吳亞飛，張 寶，顧生春，李志軍，李 勇

(1.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

香山銅鎳礦礦區(qū)所有礦體均產(chǎn)于基性-超基性侵入巖體內(nèi)，其巖體的頂板為單輝橄欖巖、二輝橄欖巖、橄欖巖等，底板為輝長巖、凝灰?guī)r、閃長巖等。按巖土工程學對巖石的分類，礦體的頂、底板均屬堅硬巖石，其巖石的工程力學性質(zhì)穩(wěn)定。香山銅鎳礦床礦山開拓方式為豎井+平巷開拓方式，空場法采礦，隨著礦山生產(chǎn)的不斷推進，井下將形成很多采空區(qū)，地面也將形成礦渣堆放場。

因歷史原因，礦山采富棄貧，無序開采，2008年后期生產(chǎn)因強采強挖，造成主井 24線附近部分空區(qū)采場預留間柱塌陷，導致上下、相鄰采場聯(lián)通，礦山也未進行處理，致使620水平至748水平空區(qū)塌陷，導致部分礦體遺留未采。空區(qū)塌陷后對塌陷區(qū)進行了調(diào)查、測量。在720水平以及上部部分間柱、頂柱完好。塌陷空區(qū)計算體積為22萬m3。

在采空區(qū)分布范圍內(nèi)，將會有地面沉陷的可能，勢必影響井下生產(chǎn)、運輸井巷和作業(yè)人員生命財產(chǎn)的安全。為分析現(xiàn)有空區(qū)對主井井筒穩(wěn)定性的影響，礦區(qū)開展了新疆哈密市香山銅鎳礦采空區(qū)及主井井筒穩(wěn)定性分析研究。

1 穩(wěn)定性數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬方案

為完全模擬分析采空區(qū)和井筒受力狀態(tài)，以新疆哈密市香山銅鎳礦提供的香山 620，670，720，770，820中段平面圖、24線地質(zhì)剖面圖為建模的基礎資料。根據(jù)各勘探線剖面圖之工程地質(zhì)巖性、采空區(qū)分布等情況，依次平行相連形成三維結(jié)構(gòu)體，所形成的有限差元模擬分析模型如圖1所示，圖中不同的顏色表示不同的礦巖，模型單元為1385314個，節(jié)點為241753個。

圖1 經(jīng)HyperMesh網(wǎng)格化后的模型剖面

數(shù)值分析計算模型范圍x=800 m（東西方向），y=500（南北方向），z=445（470水平到地面高度）；收斂采用自動控制時間步來求解模型。模型邊界約束采用位移約束。

為研究香山礦區(qū)采空區(qū)形成之后，主井井筒、采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性及破壞擴展情況，盡可能模擬出在礦體采出之后應力、應變的演變過程，因此安排了多步開挖步驟進行模擬：

（1）建立 3D模型，導入 Hypermesh劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換為Flac3D文件并賦相應的力學參數(shù)；

（2）計算原巖應力場；

（3）主井井筒形成后應力應變；

（4）計算 770中段以上采空區(qū)形成后的應力應變；

（5）計算 720中段以上采空區(qū)形成后的應力應變；

（6）計算其余采空區(qū)形成后的應力應變。

1.2 力學判據(jù)與巖體力學參數(shù)

（1）力學判據(jù)。采空區(qū)和豎井井筒穩(wěn)定性分析涉及到圍巖體、礦體，這些介質(zhì)均屬彈塑性材料，適用于摩爾-庫侖破壞準則分析研究，故采用摩爾-庫侖準則來確定礦體開挖后，采空區(qū)和豎井井筒周圍應力、位移及塑性區(qū)等分布規(guī)律：

式中，σ1、σ3分別為最大和最小主應力；C、φ分別為材料粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角；fs為破壞判斷系數(shù)。當fs≥0時，材料處于塑性流動狀態(tài)；當fs≤0時，材料處于彈性變形階段。在拉應力狀態(tài)下，若拉應力超過材料的抗拉強度，材料將發(fā)生拉伸破壞。

（2）巖體力學參數(shù)。根據(jù)新疆香山銅鎳礦提供的礦巖體力學參數(shù)分析結(jié)果及經(jīng)計算后井筒力學參數(shù)如表1所示。

表1 力學模型中所采用的巖體力學參數(shù)

2 穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果分析

從地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)研來看，香山礦區(qū)井筒建立在穩(wěn)定的基巖中，實踐證明，只有發(fā)生破壞的基巖才會對井筒襯砌產(chǎn)生壓力，可以認為不破壞的基巖層對井筒的穩(wěn)定性無影響。模擬分析主要探尋采空區(qū)和主井井筒周圍的巖層分布應力、應變，判斷應力是否受到采空區(qū)過大的影響，分析主井井筒的穩(wěn)定性狀況。

2.1 主應力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，從 24號勘探線最大、最小主應力圖可以看出（見圖2、見圖3），在空區(qū)形成之后的應力已經(jīng)影響到了井筒，具體的位置為圖中兩橫線之間，其中最大主應力影響為井筒標高725～743 m，最小主應力影響為井筒標高731～758 m，其中在標高725～731 m處將受到附加最大、小主應力同時作用，此段為最危險處。

圖2 24號勘探線最小主應力圖

圖3 24號勘探線最大主應力圖

另外，從各平面最大、最小主應力來看，在空區(qū)形成之后的主應力并未影響到井筒，但最小主應力已經(jīng)有一部分影響到了井筒；其中 620，670平面中空區(qū)的上盤出現(xiàn)一定的拉應力，720平面中空區(qū)的下盤出現(xiàn)一定拉應力，拉應力對空區(qū)的穩(wěn)定性不利，這部分受拉應力的巖體將可能在重力的作用下剝落。

2.2 整體位移分析

根據(jù)圖4和表2可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)整體位移最大為28 mm，在礦井淺部位移主要產(chǎn)生在礦體的上盤，在礦井的深部位移主要產(chǎn)生在礦體的下盤；井筒周圍的位移最大不超過6 mm，最小值小于2 mm，可以認為井筒周圍受位移的影響不明顯，整個井筒的混泥土襯砌不會出現(xiàn)因位移引起的裂縫與剝落。

圖4 24號勘探線位移

表2 主井井筒周圍位移

2.3 剪應變增量分析

如圖5所示，剪應變增量主要產(chǎn)生在采空區(qū)邊緣部位，其中最大值為1×10-3；井筒周圍受剪應變增量的影響有限，其中670平面上井筒邊緣剪應變增量為7.36×10-5，其余各處井筒邊緣的剪應變增量值都小于7.36×10-5。從剪應變增量的角度來評價井筒的穩(wěn)定性可以認為井筒是穩(wěn)定的，井筒受目前采空區(qū)的影響較小。

圖5 24號勘探線剖面剪應變增量

2.4 塑性區(qū)分析

如圖6、表3所示，出現(xiàn)的破壞主要為抗剪、抗拉破壞，其中以抗拉破壞居多，抗剪破壞較少。兩類破壞主要出現(xiàn)在采空區(qū)的邊緣處，在井筒的周圍未出現(xiàn)破壞。從塑性區(qū)分布的角度來分析井筒的穩(wěn)定性，可以認為在井筒的周圍不存在塑性破壞，井筒穩(wěn)定。

圖6 24號勘探線剖面塑性區(qū)分布

表3 塑性區(qū)體積/m3

3 結(jié) 論

（1）香山礦區(qū)井筒處于穩(wěn)定的基巖中，實踐表明只有主井井筒周圍發(fā)生破壞的基巖才會對井筒襯砌產(chǎn)生壓力，可以認為不破壞的基巖層對井筒的穩(wěn)定性無影響。結(jié)合整體位移分析、剪應變增量分析及塑性區(qū)分布分析，空區(qū)形成過程中所引起的巖層移動、剪切應變增量、塑性區(qū)分布未波及到井筒周圍的巖層，可以認為井筒是穩(wěn)定。

（2）通過最大、最小主應力分析，采空區(qū)形成過程中所引起最大主應力影響為井筒標高 725～743 m，最小主應力影響為井筒標高731～758 m，其中在標高725～731 m處將受到附加最大、最小主應力同時作用，此段為重點監(jiān)測區(qū)域。

（3）采空區(qū)中兩個頂柱已經(jīng)受拉、受剪破壞，這兩個頂柱易受爆破震動而失穩(wěn)。主井井筒距離采空區(qū)70 m左右，隨著時間的推移，采空區(qū)頂板會不斷冒落，空區(qū)越來越大，高度也來越高，有可能影響主井井筒的安全。

因此，應采取應力、應變、位移等多種觀測手段和方法對空區(qū)與井筒襯砌進行監(jiān)測，掌握礦巖應力變化規(guī)律，做到提前安全預報，預防災害事故，確保安全生產(chǎn)。