李謝平，童志鵬

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在礦山開采過程，房柱法、全面法、底盤漏斗空場法等空場類采礦方法的應(yīng)用，通常會形成大量的地下采空區(qū)。特別是，無秩序、無規(guī)劃的亂采濫挖在開采區(qū)域或其周邊留下了大量的采空區(qū)，致使礦山開采條件惡化，既嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)和安全，又極大地破壞和浪費了寶貴的資源。因此，采空區(qū)的穩(wěn)定研究顯得尤為重要，其穩(wěn)定性分析與評價是非常復(fù)雜的過程，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法可有效分析采空區(qū)周邊巖石的應(yīng)力分布規(guī)律及其變形趨勢。

為此，針對某銅礦地下開采所形成的復(fù)雜采空區(qū)，依據(jù)其賦存條件、礦巖特性、后續(xù)開采區(qū)分布等已知條件，建立三維數(shù)值模擬計算模型，分步驟分析采空區(qū)未充填、充填后以及后續(xù)開采時，圍巖及頂?shù)装宓膽?yīng)力和塑性區(qū)分布規(guī)律、位移變形趨勢，來為礦山后續(xù)的安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

某銅礦地表山勢陡峭，地下開采范圍較大，自22#至43#勘探線范圍，開采區(qū)域南北長700 m，東西寬300 m，開采標(biāo)高3 050～3 300 m。礦體為上、下兩層緩傾斜分布，前期采用空場法進行開采，采空區(qū)賦存狀態(tài)復(fù)雜、數(shù)量多、體積大，前期開采共產(chǎn)生218個采空區(qū)，采空區(qū)總體積280.1 萬m3，典型的剖面分布見圖1。

圖1 采空區(qū)、后續(xù)開采礦體空間分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of spatial distribution of mined-out areas and subsequent mining bodies

因前期的開采順序混亂、近地表盤區(qū)被先期開采，在采空區(qū)的周邊尚保有大量的礦體資源未進行開采。后續(xù)礦體開采時，擬采用空場嗣后充填采礦法進行開采，主要的采礦方法及參數(shù)如下。底盤漏斗空場充填法：用于開采厚度大于8 m的礦體，盤區(qū)長度36 m，盤區(qū)間柱寬度5 m，中段礦柱寬5 m。

房柱采礦法：用于開采厚度4～8 m的礦體，盤區(qū)長度36 m，盤區(qū)間柱寬度3 m，中段礦柱寬3 m，點柱尺寸3×2.5 m。

全面采礦法：用于開采厚度小于4 m的礦體，盤區(qū)長度36 m，盤區(qū)間柱寬度3 m，中段礦柱寬3 m。

受采空區(qū)制約，后續(xù)礦體的開采存在較大安全隱患，需評價當(dāng)前采空區(qū)的整體穩(wěn)定性，并分析后續(xù)礦體的開采安全性，提出合理的安全保障措施。

2 計算模型的建立

2.1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

礦巖物理力學(xué)參數(shù)是計算結(jié)果可靠性的主要影響因素，巖體可視為巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)體。因尺寸效應(yīng)和不連續(xù)面的影響，巖體的強度往往小于巖塊的強度，在巖體工程研究中，應(yīng)采用巖體強度指標(biāo)，而不能使用巖塊強度指標(biāo)。

依據(jù)試樣加工與礦巖各項物理力學(xué)參數(shù)的測試試驗，綜合工程地質(zhì)調(diào)查、巖體質(zhì)量評價、現(xiàn)場實際采場圍巖揭露情況，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則進行巖石物理力學(xué)參數(shù)的折減處理，所選用的巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)選用表Tab.1 Selection table of physical and mechanical parameters of rock mass

2.2 計算模型的建立

該次計算采用的幾何模型y方向為礦體走向方向，長度620 m；模型x方向垂直礦體走向方向，長度1 300 m；模型z方向為豎直方向，模型底部標(biāo)高2 950 m，頂部最高標(biāo)高3 420 m，模型最高高度470 m。采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)模型。模型共劃分841 152個單元體，870 765個節(jié)點，最終生成的網(wǎng)格和建好的模型見圖2。

圖2 建立的三維數(shù)值計算模型Fig.2 3D numerical calculation model

2.3 計算步驟的選取

為了再現(xiàn)當(dāng)初礦體被開采以后采空區(qū)周邊圍巖的破壞狀態(tài)，該次計算步驟分如下階段，用FLAC3D來模擬圍巖在已確定材料特性作用下的變形與應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展趨勢。該次計算采用與現(xiàn)場礦體開采基本一致的順序進行模擬：

(1)現(xiàn)狀階段，已開采形成的空區(qū)對地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析；

(2)后續(xù)階段，對已形成的采空區(qū)進行充填后，地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析；

(3)后續(xù)階段，分別分析后續(xù)礦體開采及充填后，采場、開采區(qū)域整體的穩(wěn)定性分析。

3 采空區(qū)條件下后續(xù)開采的穩(wěn)定性數(shù)值模擬及結(jié)果分析

礦體被開采后，形成一定的采場空間，巖體中的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，一些部位應(yīng)力集中，另一些部位應(yīng)力降低。維護采場穩(wěn)定性主要是依靠圍巖、充填體及礦柱自身強度來支撐采場空間結(jié)構(gòu)。

3.1 現(xiàn)狀階段已形成采空區(qū)對地表及上覆巖層的穩(wěn)定性影響分析

為了分析已形成的采空區(qū)對地表及上覆巖層穩(wěn)定性影響，在前述數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，從巖體位移變形、巖體應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)分布等角度出發(fā)，進行穩(wěn)定性分析。

3.1.1 巖體位移變形分布

現(xiàn)狀階段采空區(qū)形成以后，近地表邊坡最大下沉位移值為35 cm，見圖3。說明山體受地下開采擾動，下沉變形很大，隨著時間推移，近地表采場圍巖強度將因風(fēng)化和雨水侵蝕逐漸降低，加上邊坡受大型結(jié)構(gòu)面的切割作用下，近地表采場頂板巖層可能會沿著大型結(jié)構(gòu)面滑移，失穩(wěn)垮塌，并逐漸冒落貫通至地表。因此，上層礦體上部的山體邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 現(xiàn)狀階段地表邊坡下沉位移變形云圖Fig.3 Cloud diagram of displacement and deformation of the surface slope in the current stage

已開采采場頂板最大下沉變形位移為44 cm，見圖4。下沉變形很大，說明現(xiàn)有未充填處理空區(qū)的存在，加上多個采場連采，將會造成頂板巖層存在開裂冒落的風(fēng)險。后續(xù)礦體開采時，周邊原有的空區(qū)需提前進行充填處理并接頂，后續(xù)盤區(qū)回采結(jié)束后及時充填；最優(yōu)的地壓控制方式是跳采，其次為隔一采二，要避免同水平相鄰多盤區(qū)連續(xù)回采，避免相鄰多盤區(qū)采后形成的空區(qū)同時暴露，控制好整個開采區(qū)域的跨度。

圖4 現(xiàn)狀階段各剖面頂板和邊坡下沉位移變形云圖Fig.4 Cloud diagram of displacement and deformation of the roof and slope of each section in the current stage

3.1.2 巖體應(yīng)力狀態(tài)分布

(1)最大壓應(yīng)力分布

采場頂板、礦柱及圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖見圖5?？梢钥闯霈F(xiàn)狀階段采空區(qū)形成后，原巖中存在的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到擾動，在空區(qū)周圍引起應(yīng)力和位移的重新分布，采場礦柱出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為40 MPa左右，采場頂板所承受的最大壓應(yīng)力為20 MPa左右，處于較高應(yīng)力屈服狀態(tài)。

備注：“+”表示應(yīng)力為拉應(yīng)力；“-”表示應(yīng)力為壓應(yīng)力圖5 現(xiàn)狀階段各剖面采場礦柱及圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud diagram of the maximum compressive stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope in the current stage

(2)最大拉應(yīng)力分布

最大拉應(yīng)力分布云圖見圖6?？梢钥闯龅V體被開采后，采場礦柱未出現(xiàn)拉應(yīng)力，采場礦柱整體上將不會發(fā)生拉伸破壞；而采場頂?shù)装鍏s出現(xiàn)了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為1～1.8 MPa，超過了頂板的抗拉強度值，頂板將會出現(xiàn)拉伸破壞，說明現(xiàn)有大量未充填處理空區(qū)的存在，以及采場跨度偏大，頂板和圍巖不穩(wěn)定，后續(xù)開采會不安全，需對已形成的空區(qū)進行充填處理，同時減小采場跨度。

圖6 現(xiàn)狀階段各剖面采場礦柱及圍巖最大拉應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of the maximum tensile stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope in the current stage

3.2 后續(xù)階段采空區(qū)充填后對采場頂板穩(wěn)定性的影響分析

在前述穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，建議在后續(xù)礦體開采前，對已有采空區(qū)進行充填。因此，需模擬已有采空區(qū)進行充填后，分析采場頂板應(yīng)力狀態(tài)，為后續(xù)的開采安全性提供評判依據(jù)。

3.2.1 最大壓應(yīng)力分布

采場頂板、礦柱及圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖見圖7?？梢钥闯龊罄m(xù)階段空區(qū)充填接頂后，采場礦柱還是出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中，礦柱所承受的最大壓應(yīng)力為27 MPa左右，比未充填之前礦柱所承受的最大壓應(yīng)力40 MPa要降低了很多；充填后采場頂板所承受的最大壓應(yīng)力為15 MPa左右，比未充填之前頂板所承受的最大壓應(yīng)力20 MPa也降低了一定數(shù)值，說明充填體也承擔(dān)了一部分來自于頂板的壓力，同時還有充填體提供的圍壓，使得采場礦柱處于三向應(yīng)力狀態(tài)，大大提高了采場頂板及礦柱的強度。

3.2.2 最大拉應(yīng)力分布

最大拉應(yīng)力分布云圖見圖8?？梢钥闯龊罄m(xù)階段空區(qū)充填接頂后，采場礦柱未出現(xiàn)拉應(yīng)力，采場礦柱整體上將不會發(fā)生拉伸破壞；而采場頂?shù)装暹€是出現(xiàn)了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為0.67 MPa，比未充填之前頂板所承受的最大拉應(yīng)力1.8 MPa要降低了很多，充填接頂后基本未超過頂板的抗拉強度值，頂板不會出現(xiàn)大規(guī)模的拉伸破壞現(xiàn)象。

備注：“+”表示應(yīng)力為拉應(yīng)力；“-”表示應(yīng)力為壓應(yīng)力圖7 后續(xù)階段空區(qū)充填后，各剖面采場礦柱及圍巖最大壓應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud diagram of the maximum compressive stress distribution of the pillars and surrounding rocks of each section of the stope after the mined-out area is filled in the subsequent stage

圖8 后續(xù)階段空區(qū)充填后，各剖面采場礦柱及圍巖最大拉應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of the maximum tensile stress distribution of the pillars and surrounding rock of each section after the mined-out area is filled in the subsequent stage

3.3 后續(xù)深部礦體開采穩(wěn)定性分析

(1)后續(xù)礦體開采后塑性擾動區(qū)分布云圖見圖9。可以看出在周邊采空區(qū)充填接頂后，后續(xù)礦體開采時，大部分采場的頂、底板和地表邊坡產(chǎn)生了少量分散的塑性擾動區(qū)，只是在7#剖面附近的采場頂板和底板產(chǎn)生了一定厚度的塑性擾動區(qū)，頂板塑性區(qū)高度為15 m左右，因此后續(xù)開采區(qū)域在當(dāng)前的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，采場頂板有一定的自穩(wěn)能力，頂板不會發(fā)生大面積的垮塌冒落，采場頂板巖層整體上處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)從圖9中可以看出后續(xù)開采產(chǎn)生的采空區(qū)膠結(jié)充填接頂后，采場頂板、礦柱及地表邊坡基本未出現(xiàn)塑性擾動區(qū)，說明膠結(jié)充填后，在很大程度上改善了采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，大幅度減少了塑性區(qū)的出現(xiàn)，所以采空區(qū)充填后，大大改善了圍巖受力狀態(tài)，不會引發(fā)地表邊坡破壞，及時充填后采場頂板及圍巖會長久穩(wěn)定。

備注：黑色表示彈性區(qū)；白色表示剪切塑性區(qū)。圖9 后續(xù)礦體開采及充填后，各剖面塑性擾動區(qū)分布云圖Fig.9 Cloud diagram of the distribution of plastic disturbance zones in each section after subsequent mining and filling of the ore body

因此，在后續(xù)階段已形成采空區(qū)充填接頂?shù)臈l件下，后續(xù)礦體的開采，頂板產(chǎn)生的塑性擾動區(qū)范圍非常有限，采場頂板在前述的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下有一定的自穩(wěn)能力，頂板巖層不會發(fā)生大面積的垮塌冒落，且地表邊坡未出現(xiàn)大量連片的塑性擾動區(qū)，不會引起地表邊坡發(fā)生垮塌傷害。

4 結(jié) 語

針對已形成復(fù)雜采空區(qū)對開采的制約，后續(xù)礦體開采時，頂板及上覆巖層的穩(wěn)定性問題，建立了莫爾-庫倫Mohr-Coulomb)彈塑性本構(gòu)數(shù)值模型，分步驟分析了當(dāng)前采空區(qū)的穩(wěn)定性、采空區(qū)充填后的穩(wěn)定性、以及后續(xù)開采時的采場穩(wěn)定性。

(1)現(xiàn)狀階段采空區(qū)形成后，近地表邊坡下沉變形很大，山體受開采擾動很大；采場礦柱未出現(xiàn)拉應(yīng)力，采場礦柱整體上不會發(fā)生拉伸破壞；但采場頂?shù)装鍏s出現(xiàn)了拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為1～1.8 MPa，超過了頂板的抗拉強度值，頂板將會發(fā)生拉伸破壞。

(2)后續(xù)階段采空區(qū)膠結(jié)充填接頂后，在很大程度上改善了采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)；采場圍巖所承受的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力要比未充填之前圍巖所承受的應(yīng)力降低很多，說明充填體承擔(dān)了一部分來自于頂板的壓力；同時充填體提供的圍壓，使采場礦柱處于三向應(yīng)力狀態(tài)，大大提高了采場頂板及礦柱的強度；空區(qū)充填后上覆巖層整體是穩(wěn)定的，后續(xù)礦體的開采，安全是有保障的。

(3)在周邊空區(qū)充填接頂?shù)臈l件下，后續(xù)礦體開始時，塑性擾動區(qū)范圍非常有限，頂板巖層不會發(fā)生大面積的垮塌冒落，且地表邊坡未出現(xiàn)大量連片的塑性擾動區(qū)，不會引起地表邊坡發(fā)生垮塌傷害。

(4)同時為防止后續(xù)開采的采場頂板及周邊圍巖出現(xiàn)連片塑性區(qū)，建議采場之間采用“跳采”方式或“隔一采二”方式回采，縮短同時開采的空區(qū)跨度，有利于采場地壓管理，實現(xiàn)礦體安全回采。