曾慶田，徐天岳，劉科偉

（1.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪653100；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

持續(xù)向深部開采是礦山發(fā)展的必然趨勢［1－2］。隨著地下金屬礦山采深增加，礦巖體賦存的原巖應(yīng)力越來越大，采礦活動不可避免地引起巖體中的應(yīng)力重新分布，并在采場局部區(qū)域產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力集中［3－5］。隨著開采深度增加，這種應(yīng)力重分布導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象會進(jìn)一步引起礦柱、圍巖和周圍巖體工程結(jié)構(gòu)的損傷甚至失穩(wěn)［6－7］。對地應(yīng)力場作用下采場回采過程中的動靜穩(wěn)定性開展分析，可為控制采后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度、降低采后結(jié)構(gòu)在地應(yīng)力-爆破耦合作用下的損傷進(jìn)而確保高應(yīng)力下礦體的安全高效開采提供參考。

采場穩(wěn)定性分析方法主要有解析法、綜合分析法以及數(shù)值模擬。解析法一般將巖石材料定義為均質(zhì)各向同性材料，建立應(yīng)力、應(yīng)變和位移函數(shù)，求解出目標(biāo)區(qū)域應(yīng)力、應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)以評估采場穩(wěn)定性［8－9］，具有求解精度高、邏輯嚴(yán)密等優(yōu)點(diǎn)；不足之處在于計(jì)算過程中需對巖石材料進(jìn)行一系列簡化，因而無法準(zhǔn)確反應(yīng)巖石在荷載作用下的真實(shí)響應(yīng)。綜合分析法以數(shù)學(xué)表達(dá)式的方法建立影響采場穩(wěn)定性因素的評價(jià)體系［10－12］，結(jié)合多種數(shù)學(xué)方法建立評價(jià)模型，考慮因素全面，但其評價(jià)體系的搭建過程中，各影響因素指標(biāo)的定義難以明確統(tǒng)一，因此預(yù)測結(jié)果離散性較大。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和算法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬在采場穩(wěn)定性分析上得以廣泛應(yīng)用［13－15］，并取得了一定的研究成果，保證了相應(yīng)礦山開采的安全。但大多數(shù)值模擬研究僅關(guān)注采后結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性，直接計(jì)算采場在開挖卸載后引起的靜應(yīng)力集中及塑性破壞區(qū)（靜應(yīng)力集中引起），未考慮爆破開挖引起的巖體損傷以及地應(yīng)力-爆破耦合作用對采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。本文以云南獅子山銅礦16中段飄帶礦（29－38＃）采場不穩(wěn)固問題為研究對象，數(shù)值模擬分析采場采后結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性以及地應(yīng)力-爆破耦合作用下的采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1 工程概況

獅子山礦床位于云南省玉溪市易門縣，采用小礦房大補(bǔ)償空間的采礦方法（小礦房大補(bǔ)償空間有底柱階段強(qiáng)制崩落法），隨采深增加，地應(yīng)力逐漸增大，3個方向主應(yīng)力隨埋深H的擬合方程分別為：

采場不穩(wěn)定現(xiàn)象出現(xiàn)在16中段落礦單元回采過程中，具體表現(xiàn)為大補(bǔ)償空間圍巖體變形大、采后空區(qū)圍巖不規(guī)則以及鉆孔偏斜度過大、大塊率增加等問題。16中段飄帶礦（29－38＃）采場布置如圖1所示，采場高度50 m，落礦單元厚度（垂直礦體走向）30 m，沿脈巷道于礦體兩側(cè)平行布置?；夭蓵r先采礦房、后采礦柱。沿礦體走向25 m為間隔劃分落礦單元，落礦單元的基本組成部分為礦房和礦柱，礦房寬度（沿礦體走向方向）約9 m，礦柱寬度約16 m。

圖1 29－38＃采場布置

2 數(shù)值模型

建立與現(xiàn)場尺寸一致的礦房、礦柱和采空區(qū)三維模型如圖2所示，其中x軸方向?yàn)榈V體走向，沿x軸方向分別為第一落礦單元開挖后形成的采空區(qū)、第二落礦單元礦柱、第二落礦單元礦房以及礦房內(nèi)的大補(bǔ)償空間。

圖2 三維示意圖

圖3 為采場數(shù)值計(jì)算整體模型，模型包括圍巖、第一落礦單元采后空區(qū)、第二單元礦柱、礦房和大補(bǔ)償空間。模型整體尺寸為150 m×90 m×150 m，采空區(qū)、礦柱、礦房及大補(bǔ)償空間位于模型中心。模型6個外表面施加法向原巖應(yīng)力，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，σx＝23.8 MPa，σy＝25.5 MPa，σz＝21.1 MPa，6個外表面均施加無反射邊界條件以消除爆破應(yīng)力波在邊界處的反射效應(yīng)。

圖3 三維模型

3 數(shù)值模擬

3.1 靜力穩(wěn)定性分析

采場內(nèi)礦巖體開挖后，應(yīng)力重新分布，第二落礦單元礦房大補(bǔ)償空間開挖后x、y和z方向的應(yīng)力重分布結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，在采空區(qū)和大補(bǔ)償空間圍巖中，3個方向的應(yīng)力重分布均在對應(yīng)方向圍巖表面附近形成拉應(yīng)力，如在采空區(qū)圍巖中，x軸對應(yīng)的2個圍巖表面x方向應(yīng)力大于0，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。且大補(bǔ)償空間內(nèi)圍巖的應(yīng)力重分布存在相同規(guī)律。采空區(qū)圍巖x方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)面中點(diǎn)附近，即目標(biāo)點(diǎn)“右”對應(yīng)區(qū)域，為10.96 MPa；y方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在正面中點(diǎn)附近，即目標(biāo)點(diǎn)“前”對應(yīng)區(qū)域，為11.37 MPa；z方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板中點(diǎn)附近，即目標(biāo)點(diǎn)“底”對應(yīng)區(qū)域，為8.34 MPa。大補(bǔ)償空間圍巖中x、y、z方向最大拉應(yīng)力分別出現(xiàn)在左側(cè)面、背面、頂板中點(diǎn)附近，分別為8.24 MPa、8.95 MPa和6.45 MPa。除大補(bǔ)償空間z方向拉應(yīng)力外，采空區(qū)和大補(bǔ)償空間圍巖中3個方向的最大拉應(yīng)力均超過巖體單軸抗壓強(qiáng)度的1／10。因此，采空區(qū)和大補(bǔ)償空間內(nèi)表面巖體在原巖應(yīng)力作用下具有拉伸斷裂的趨勢，此時若受到爆破擾動易形成大面積的巖石拉裂脫落。

圖4 靜力計(jì)算結(jié)果

3.2 爆破回采穩(wěn)定性分析

3.2.1 補(bǔ)償空間爆破開挖

原巖應(yīng)力環(huán)境下大補(bǔ)償空間爆破開挖后的巖體損傷計(jì)算結(jié)果如圖5所示，計(jì)算時長為20 ms，其中左圖為模型y＝0 m剖面巖體損傷云圖，右圖為x＝50 m、y＝0 m對應(yīng)的部分模型三維損傷云圖。通過觀察可知，大補(bǔ)償空間的爆破開挖引起開挖邊界處較大范圍的巖體損傷，礦柱、礦房和圍巖均出現(xiàn)不同程度的破壞，其中，巖體損傷的最大厚度達(dá)到1.1 m，表明大補(bǔ)償空間開挖后圍巖體表面可能出現(xiàn)巖石松動、片幫甚至頂板塌落等災(zāi)害現(xiàn)象。同時，由于邊界夾角處更易形成應(yīng)力集中，在原巖應(yīng)力和爆破應(yīng)力波的耦合作用下，模型中巖體損傷最為嚴(yán)重的區(qū)域集中于大補(bǔ)償空間各棱邊所在位置。

隨著獅子山銅礦采深進(jìn)入深部，地應(yīng)力逐漸增大，大補(bǔ)償空間和礦柱的回采導(dǎo)致圍巖體出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力集中。當(dāng)?shù)貞?yīng)力增大至臨界值時，較高的地應(yīng)力和爆破荷載同時作用于被開挖巖體及相關(guān)圍巖體，在“動力-高靜力組合”加載作用下，圍巖損傷超過臨界水平后將形成巖石破裂、脫落等現(xiàn)象。因此，大補(bǔ)償空間的爆破開挖是導(dǎo)致采場不穩(wěn)定的直接原因，其爆破開挖后形成的嚴(yán)重?fù)p傷導(dǎo)致采場圍巖體的穩(wěn)定性在地應(yīng)力作用下進(jìn)一步惡化。

3.2.2 礦房爆破開挖

采用完全重啟動繼承大補(bǔ)償空間開挖后巖體單元的應(yīng)力及損傷數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了礦房爆破回采計(jì)算。礦房開挖采用一次爆破分段起爆，數(shù)值模擬中采用現(xiàn)場作業(yè)中的最少爆破分段數(shù)即10段，分段間隔為2 ms，自下而上順序起爆。礦房第一分段起爆后5、10、15、20及30 ms的損傷云圖如圖6所示。第三分段起爆后（5 ms），礦房開挖高度已達(dá)15 m，此時礦體從補(bǔ)償空間邊界開始破碎并延伸到礦房內(nèi)部（從右至左），破碎礦巖的主要拋擲方式為從左至右向大補(bǔ)償空間拋擲。5至10分段起爆后（10～20 ms），礦石破碎方向主要為自下而上，礦體此時在爆破作用下破碎并向礦房底部拋擲，由于巖體的夾制性，原巖應(yīng)力作用下的礦房爆破開挖邊界逐漸演變?yōu)橐粋€圓心向下的弧面。第10分段起爆后（20 ms），礦房巖體未能完全破碎，這是因?yàn)殡m然爆破應(yīng)力波對礦巖的加載作用為短時瞬態(tài)過程，但由于礦房體積大，爆破應(yīng)力波作用于礦房巖體并使其破碎需要一定時間，約在第10分段起爆后10 ms（30 ms），礦房內(nèi)礦巖爆破開挖完畢，礦房巖體完全被破碎，礦房回采效果良好。

礦房的爆破開挖不可避免地影響到鄰近巖體，對礦柱和圍巖造成不同程度的損傷，如圖7所示，其中左圖為礦房開挖計(jì)算完畢并刪除被開挖礦房巖體單元后y＝0 m剖面損傷云圖，右圖為A-A（x＝25 m）和B-B（x＝41 m）剖面損傷云圖。由圖可知，圍巖和礦柱的損傷范圍分為4個獨(dú)立區(qū)域，分別為礦柱鄰近空區(qū)側(cè)（A區(qū)域）、礦柱鄰近礦房側(cè)（B和D區(qū)域）以及第三落礦單元圍巖側(cè)（C區(qū)域）。在礦房開挖階段，雖然礦柱

圖5 大補(bǔ)償空間爆破開挖后的巖體損傷

圖6 礦房開挖過程

圖7 礦房開挖后礦柱、圍巖損傷云圖

和圍巖在地應(yīng)力和爆破應(yīng)力波耦合作用下形成一定的損傷，但損傷區(qū)域僅局限于礦柱鄰近礦房一側(cè)，未對第三落礦單元一側(cè)巖體造成損傷積累，這是由于礦柱鄰近空區(qū)，爆破應(yīng)力波傾向于對更靠近自由面的巖體形成損傷。A和C區(qū)域的巖體損傷主要在大補(bǔ)償空間開挖階段形成，在礦房開挖階段爆破應(yīng)力波的作用下新產(chǎn)生的損傷區(qū)域局限于D區(qū)域，且D區(qū)域的損傷厚度較小，B區(qū)域的巖體損傷為大補(bǔ)償空間和礦房開挖兩次爆破應(yīng)力波作用后形成的疊加損傷，因此，B區(qū)域礦柱損傷厚度大于D區(qū)域。為提高采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減小補(bǔ)償空間尺寸，并盡可能將補(bǔ)償空間均勻布置于礦房之內(nèi)。

4 結(jié) 論

以云南獅子山銅礦16中段飄帶礦（29－38＃）采場為例，探討了地應(yīng)力場作用下礦山采場不穩(wěn)定現(xiàn)象及其發(fā)生機(jī)理，主要研究結(jié)論如下：

1）靜力分析結(jié)果表明，大補(bǔ)償空間開挖后引起應(yīng)力集中，其中，礦柱鄰近大補(bǔ)償空間區(qū)域應(yīng)力集中程度最高，成為大補(bǔ)償空間爆破開挖后的最危險(xiǎn)區(qū)域。

2）動力分析結(jié)果表明，采場圍巖損傷主要為較高應(yīng)力集中下地應(yīng)力-爆破應(yīng)力波耦合加載作用的結(jié)果，大補(bǔ)償空間的爆破開挖是采場不穩(wěn)定的直接原因，具體表現(xiàn)為補(bǔ)償空間爆破開挖后形成較大巖體損傷區(qū)，且圍巖體在應(yīng)力重分布作用下迅速惡化。

3）為提高采場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減小補(bǔ)償空間尺寸，并盡可能將補(bǔ)償空間均勻布置于礦房之內(nèi)。