周德照 熊睿

（①溫州東泰建設(shè)工程有限公司溫州325000 ②江西銅業(yè)集團(tuán)東同礦業(yè)有限責(zé)任公司東鄉(xiāng) 331800）

1 概述

某銅礦-385m～-400m 的水平礦柱，是一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)物，在其涉及到的相關(guān)采礦工程結(jié)構(gòu)體系中，屬于重要的臨時(shí)結(jié)構(gòu)體，關(guān)系到礦山的整體穩(wěn)定性。水平礦柱自身的穩(wěn)定性又是一個(gè)潛在的安全隱患源，一旦水平礦柱突然失穩(wěn)，勢(shì)必造成采場(chǎng)地壓劇烈顯現(xiàn)，采空區(qū)上下盤(pán)圍巖急劇移動(dòng)變形，影響水平礦柱的安全回收，甚至可能影響到礦區(qū)的整體穩(wěn)定性，且剩余的礦體將無(wú)法回收。通過(guò)研究礦體的回采過(guò)程，分析開(kāi)采累積擾動(dòng)對(duì)水平礦柱的力學(xué)參數(shù)影響變化，水平礦柱與充填體的共同作用力學(xué)效應(yīng)的變化規(guī)律，從而對(duì)水平礦柱自身穩(wěn)定性的科學(xué)評(píng)估判斷和礦柱回采方案研究的提供重要的依據(jù)。研究礦體歷史累計(jì)回采過(guò)程中，分析水平礦柱的力學(xué)效應(yīng)顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)礦山的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的影響。

2 數(shù)值模擬模型及力學(xué)參數(shù)

2.1 計(jì)算模型的建立

通過(guò)某銅礦各礦體資料的收集與分析，將所得各中段平面圖及地質(zhì)剖面圖CAD格式的資料進(jìn)行預(yù)處理后，通過(guò)一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成實(shí)際坐標(biāo)后導(dǎo)入Surpac 形成線串文件，在此建立該區(qū)域的數(shù)值計(jì)算礦段模型。

為了便于塊體單元之間的銜接，兼顧FLAC3D幾何模型的單元尺寸，整個(gè)模型用統(tǒng)一的塊體模型來(lái)擬合，塊體模型最小單元尺寸為5m×5m×5m。同時(shí)，為了數(shù)據(jù)導(dǎo)出方便，將礦體旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，并帶基點(diǎn)移動(dòng)到坐標(biāo)零點(diǎn)，再通過(guò)建立塊體約束文件來(lái)區(qū)分圍巖的上下盤(pán)，并對(duì)上下盤(pán)圍巖賦值巖性等屬性，安慶銅礦各礦體計(jì)算模型如下圖1所示。

圖1 礦體計(jì)算模型

2.2 模型介質(zhì)力學(xué)參數(shù)

參與計(jì)算的巖體主要有四種：大理巖、閃長(zhǎng)巖、矽卡巖和礦石，礦體上盤(pán)圍巖為角礫狀大理石，礦體下盤(pán)圍巖為矽卡巖、蝕變閃長(zhǎng)巖，輕變質(zhì)粉砂巖石和鈣質(zhì)角頁(yè)巖。其中矽卡巖分布相對(duì)較少，其力學(xué)參數(shù)與閃長(zhǎng)巖相近，為避免繁瑣，故在賦參數(shù)時(shí)將其歸至閃長(zhǎng)巖一類。模型中采場(chǎng)的充填體有2 種：（1）作為采場(chǎng)假底和一步驟回采礦房的高配比尾砂膠結(jié)充填體；（2）二步驟礦柱回采后的非膠結(jié)尾砂充填體。計(jì)算模型中的巖體力學(xué)參數(shù)由巖石力學(xué)參數(shù)折減而來(lái)，各種介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)取值列于表1。

表1 計(jì)算模型中各種介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)

3 水平礦柱力學(xué)效應(yīng)顯現(xiàn)

3.1 水平位移

原有采礦累積活動(dòng)在-400m 水平X 方向位移空間分布如圖2所示。

由圖可知，原有采礦活動(dòng)在-400m水平X方向位移分布特征是：

圖2 原有采礦活動(dòng)在-400m水平X方向位移云圖

原有累積采礦活動(dòng)在-385m～-400m 水平礦柱產(chǎn)生X方向向左移動(dòng)與向右移動(dòng)區(qū)域存在一個(gè)北偏東45°角的明顯分界限。在2線以西斜下方呈向右移動(dòng)趨勢(shì)，2線以東斜上方呈向左移動(dòng)趨勢(shì)。這是由于水平礦柱受上部充填體壓力及水平應(yīng)力共同作用造成的，這表明水平礦柱有產(chǎn)生兩端向中間壓縮的趨勢(shì)；水平礦柱在15m厚度方向上，水平位移變形規(guī)律近似一致，不同高度上未發(fā)生明顯變化；最大向左位移區(qū)域形態(tài)近似橢圓形分布，位以1線以西下盤(pán)邊緣區(qū)域，最大向右移位于西部厚大礦體2線上盤(pán)邊緣區(qū)域及8線下盤(pán)邊緣區(qū)域；水平向左位移量最大位移值為-9.22mm左右，向右位移量最大為9.59mm，兩者最大位移量區(qū)域都分別集中于間厚大礦體區(qū)域上下盤(pán)，主要是因?yàn)楹翊蟮V體回采之后造成采空區(qū)面積較大，造成位移量較大；總體上原有采礦活動(dòng)引起水平礦柱的水平變形位移值較小，說(shuō)明原有采礦活動(dòng)開(kāi)采對(duì)水平礦柱穩(wěn)定性影響不大。

3.2 最小主應(yīng)力

原有累積采礦在-400m樓板水平剖面最小主應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 原有采礦活動(dòng)在-400m水平最小主應(yīng)力等值線云圖

由圖可知，-400m 水平剖面的原巖的最小主應(yīng)力約為-17.00Mpa。隨著礦體的開(kāi)采，采區(qū)跨度逐步擴(kuò)大，水平礦柱應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)移到采區(qū)上、下盤(pán)等四周?chē)鷰r上，誘發(fā)形成采空區(qū)圍巖新次一級(jí)應(yīng)力場(chǎng)，最小主應(yīng)力的空間分布在具體演變過(guò)程中，均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；在原有采礦活動(dòng)后，所對(duì)應(yīng)的水平礦柱礦體區(qū)域，形成明顯的最小主應(yīng)力降低區(qū)，在色譜圖中產(chǎn)生為紅色區(qū)域代表的應(yīng)力降低區(qū)，該區(qū)域位于4 線以東，尤其明顯于8 線附近，其最小主應(yīng)力值為-8.51Mpa；在4 線以西較厚大礦體區(qū)域，采區(qū)范圍所對(duì)應(yīng)的水平礦柱上下盤(pán)圍巖等接觸處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即沿采區(qū)上、下盤(pán)邊界等產(chǎn)出的近似連續(xù)的藍(lán)色條帶代表的高應(yīng)力（或應(yīng)力集中）區(qū)，尤其以1 線以西較為明顯，其最小主應(yīng)力值為-31.82Mpa；在礦體走向的水平礦柱的兩側(cè)圍巖應(yīng)力集中區(qū)域范圍較其它邊界區(qū)域面積大，下盤(pán)應(yīng)力集中區(qū)域比上盤(pán)大。

3.3 最大主應(yīng)力

原有累積采礦在水平礦柱-400m剖面最大主應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

與原巖地應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力（最大主應(yīng)力背景值：-10.00Mpa）分布相比，由圖4 知，在水平礦柱-400m剖面上，最大主應(yīng)力在空間分布上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：

在水平礦柱礦體中及上下盤(pán)圍巖附近存在最大主應(yīng)力明顯降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)域的空間分布形態(tài)受原有采礦的影響；受累計(jì)回采影響，水平礦柱巖體3線至0線之間及4線以東的最大主應(yīng)力值與原巖應(yīng)力值相比，降低極為明顯，頂板的最大主應(yīng)力值為0.45Mpa；-400m 水平礦柱兩端盤(pán)圍巖及2 線上盤(pán)圍巖等接觸處存在最大主應(yīng)力升高區(qū)，或者最大主應(yīng)力輕度集中區(qū)，其最大主應(yīng)力值為-11.37Mpa；-400m水平礦柱礦體中出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象，但出現(xiàn)的區(qū)域及拉應(yīng)力值較小，樓板在穩(wěn)定性范圍以內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某銅礦礦體開(kāi)采過(guò)程的數(shù)值模擬，分析了-385～-400m 水平礦柱周邊巖體巖移和地壓活動(dòng)區(qū)域，可以得到以下結(jié)論：

⑴水平礦柱上下盤(pán)圍巖應(yīng)力集中區(qū)域增大，主要集中在4 線以西，尤以2 線附近較為明顯，采場(chǎng)充填后，水平礦柱應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解；

⑵水平礦柱在本年度有下沉的趨勢(shì)，最大下沉變形區(qū)域的最大位移值為-9.93mm，最大上升變形區(qū)域的最大位移值為3.19mm；

⑶建議礦山在采場(chǎng)出礦完畢后及時(shí)進(jìn)行充填工作，以緩解水平礦柱的下沉和圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象。