李紅鵬 陳秋松

摘要： 在地下回采作業(yè)中，掌握采場地壓活動規(guī)律，采取有效措施控制地壓活動，是實現(xiàn)安全高效開采的重要保障。銀山礦采用分段空場上向中深孔落礦采礦法回采，根據(jù)現(xiàn)有采礦方法及礦（巖）體稟賦狀態(tài)，利用RFPA2D-SRM強度折減有限元軟件對千枚巖的破壞形式進行模擬，結(jié)果顯示：銀山礦千枚巖破壞的主要形式為片理狀千枚巖的潰屈破壞。同時，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到原巖地應(yīng)力分布規(guī)律方程，并提出對應(yīng)的地壓控制措施。研究成果為類似礦山的應(yīng)力分布規(guī)律研究提供一定的理論支持和工程借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞： 千枚巖;數(shù)值模擬;地壓控制;破壞機理;潰屈破壞;地壓分布規(guī)律

????中圖分類號：TD321 文獻標志碼：A 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）09-0047-05 doi：10.11792/hj20210908

??? 引 言

在地下開采過程中，由于地壓作用而導(dǎo)致巷道出現(xiàn)變形、支護困難甚至冒頂片幫等現(xiàn)象，造成經(jīng)濟上支護成本增加、技術(shù)上采準巷道破壞、生產(chǎn)上進度受限且礦石貧化率增加等難題，嚴重影響礦山的安全生產(chǎn)[1-3]。顯然，采場受地壓破壞已成為眾多礦山企業(yè)的生產(chǎn)難題，在未來進一步向深處開采過程中， 地壓控制的重要性日漸凸顯，認清地壓活動規(guī)律，采取相應(yīng)的防控措施，經(jīng)濟有效地控制地壓活動，將是地下開采礦山的共性需求[4-5]。為此，研究地壓顯現(xiàn)規(guī)律，尋求地壓顯現(xiàn)動因，精確控制與有效預(yù)防地壓破壞活動，是保障礦床安全高效開采的首要條件。

針對每類地壓顯現(xiàn)特征，通過制定合理的采場斷面形狀、礦房參數(shù)、礦柱參數(shù)及支護措施等一系列利用免壓拱解除采場地壓等地壓防控方法，在地壓預(yù)測與控制方面起到了一定的作用[6-9]。 但是，在礦山實際生產(chǎn)中，地壓顯現(xiàn)形式極為多變，同一礦山往往因不同地點及開采進程出現(xiàn)很大差異[10]，以上所述方法大多為未考慮地質(zhì)構(gòu)造因素或僅側(cè)重于采場局部的單一方法，難以用來指導(dǎo)現(xiàn)場實際生產(chǎn)作業(yè)。因此，為增強礦山不同部位地壓防護措施的針對性，需要面對開采礦床的整個地質(zhì)體，研究地壓的來源，據(jù)此預(yù)測高應(yīng)力部位，并根據(jù)巷道變形與破壞的可能性，制定相應(yīng)的控制措施，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 工程背景

江西銅業(yè)集團銀山礦業(yè)有限責任公司（下稱“銀山礦”）位于江西省德興市銀城鎮(zhèn)，距上饒市125 km，是江西銅業(yè)集團有限公司旗下主力礦山之一，為露天、地下聯(lián)合開采多金屬礦山，主要生產(chǎn)銅精礦、鉛鋅精礦、硫精礦及金和銀。銀山礦由北山區(qū)、九龍上天區(qū)、銀山區(qū)、九區(qū)、西山區(qū)及銀山西區(qū)等組成。露天開采對象為九區(qū)的銅金礦體，設(shè)計生產(chǎn)能力5 000 t/d;地下開采對象為九龍上天區(qū)、銀山區(qū)及銀山西區(qū)的銅礦體，以及北山區(qū)的鉛鋅銀礦體，當前生產(chǎn)能力為8 500 t/d。

銀山礦采用分段空場上向中深孔落礦采礦法回采，當?shù)V體脈幅小于6 m時， 在礦體下盤圍巖中掘進脈外運輸巷道，采場沿礦體走向布置，豎直方向每15 m在礦體內(nèi)布置分段鑿巖巷道， 鑿巖設(shè)備在分段鑿巖巷道內(nèi)施工上向平行中深孔對礦體進行回采，底部結(jié)構(gòu)為平底結(jié)構(gòu)，鏟運機在出礦進路出礦。

本文將地壓活動較為頻發(fā)的北山區(qū)作為研究對象，重點研究其地壓顯現(xiàn)規(guī)律。該礦體長約1 580 m，厚1～6 m，傾角61°～86°，傾向以北北西向為主，整體呈從上到下逐漸變薄的形態(tài)。由于礦體圍巖為千枚巖，巖體本身抗壓強度低且節(jié)理較為發(fā)育，從而導(dǎo)致在回采過程中，支護效果不理想、巷道變形突出等一系列問題。同時，根據(jù)國內(nèi)礦山開采的現(xiàn)場經(jīng)驗，結(jié)合銀山礦北山區(qū)實際工況，認為在該礦體賦存深度下開采時屬于中等應(yīng)力狀態(tài)。

根據(jù)礦山地質(zhì)資料，該礦山地下工程巖組的分類可以按照其數(shù)量、穩(wěn)定性等分為4類。而其中對礦體回采穩(wěn)定性起關(guān)鍵性作用的主要為千枚巖，同時千枚巖又分為片理狀千枚巖及砂質(zhì)千枚巖。因此，本文主要從該類工程巖組著手，依據(jù)現(xiàn)場圍巖實際破壞形式，厘清2種千枚巖對圍巖破壞的影響，從而確定圍巖破壞的直接原因。

2 千枚巖破壞形式分析

2.1 圍巖主要破壞形式

千枚巖是變質(zhì)較淺的巖石，巖石性脆，屬于片理? 狀巖類，是一種特殊的層狀巖體結(jié)構(gòu)類型，其特殊性主要表現(xiàn)在巖體往往呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞而非材料本身破壞[11-13]。千枚巖破壞機理與板裂介質(zhì)理論相符，而根據(jù)板裂介質(zhì)理論，板裂結(jié)構(gòu)即使在應(yīng)力較低（小于結(jié)構(gòu)本身的抗壓強度）時，也會由于失穩(wěn)而發(fā)生潰屈破壞。因此，可以認定千枚巖為典型的板裂結(jié)構(gòu)， 在地應(yīng)力并未太大的巷道出現(xiàn)冒頂片幫等事故是千枚巖圍巖作為板裂結(jié)構(gòu)破壞的外在表現(xiàn)形式，從而得出千枚巖或巷道的理論破壞形式為潰屈破壞（見圖1）。

雖然根據(jù)理論分析得出了千枚巖的破壞形式，但需要依據(jù)現(xiàn)場實際工況對其進行驗證。根據(jù)井下現(xiàn)場的實際勘察，結(jié)合工程地質(zhì)巖組的分類可以看出，銀山礦北山區(qū)巷道（圍巖）的實際破壞形式為片理狀千枚巖的潰屈破壞（見圖2）。

2.2 千枚巖破壞數(shù)值模型

理論分析和現(xiàn)場調(diào)研均表明，上述潰屈破壞理論模型對銀山礦脆性片理狀千枚巖的破壞機制具有較好的適應(yīng)性。為進一步揭示銀山礦千枚巖破壞機理，采用專業(yè)軟件RFPA2D-SRM強度折減有限元軟件對其破壞過程進行了模擬。RFPA2D-SRM 強度折減有限元軟件充分考慮巖石破壞過程中的各向異性、非線性及非均勻性等特點，并以基元的破壞個數(shù)作為巖石宏觀破壞判據(jù)，具有結(jié)果可視化呈現(xiàn)、建模賦值方便快捷、求解過程準確等特點。

由于礦體與圍巖平行，且傾角一般在60°～90°， 首先進行了層理傾角為90°的巖層破壞過程數(shù)值模擬，對上述潰屈破壞理論在銀山礦脆性片理狀千枚巖的適應(yīng)性進行驗證。同時，進行了層理傾角為60°的巖層破壞過程數(shù)值模擬，以便對傾角稍緩的片理狀千枚巖的破壞機理進行分析。

根據(jù)建模規(guī)則， 模型整體尺寸為研究單元的10倍左右，因此取其尺寸為20 m×20 m。開挖巷道則根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)工況，采用高度及跨度均為2 m的直墻半圓拱形巷道，巷道長度為礦體寬度， 層理間寬度為1 m。由此得到層理傾角為90°（見圖3-a））及層理傾角為60°（見圖3-b））的圍巖數(shù)值模型。模擬過程為：①分別設(shè)置水平及垂直均布載荷為1.0 MPa、0.2 MPa;②載荷設(shè)置完成后，平衡巖體模型的初始應(yīng)力;③設(shè)置模型邊界約束條件為底部位移約束，其余方向為應(yīng)力約束;④按照巷道的規(guī)格進行開采模擬，同時為了與實際工況相符，每次均將巖體的力學(xué)強度折減1 %，直至破壞，統(tǒng)計模擬結(jié)果。

2.3 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)以上模型及模擬步驟，分別得到層理傾角為90°（見圖4）及層理傾角為60°（見圖5）時銀山礦巷道圍巖的典型破壞過程。由圖4、圖5可以看出，不同層理傾角時，破壞發(fā)生過程基本相似。換言之，隨著圍巖力學(xué)強度的不斷折減，應(yīng)力最先向與巷道相鄰的層理面集中。然后，隨著應(yīng)力集中點的層理面發(fā)生破壞，高應(yīng)力得以釋放，應(yīng)力集中區(qū)域轉(zhuǎn)移至巷道兩側(cè)，造成巷道邊幫發(fā)生典型潰屈破壞，進一步誘使頂板圍巖因失去邊幫的支撐而發(fā)生坍塌。

同時由圖4、圖5也可以看出：在層理傾角為90°時， 巷道圍巖的破壞最終是坍塌式的下拉破壞，并未對底板造成影響。而當層理傾角為60°時，巷道圍巖受層理傾角影響，兩側(cè)邊幫表現(xiàn)為一邊高一邊低的一側(cè)拉伸一側(cè)剪切式破壞，最終造成巷道整體結(jié)構(gòu)性破壞。

因此，通過以上數(shù)值模擬結(jié)果得出并進一步驗證了上文所述千枚巖的破壞形式，即潰屈破壞是銀山礦脆性片理狀千枚巖主要的破壞形式。

3 采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律及破壞機理

通過數(shù)值模擬進一步得到及驗證了銀山礦巷道圍巖破壞的主要原因是脆性片理狀千枚巖的潰屈破壞。為正確分析采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律與破壞機理，需建立合理的圍巖穩(wěn)定性計算分析模型，為地壓防治提供理論支撐。

3.1 原巖地應(yīng)力監(jiān)測及規(guī)律分析

根據(jù)銀山礦原巖地應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果（見表1），最大水平主應(yīng)力（σhmax）、最小水平主應(yīng)力（σhmin）及垂直方向主應(yīng)力（σv）與深度（h）的關(guān)系見圖6。

σhmax=-0.058 1h+0.275 7? （1）

σhmin=-0.021 8h+0.072 9? （2）

σv=-0.048 3h-1.232 5? （3）

監(jiān)測結(jié)果表明，銀山礦以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，所有應(yīng)力均為壓應(yīng)力，垂直方向主應(yīng)力與自重應(yīng)力接近。主應(yīng)力隨深度的增加而增加，尤其是最大水平主應(yīng)力與深度的線性關(guān)系良好。由于北山區(qū)礦脈走向近似于東西向，千枚巖片理與礦脈近似一致，這就意味著最大水平主應(yīng)力與千枚巖片理斜交，這是導(dǎo)致采場、巷道地壓顯現(xiàn)的最重要因素之一。

3.2 基于現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬的破壞機理分析

分段巷道與脈外出礦巷道均與圍巖片理平行，由于長時間暴露（分段巷道服務(wù)年限普遍超過5.0 a，脈外出礦巷道超過1.5 a），再加上千枚巖是變質(zhì)較淺的巖石，巖石性脆，在如此高的原巖地應(yīng)力作用下，這種脆性千枚巖片理結(jié)構(gòu)極易發(fā)生兩幫斷裂的潰屈破壞（見圖7）。

保護墩暴露時間普遍超過1.0 a，兩側(cè)均為出礦進路，保護墩在頂?shù)装宓母邏簯?yīng)力作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中，脆性千枚巖結(jié)構(gòu)在高原巖地應(yīng)力作用下，極易發(fā)生壓桿失穩(wěn)破壞（見圖8）。

3.3 地壓控制措施

根據(jù)以上數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場實測結(jié)果，適用于銀山礦實際工況的地壓控制措施為：

1）通過切割天井二次圈定礦體，進一步明確礦巖分界線，在進一步提高礦石儲量精度的同時，又可使回采過程中中深孔采切工程的布置更為準確合理。

2）加強采場地壓控制，盡量保證上盤圍巖的完好與不受破壞。由于礦山圍巖為千枚巖，為片理狀結(jié)構(gòu)，在回采過程中存在大面積空場，上盤側(cè)極易發(fā)生潰屈破壞，如果出現(xiàn)該情況可以考慮在分段巷道內(nèi)采用錨桿加錨索聯(lián)合支護加固上盤，使其形成條狀加固帶，提高礦體上盤的穩(wěn)定性，避免回采期間大面積垮落，從而降低回采過程的礦石貧化率。

3）加強出礦管理。由于中深孔爆破，采場內(nèi)無法進行有效支護，因此應(yīng)及時回收采場內(nèi)礦石，避免采場內(nèi)壁出現(xiàn)大面積地壓顯現(xiàn)造成廢石混入采場，導(dǎo)致大量貧化。

4 結(jié) 論

1）利用RFPA2D-SRM強度折減有限元軟件對銀山礦北山區(qū)片理狀千枚巖破壞機理進行分析，得出潰屈破壞是銀山礦脆性片理狀千枚巖主要的破壞形式。

2）正確分析采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律與破壞機理，建立合理的圍巖穩(wěn)定性計算分析模型，針對銀山礦北山區(qū)井下不同用途的巷道采場地壓顯現(xiàn)規(guī)律及破壞機理進行了細致分析。

3）針對銀山礦北山區(qū)原巖地應(yīng)力變化規(guī)律和破壞機理，提出在井下分段巷道上盤進行錨桿加錨索聯(lián)合支護加固的支護方式，使其形成條狀加固帶，提高礦體上盤的穩(wěn)定性。

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Analysis on failure characteristics and ground

pressure distribution rule of phyllite in Yinshan Mine

Li Hongpeng1，Chen Qiusong2

（ 1.Yinshan Mining Co. ，Ltd. ，Jiangxi Copper Corporation Limited ;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University ）

Abstract： In underground mining，it ensures safe and effective mining to master ground pressure activity rules in the stope and adopt effective measures of controlling the ground pressure activity.Yinshan Mine adopted sublevel open stope upward medium-long hole caving mining method for stoping.According to the current mining method and ore rock mass occurrence status，RFPA2D-SRM strength reduction finite element software was used to simulate the failure forms of phyllite.The results show that buckling failure is the main form of phyllite failure.At the same time，based on field monitoring data，primary rock stress distribution rule formula was obtained and corresponding ground pressure control measures were put forward.The research results can provide theoretical support and engineering references for the study of stress distribution rules in similar mines.

Keywords： phyllite;numerical simulation;ground pressure control;failure mechanism;buckling failure;ground pressure distribution rule