yàn)來(lái)探究開(kāi)挖不同寬度時(shí)頂板巖層和地表變形帶來(lái)的影響。計(jì)算所采用的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示，模型長(zhǎng)320m，寬280m，高280m。模型原巖應(yīng)力場(chǎng)在自重作用下自動(dòng)形成，經(jīng)過(guò)后期礦體回采及上部載荷的施加觀測(cè)采空區(qū)的位移及應(yīng)力的變化規(guī)律。通過(guò)FLCD3D數(shù)值模擬構(gòu)建計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 采空區(qū)研究和治理流程Fig.1 Study and treatment process of goaf

表1 礦山巖體力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters of mine rock mass

圖2 計(jì)算模型構(gòu)建Fig.2 Construction of calculation model

2.2 確定模型的邊界條件

將模型的位移邊界進(jìn)行固定，分別施加位移約束量，模型的底部施加位移約束即U底=0，模型的上表面不施加任何約束，為自由邊界，以及將X軸兩水平方向和Y軸兩水平方向固定，即施加位移量0。在固定邊界的前提下，加載巖體的材料物理力學(xué)性質(zhì)后分析采場(chǎng)變形機(jī)理。在原巖自重應(yīng)力的作用下進(jìn)行空區(qū)開(kāi)挖，實(shí)際空區(qū)埋深為地表下100m，故取上覆巖層100m計(jì)算，通過(guò)在其模型上表面施加均等外載荷來(lái)模擬實(shí)際開(kāi)采深度。

圖3 模擬開(kāi)挖30m位移及力平衡云圖Fig.3 Simulation excavation 30m displacement and force balance cloud

2.3 數(shù)值模型的結(jié)果分析

圖3～圖5分別是模擬開(kāi)挖30m、160m、100m位移及力平衡云圖。從圖中可得，當(dāng)模擬開(kāi)挖30m的時(shí)候，其礦區(qū)礦房的頂?shù)装逡约皞?cè)幫出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大達(dá)到11.5MPa。同時(shí)，由于礦體的開(kāi)采，頂板失去了支撐，在自重應(yīng)力等的影響下產(chǎn)生指向采空區(qū)的垂直位移3.41mm。

圖4 模擬開(kāi)挖60m位移及力平衡云圖Fig.4 Simulation excavation 60m displacement and force balance cloud

圖5 模擬開(kāi)挖100m位移及力平衡云圖Fig.5 Simulation excavation 100m displacement and force balance cloud

通過(guò)三組采空區(qū)模擬開(kāi)挖位移及力平衡云圖（見(jiàn)圖3～圖5），展現(xiàn)了采空區(qū)Z方向的位移變化量，SZZ方向的應(yīng)力集中情況以及模擬平衡后的最大、最小主應(yīng)力變化情況，具體的變化數(shù)值如表2所示。

表2 位移及應(yīng)力云圖列表Tab.2 List of displacement and stress clouds

由表2可知，隨著開(kāi)采跨度的增加，最大垂直應(yīng)力顯著增加最大達(dá)到12.29MPa，在開(kāi)挖之后空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大達(dá)到2.336MPa，而該鎢礦的最大抗拉強(qiáng)度為6.16MPa，通過(guò)進(jìn)行比對(duì)，開(kāi)采后雖不會(huì)發(fā)生拉伸破壞，但兩側(cè)及采空區(qū)底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)開(kāi)采寬度不斷增加時(shí)，頂板巖層及地表的變形不斷加大，其中采空區(qū)的正中上覆巖層變形量達(dá)到最大，最大的變形量達(dá)到3.5mm，由于礦區(qū)整體位于斷層附近，應(yīng)力重新分布將會(huì)擾動(dòng)斷層，給空區(qū)的穩(wěn)定性及回采安全帶來(lái)極大的隱患。建議將此采空區(qū)進(jìn)行封閉，并采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)監(jiān)控，盡量減少人員在附近區(qū)域活動(dòng)。

3 計(jì)算結(jié)果分析與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比

隨著前期開(kāi)采的進(jìn)行，采空區(qū)的預(yù)警及治理顯得尤為重要，結(jié)合采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了348采場(chǎng)三分層3個(gè)分平的數(shù)據(jù)，如表3所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與FLAC數(shù)值模擬的結(jié)果可知，其分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，上覆巖層及空區(qū)側(cè)幫發(fā)生明顯位移變形。

表3 地壓滑尺位移監(jiān)測(cè) mmTab.3 Displacement monitoring unit of ground pressure slide

圖6為空區(qū)頂板位移量變化情況。由圖6可知，在11月份348采空區(qū)累積位移下沉量達(dá)到了22mm。由于前期礦體開(kāi)采產(chǎn)生大量采空區(qū)，而后期并未進(jìn)行充填處理，且由于礦體應(yīng)力集中的作用，導(dǎo)致空區(qū)頂板及側(cè)幫位移量加劇增大，應(yīng)及時(shí)封閉348采空區(qū)，以免造成礦山事故。

圖6 348采空區(qū)頂板位移變化Fig.6 Change of roof displacement in 348 goaf

4 空區(qū)監(jiān)測(cè)治理方案

該鎢礦自20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)以來(lái)，前期受民窿開(kāi)采嚴(yán)重，在268中段形成了30萬(wàn)m3的采空區(qū)。經(jīng)過(guò)百年的開(kāi)采，在388中段的Ⅲ帶礦床上部基本已經(jīng)被采空。由于采空區(qū)數(shù)量規(guī)模大，故采用充填法成本較大，只能通過(guò)局部的地壓卸載和隔離來(lái)緩解礦區(qū)地壓應(yīng)力集中，防止冒頂、巖爆等大規(guī)模災(zāi)害的發(fā)生。由于巖體在變形和破壞過(guò)程中，微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、摩擦?xí)r以應(yīng)力波的形式釋放能量，故在此基礎(chǔ)上，該鎢礦在地應(yīng)力集中區(qū)域建立了IMS微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。IMS微震技術(shù)通過(guò)在礦山地下巷道表面或鉆孔內(nèi)布置高精度微震監(jiān)測(cè)檢波器，可以從巖體變形的初始階段開(kāi)始，實(shí)時(shí)定量全方位監(jiān)測(cè)巖體裂隙時(shí)空演化、破壞的全過(guò)程。

圖7所示是348采空區(qū)周?chē)臋z波器分布圖，檢波器在三維空間的布局對(duì)采空區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的作用，通過(guò)后期對(duì)定位精度的調(diào)整，最終確定圖7所示方案。

圖7 348采空區(qū)監(jiān)測(cè)示意圖Fig.7 A schematic diagram of348 goaf monitoring

通過(guò)建立的監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從圖8（a）中可以明顯看到在348采場(chǎng)的頂?shù)装搴蛧鷰r中產(chǎn)生了大量的微震事件，即巖體中產(chǎn)生了大量的裂隙，當(dāng)裂隙擴(kuò)展、貫通后即會(huì)形成產(chǎn)生小范圍的冒頂、片幫現(xiàn)象，而圖8（b）中所展現(xiàn)一段時(shí)間范圍內(nèi)的位移變化達(dá)到12mm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地壓滑尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和微震監(jiān)測(cè)事件及位移云圖變化，348采場(chǎng)位移變化劇烈，建議及時(shí)封閉采空區(qū)。

圖8 348采場(chǎng)事件聚集及位移變化云圖Fig.8 348 stope event aggregation and displacement change cloud chart

5 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合贛南某鎢礦的地質(zhì)地形條件，根據(jù)數(shù)值模擬軟件對(duì)礦區(qū)采空區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，以便更加充分的顯現(xiàn)空區(qū)的變化規(guī)律，為空區(qū)的變形機(jī)理及破壞提供依據(jù)。

（2）通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采場(chǎng)開(kāi)采跨度的模擬，結(jié)合云圖的應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)，對(duì)空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行定量的分析，同時(shí)結(jié)合采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地壓滑尺監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與FLAC3D模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出空區(qū)頂?shù)装宓膰鷰r和側(cè)幫位移量變化明顯，且指向采空區(qū)，在空區(qū)側(cè)幫出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隨著時(shí)間的推移，變形量逐漸增大，頂板最大位移達(dá)到了22mm。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬分析與采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地壓滑尺的監(jiān)測(cè)，結(jié)合該鎢礦現(xiàn)階段采用的IMS微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)采空區(qū)中變形和應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警預(yù)報(bào)，對(duì)出現(xiàn)垮塌預(yù)警的區(qū)域及時(shí)采取措施，采用地壓卸載或充填隔離的方法。從而可以很好地保障礦山的安全施工，保障人員、設(shè)施的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。消除該地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的安全隱患，為礦山的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。

[1] 楊承祥，羅周全，唐禮忠.基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的深井開(kāi)采地壓活動(dòng)規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（4）：818-824.YANG Chengxiang，LUO Zhouquan，TANG Lizhong.Study on rule of gcostatic activity based on microseismic monitoring technique in deep mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（4）：818-824.

[2] 江文武，謝建敏，楊作林，等.基于微震監(jiān)測(cè)的地壓活動(dòng)規(guī)律和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2014，32（16）：58-62.JIANG Wenwu，XIE Jianmin，YANG Zuolin，et al.Risk prediction and law of ground pressure activities based on seismic monitoring system[J].Science and Technology Rcvicw，2014，32（16）：58-62.

[3] 趙 奎，中國(guó)生，廖 亮，等.贛南鎢礦山地壓特征、治理及地壓區(qū)殘礦回采[J].中國(guó)鎢業(yè)，2009，24（5）：38-41.ZHAO Kui，ZHONG Guosheng，LIAO Liang，et al.Characteristics of ground pressure and its residual mineralization in gobran tungsten mine[J].China Tungsten Industry，2009，24（5）：38-41.

[4] MENDECKILA J.Seismic monitoring in mines[M].London：Chapman and Hall Press.1997：100-107.

[5] 謝和平.PARISEAUW G.巖爆的分形特征和機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1993，12（1）：28-37.XIE Heping.PARISEAUW G.Fractal character and mechanism of rock bursts[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993，12（1）：28-37.

[6] 錢(qián)七虎.巖爆、沖擊地壓的定義、機(jī)制、分類(lèi)及其定量預(yù)測(cè)模型[J].巖土力學(xué)，2014，35（1）：1-6.QIAN Qihu.Definition，mechanism，classification and quantitative forecast model for rock burst and pressure bump[J].Rock and Soil Mechanics，2014，35（1）：1-6.

[7] 李庶林，尹賢剛，鄭文達(dá)，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（12）：2048-2053.LI Shulin，YIN Xiangang，ZHENG Wenda，et al.Research of multichannel microseismic monitoring system and its application to Fankou lead-zinc mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（12）：2048-2053.

[8] BERRY M，LINOF G.Data mining techniques：for marking，sales and customer support[M].New York：Wiley，1997.

[9] 李夕兵.巖石動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2014：46-82.

[10] 張銀平.巖體聲發(fā)射與微震監(jiān)測(cè)定位技術(shù)及應(yīng)用[J].工程爆破，2002，8（1）：58-61.ZHANG Yinping.Study and application of acoustic emission and microseismic monitoring and positioning of rock mass[J].Project Blasting，2002，8（1）：58-61.

[11]王春來(lái)，吳愛(ài)祥，劉曉輝.深井開(kāi)采巖爆災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)預(yù)警及控制技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013：36-65.