劉建博，付建新，王 靈，張 超

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

礦體開挖后，會(huì)引起圍巖應(yīng)力重新分布，可能會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生局部破壞，從而影響井巷工程的穩(wěn)定性［1］。因此，準(zhǔn)確有效地判斷礦體開挖后是否會(huì)造成井巷工程失穩(wěn)破壞，是當(dāng)前采礦工程研究的重點(diǎn)課題之一。專家及學(xué)者對(duì)井巷工程的穩(wěn)定性進(jìn)行了諸多卓有成效的研究，常見(jiàn)的研究方法有理論分析法［2－4］、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法［5－6］、數(shù)值模擬方法［7－8］等。

隨著現(xiàn)代采礦技術(shù)不斷發(fā)展，三維建模軟件與數(shù)值模擬軟件成為采礦工程必不可少的技術(shù)手段。為了探明礦體儲(chǔ)量及其存在的空間狀態(tài)，并保證采礦過(guò)程安全，諸多學(xué)者利用三維軟件進(jìn)行礦體建模，確定礦體儲(chǔ)量和空間分布狀態(tài)［9－11］，然后經(jīng)與其他軟件網(wǎng)格劃分功能耦合，建成可供數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算的模型，最終進(jìn)行礦體開挖模擬研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用3DMine-Rhino-Griddle軟件進(jìn)行某礦區(qū)礦體與豎井建模，經(jīng)過(guò)FLAC3D軟件進(jìn)行礦體開挖模擬，研究礦體開挖對(duì)豎井穩(wěn)定性的影響，為礦山穩(wěn)定性開采提供理論依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

某礦區(qū)屬低緩丘陵區(qū)，地勢(shì)起伏較小，東部較高，南、北、西部較低，海拔最高＋192.09 m、最低＋46.08 m，相對(duì)高差146.01 m。礦區(qū)在淺部區(qū)域主要賦存礦體包括Ⅶ-1號(hào)和Ⅶ-2號(hào)。開采范圍內(nèi)巖體較穩(wěn)固，井筒及運(yùn)輸巷道位于絹英巖化花崗巖中，巖體完整性較好，整體塊狀結(jié)構(gòu)，屬堅(jiān)硬巖石，工程地質(zhì)條件良好，在探礦施工過(guò)程中無(wú)不穩(wěn)定因素。

本次開采范圍是采礦權(quán)范圍內(nèi)－120 m水平以上礦體，采礦方法為上向水平分層尾砂膠結(jié)充填采礦法。根據(jù)礦體賦存情況，自上而下進(jìn)行礦體回采，分為5個(gè)步驟，設(shè)計(jì)首采中段為0 m水平以上礦體。然后逐次開采0～－30 m水平、－30～－60 m水平、－60～－90 m水平和－90～－120 m水平。

類比同類礦山數(shù)據(jù)，參考《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》，進(jìn)行礦區(qū)地表移動(dòng)帶圈定，礦體上盤巖石移動(dòng)角70°，下盤及側(cè)翼移動(dòng)角75°，圈定結(jié)果如圖1所示。圖中虛線框?yàn)榈乇硪苿?dòng)帶，實(shí)線框?yàn)椴傻V許可證礦權(quán)范圍。觀察各礦體地表移動(dòng)范圍，可見(jiàn)主豎井、1＃豎井、2＃豎井位于地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)。為驗(yàn)證礦體開采對(duì)主豎井穩(wěn)定性影響，有必要在礦體回采時(shí)對(duì)主豎井的穩(wěn)定性進(jìn)行分析論證。

圖1 地表主要建（構(gòu)）筑物位置及移動(dòng)帶圈定

2 井筒保安礦柱范圍確定

保安礦柱是指為保護(hù)地貌、地面建筑、構(gòu)筑物和主要井巷等而留下的不采或暫時(shí)不采的部分礦體［12］。根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》（礦床開采卷下）中對(duì)地表建筑物保護(hù)等級(jí)的規(guī)定，并結(jié)合移動(dòng)帶內(nèi)井筒的用途，主豎井、1＃豎井、2＃豎井井筒均屬于Ⅰ級(jí)保護(hù)，保安礦柱按照以地表距離3個(gè)井筒20 m為界限，并根據(jù)礦體上盤巖石移動(dòng)角70°、下盤及側(cè)翼移動(dòng)角75°，利用3DMine進(jìn)行保安礦柱圈定，如圖2所示。

圖2 保安礦柱示意

3 模型驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

利用FLAC3D軟件實(shí)現(xiàn)礦體回采模擬，研究礦體回采對(duì)主豎井穩(wěn)定性的影響，確保礦體安全回采?；?DMine-Rhino-Griddle軟件，將礦區(qū)地表、礦體、巷道、圍巖經(jīng)過(guò)軟件的不同功能、不同格式的轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格劃分，最終建成可被FLAC3D軟件識(shí)別的模型，通過(guò)設(shè)定初始條件以及工況，實(shí)現(xiàn)礦體開挖模擬，模型效果如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)及初始應(yīng)力確定

根據(jù)室內(nèi)基本力學(xué)試驗(yàn)，以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)由于巖體受到爆破擾動(dòng)等多重因素影響，其力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)小于室內(nèi)試驗(yàn)獲得的基本力學(xué)參數(shù)。采用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)折減處理，最終確定巖石基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基本巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法所做的應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到應(yīng)力隨深度的回歸方程，如式（1）所示。施加初始地應(yīng)力場(chǎng)，并設(shè)置重力加速度為9.8 m／s2，生成初始應(yīng)力場(chǎng)。

3.3 模擬方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本次模擬研究?jī)?nèi)容為各中段回采結(jié)束后井筒的變形情況，對(duì)礦區(qū)內(nèi)主豎井進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在高程方向上間隔25 m布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)（共16個(gè)），監(jiān)測(cè)礦體開采后井筒的水平、垂直變形情況，如圖4所示。

圖4 井筒監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 主豎井位移分析

結(jié)合模擬結(jié)果，對(duì)各步驟開采結(jié)束后主豎井的變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著回采的進(jìn)行，主豎井水平位移量和垂直位移量均逐漸增加。50 m水平以上，由于主豎井距離礦體較遠(yuǎn)，變形量較小，水平方向最大向西移動(dòng)0.8 mm，垂直方向最大向下移動(dòng)0.4 mm，說(shuō)明礦體的開采對(duì)此范圍內(nèi)主豎井穩(wěn)定性影響極小，回采過(guò)程中主豎井保持穩(wěn)定狀態(tài)；50～－50 m水平，由于主豎井距離礦體較近，回采礦體時(shí)，主豎井變形量較50 m水平以上迅速增加，水平方向變形量最大向西移動(dòng)3 mm，垂直方向上主豎井顯現(xiàn)出明顯的雙向變形，50～0 m水平，垂直變形量最大向下移動(dòng)0.6 mm，0～－50 m水平，垂直變形量最大向上移動(dòng)0.4 mm，0 m水平受到明顯的擠壓作用，但其變形量較小，主豎井仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，在回采礦體時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此范圍內(nèi)主豎井位移的監(jiān)測(cè)，如果此范圍內(nèi)主豎井變形量突然增大，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)處理；－50 m水平以下，主豎井距離礦體逐漸變遠(yuǎn)，變形量也迅速減小，水平方向最大向西移動(dòng)2.1 mm，且隨著深度降低，水平變形量逐漸減小，垂直變形量最大向下移動(dòng)0.5 mm，說(shuō)明礦體回采對(duì)此范圍內(nèi)主豎井穩(wěn)定性影響較小，主豎井保持穩(wěn)定狀態(tài)。總體來(lái)看，主豎井變形量均小于10 mm，說(shuō)明礦體回采對(duì)主豎井均未造成較大擾動(dòng)，在礦體開采過(guò)程中主豎井保持穩(wěn)定狀態(tài)，但應(yīng)加強(qiáng)對(duì)50～－50 m水平主豎井變形量的監(jiān)測(cè)，避免因變形量較大而造成主豎井失穩(wěn)。

圖5 主豎井變形情況

3.4.2 主豎井應(yīng)力分析

圖6為5步驟回采結(jié)束后礦體與主豎井的最大、最小主應(yīng)力和垂直應(yīng)力變化規(guī)律擬合圖。據(jù)圖可知，礦體回采過(guò)程中，最大、最小應(yīng)力主要集中在礦體周圍，而遠(yuǎn)離礦體的主豎井周圍則基本保持初始應(yīng)力狀態(tài)?；夭?步驟結(jié)束，礦體最大主應(yīng)力62 MPa、最小主應(yīng)力25 MPa、垂直應(yīng)力53 MPa。而后，隨著回采步驟進(jìn)行，最大主應(yīng)力以多項(xiàng)式形式增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)；當(dāng)回采進(jìn)行到第3步驟時(shí)，由于開采深度下降，最大主應(yīng)力增幅較大，達(dá)到80 MPa，隨后進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，未有較大波動(dòng)。最小主應(yīng)力自步驟1回采開始，基本保持在25 MPa左右，基本處于初始應(yīng)力狀態(tài)。垂直應(yīng)力以緩慢的速率增長(zhǎng)，到5步驟回采結(jié)束后，其值為56 MPa。

圖6 主豎井應(yīng)力變形情況

礦體自上而下分階段開采，隨著回采步驟進(jìn)行，對(duì)最大主應(yīng)力影響較大，當(dāng)開采進(jìn)行到第3步驟時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到峰值，步驟4、步驟5最大主應(yīng)力有所下降但基本保持平穩(wěn)。說(shuō)明采用充填法進(jìn)行礦體回采，可有效維持圍巖穩(wěn)定性，避免主豎井受到破壞。

3.4.3 塑性區(qū)分析

塑性區(qū)變化規(guī)律見(jiàn)圖7。在前3步驟開采過(guò)程中，破壞以拉伸破壞為主、剪切破壞次之。后2步驟開采過(guò)程中，破壞以剪切破壞為主、拉伸破壞次之。其中剪切破壞主要出現(xiàn)在采場(chǎng)上、下盤圍巖中，拉伸破壞出現(xiàn)在頂板位置，井筒附近未發(fā)生塑性破壞。自步驟1開始，拉伸破壞以線性規(guī)律增長(zhǎng)，剪切破壞以多項(xiàng)式形式增長(zhǎng)。開采結(jié)束后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行充填，避免剪切破壞區(qū)域延伸到主豎井周圍。

圖7 塑性區(qū)變化規(guī)律

4 結(jié) 論

1）基于3DMine-Rhino-Griddle-FLAC3D分析方法，可以對(duì)采礦過(guò)程中井筒穩(wěn)定性進(jìn)行有效分析，從而為采礦過(guò)程中確保井筒穩(wěn)定性提出理論依據(jù)。

2）分別進(jìn)行5步驟礦體回采模擬。結(jié)果表明，礦體回采并未對(duì)井筒產(chǎn)生顯著影響。礦體回采結(jié)束后，產(chǎn)生變形量較大區(qū)域僅在采場(chǎng)周圍，井筒變形量均小于10 mm，在主豎井50～－50 m水平，井筒變形雖較其他部位大，但仍處于安全范圍內(nèi)，開采過(guò)程中可對(duì)其變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若變形量較大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行治理。

3）采場(chǎng)周圍均出現(xiàn)了明顯的塑性破壞，但塑性區(qū)范圍較小，僅存在于采場(chǎng)周圍，并未延伸到地表及井筒周圍；回采過(guò)程中井筒周圍處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。模擬結(jié)果驗(yàn)證了礦體回采并未對(duì)井筒產(chǎn)生較大影響，主豎井保持穩(wěn)定狀態(tài)。