徐 青 董亞寧 袁錦鋒 劉 康 袁海濤

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

馬鋼羅河鐵礦主要采用垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮詈椭猩羁追侄慰請(qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法進(jìn)行采礦。隨開采深度的增加，地壓危害將逐步突顯，尤其對(duì)于巖體裂隙較發(fā)育和側(cè)幫有效暴露面積較大的礦房，地壓危害將更加顯著［1-2］。

根據(jù)羅河鐵礦鑿巖硐室的工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，對(duì)所建立的模型進(jìn)行了簡化，提高計(jì)算精度，以便得到更準(zhǔn)確的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)等數(shù)據(jù)，為后期安全穩(wěn)定回采提供依據(jù)。研究空區(qū)形成過程中采場(chǎng)頂板、底板、側(cè)幫及鑿巖硐室條柱地壓顯現(xiàn)與二次應(yīng)力重分布特征，揭示礦柱地壓活動(dòng)時(shí)空顯現(xiàn)演變特征及礦柱側(cè)幫離層、演化與最終片幫破壞規(guī)律［3-4］。

對(duì)左、中、右3個(gè)礦房分段分步開采方案進(jìn)行計(jì)算模擬，其中工況28～30為左、右礦房75～90 m分部的-515，-494，-470 m分段開采，工況31為左、右采空區(qū)整體充填。重點(diǎn)在研究一步采和二步采采場(chǎng)形成過程中采場(chǎng)頂板、底板、側(cè)幫及鑿巖硐室條柱地壓顯現(xiàn)與二次應(yīng)力重分布特征，揭示礦柱地壓活動(dòng)時(shí)空顯現(xiàn)演變特征及礦柱側(cè)幫離層、演化與最終片幫破壞規(guī)律［5］。

1 次生應(yīng)力場(chǎng)分布特征

在地下巖體開挖后，原來處于應(yīng)力平衡的巖體，受到開挖擾動(dòng)而引起所開挖空間周邊巖體的應(yīng)力集中，巖體的應(yīng)力再次重分布。次生應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖的穩(wěn)定至關(guān)重要，所以對(duì)次生應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力大小、位移及塑性區(qū)情況的掌握尤為重要。本項(xiàng)目采用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D進(jìn)行開采模擬，主要是觀測(cè)模擬區(qū)域內(nèi)巖體的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的分布情況，可以具體了解巖體的受力情況，同時(shí)通過對(duì)比分析，了解充填開采模式下巖體次生應(yīng)力重分布特征。

圖1為工況30的不同剖面最大主應(yīng)力云圖，圖2、圖3所示為y=62 m剖面不同工況的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力云圖。

（1）在采空區(qū)頂板處拉應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，在采空區(qū)頂部中部附近出現(xiàn)了峰值拉應(yīng)力，而在礦柱附近出現(xiàn)了較大壓應(yīng)力。左右硐室不斷開挖擾動(dòng)導(dǎo)致巖體的最大主應(yīng)力隨著Y軸方向不斷向前延伸，同時(shí)其應(yīng)力數(shù)值也處在不斷變化中，拉應(yīng)力從1.63 MPa升高至1.93 MPa又降低到1.70 MPa，壓應(yīng)力數(shù)值從7.06 MPa不斷升到7.81 MPa，之后降至7.39 MPa。這組數(shù)據(jù)表明，后續(xù)的開采生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)周邊巖體應(yīng)力產(chǎn)生了擾動(dòng)。

（2）隨著開采的進(jìn)行，巖體的最大主應(yīng)力值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，拉應(yīng)力從1.68 MPa降低至1.14 MPa，壓應(yīng)力從7.13 MPa降至7.09 MPa。這說明，對(duì)采空區(qū)充填后，保護(hù)了裸露的礦巖體，使得應(yīng)力重新分布，嗣后充填對(duì)后續(xù)采場(chǎng)安全高效開采提供了保證。同時(shí)可以看出，巖體受到的拉應(yīng)力主要集中在頂板中央位置，因此在采場(chǎng)的頂板容易出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象。而在礦柱頂部與底部位置則出現(xiàn)受力較復(fù)雜，拉壓應(yīng)力交錯(cuò)，在這些位置更容易發(fā)生破壞，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（3）在采空區(qū)進(jìn)行充填后，最大剪應(yīng)力從10.5 MPa降至10.1 MPa。各工況運(yùn)行后，中間條柱處及采場(chǎng)隅角附近區(qū)域有著數(shù)值較大的最大剪應(yīng)力值；同時(shí)，這些區(qū)域的最大剪應(yīng)力較為復(fù)雜，拉剪應(yīng)力和壓剪應(yīng)力交錯(cuò)。因此，中間條柱處及采場(chǎng)隅角出現(xiàn)破壞的可能性較大，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2 變形與位移分布特征

地下任何開挖活動(dòng)，必然會(huì)引起地表沉降，尤其是采礦活動(dòng)。地下巷道或硐室的頂板、條柱以及圍巖都會(huì)產(chǎn)生變形和位移，并且隨著開采活動(dòng)的不斷推進(jìn)，這些變形和位移還會(huì)持續(xù)增加，若不采取有效措施，必然會(huì)引起破壞，進(jìn)一步對(duì)上覆巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。表1和表2分別為工況30時(shí)頂板監(jiān)控點(diǎn)沉降量統(tǒng)計(jì)結(jié)果及礦柱監(jiān)控點(diǎn)水平位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖4和圖5分別為工況30時(shí)不同剖面的水平位移等值云圖、y=62 m剖面不同工況的水平位移等值云圖，圖6為y=62 m剖面在不同工況下的豎直位移等值云圖。通過對(duì)水平位移云圖和豎直位移云圖進(jìn)行分析，得出表1、表2的結(jié)果。

（1）由表1和表2中數(shù)據(jù)可以看出：在工況30條件下，頂板最大沉降出現(xiàn)在95#監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，最大值為45.25 mm，最小沉降出現(xiàn)在43#監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，其值為6.58mm。對(duì)比各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移可知，在整個(gè)采場(chǎng)兩側(cè)的礦房頂板沉降量普遍較中間的礦房頂板的沉降量要?。欢诘V柱31#監(jiān)測(cè)點(diǎn)上出現(xiàn)了最大水平位移，其值為6.44 mm，最小水平位移發(fā)生在33#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其值為5.02 mm。總體來說，在開采至-470～-450 m分段后，采場(chǎng)的沉降量與水平位移值相對(duì)來說在安全范圍內(nèi)，但考慮到巖石的非均質(zhì)性，在局部區(qū)域不排除會(huì)出現(xiàn)冒頂片幫等現(xiàn)象。

?

?

（2）巷道或硐室的頂?shù)装逡约皞?cè)幫在開挖后都會(huì)產(chǎn)生變形和位移，并且隨著開采活動(dòng)的不斷推進(jìn)，這些變形和位移還會(huì)持續(xù)增加，若不采取有效措施，必然會(huì)引起圍巖破壞。開采擾動(dòng)后，隨著剖面從y=62 m到y(tǒng)=122 m，礦體的水平位移呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢(shì)，從16.07 mm增大至30.6 mm又減小至13.85 mm。就水平位移來說，礦柱及圍巖位移值均不大，水平位移值相對(duì)在安全范圍內(nèi)，但左礦房左側(cè)幫位移整體大于右側(cè)幫，右礦房相反。尤其在左礦房左側(cè)幫和右礦房右側(cè)幫有較大水平位移出現(xiàn)，不排除會(huì)出現(xiàn)片幫等現(xiàn)象，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

（3）在y=62 m剖面，在采礦工作過程中，圍巖的變形和位移是不斷增大的，由15.25 mm增加至18.06mm，但是對(duì)采空區(qū)及時(shí)充填后，巖體的變形和位移趨于緩和并且穩(wěn)定下來，使得圍巖得到保護(hù)，為后續(xù)開采活動(dòng)提供安全保證。

（4）由圖6可知，在礦體開采過程中，始終存在2處明顯變形，即礦房頂板附近巖體產(chǎn)生較明顯的沉降，在底板附近出現(xiàn)了底臌現(xiàn)象，這是由于開采后巖體的應(yīng)力釋放引起的。隨著開采的推進(jìn)，巖體發(fā)生位移的區(qū)域越來越大，頂板巖體沉降位移逐漸增大，底板巖體隆起位移在開采時(shí)減小而在充填時(shí)增大。巖體的最終沉降位移為38.94 mm，最終隆起位移為10.55 mm。圍巖變形較小，比較穩(wěn)定。

3 破壞接近區(qū)分布特征

破壞接近度可以用來描述巖土體從進(jìn)入塑性狀態(tài)到最終破壞這一過程中的損傷程度，其量值與巖土體的損傷度呈現(xiàn)正相關(guān)，對(duì)于了解巖體破壞情況和加固設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)作用。圖7～圖9所示分別為工況30不同剖面塑性區(qū)分布圖、工況30沿Y軸不同剖面塑性分布圖、y=62 m剖面不同工況破壞區(qū)云圖。對(duì)各開采工況礦巖體的塑性破壞接近區(qū)分布與規(guī)模進(jìn)行了分析，得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

（1）礦體的開采必然引起周邊巖體擾動(dòng)與破壞，開采過程中巖體受力比較復(fù)雜，其破壞形式有拉伸破壞、剪切破壞和拉伸剪切混合破壞。塑性破壞區(qū)主要分布在采場(chǎng)頂板中央、采場(chǎng)隅角、斷層、斷層與采場(chǎng)間巖橋等應(yīng)力集中區(qū)與構(gòu)造破碎帶等強(qiáng)度薄弱區(qū)。在頂板上方出現(xiàn)了拉剪破壞，礦柱與頂?shù)装褰唤缣幊霈F(xiàn)了壓剪和拉剪的剪切破壞，斷層部分為局部開采擾動(dòng)破壞及斷層與采場(chǎng)間巖橋的剪切破壞。

（2）由圖7～圖8可知，在開采完成后，在礦房兩幫礦體和中間礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢(shì)，各剖面破壞接近區(qū)云圖顯示頂板和底板塑性變形較小，比較穩(wěn)定，發(fā)生冒落的可能性較小，主要在礦房兩幫礦體和中間礦柱處塑性變形較大，因此在開采時(shí)應(yīng)對(duì)側(cè)幫進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)、加固措施。

（3）由圖9可知，破壞接近區(qū)主要分布在采場(chǎng)兩幫礦體、中間礦柱、各工況頂板和底板等應(yīng)力集中區(qū)。工況28、29、30、31的采場(chǎng)兩幫礦體及中間條柱處均存在一定的破壞，有片幫的可能。而在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填后，采場(chǎng)周圍巖體的破壞接近區(qū)域沒有進(jìn)一步擴(kuò)大趨勢(shì)，及時(shí)充填可以緩和應(yīng)力集中、變形等的進(jìn)一步發(fā)展，有效地保護(hù)了圍巖。

4 結(jié)論

基于20聯(lián)巷以北高階段開采現(xiàn)狀與技術(shù)條件，根據(jù)礦山現(xiàn)有采場(chǎng)開采參數(shù)，研究空區(qū)形成過程中采場(chǎng)頂板、底板、側(cè)幫及鑿巖硐室條柱地壓顯現(xiàn)與二次應(yīng)力重分布特征，揭示礦柱地壓活動(dòng)時(shí)空顯現(xiàn)演變特征及礦柱側(cè)幫離層、演化與最終片幫破壞規(guī)律。研究表明：

（1）一步驟開采后，采場(chǎng)頂板中央出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力為1.93 MPa，最大壓應(yīng)力為7.13 MPa，最大水平位移為42.25 mm，礦房兩幫礦體和中間礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢(shì)，側(cè)幫破壞區(qū)域明顯大于頂板。

（2）左右采場(chǎng)嗣后充填后，最大拉應(yīng)力降幅為32%，最大壓應(yīng)力降幅為0.6%，剪應(yīng)力降幅為3.8%（從10.5 MPa減小至10.1 MPa），說明及時(shí)的充填對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定有利。

（3）在開采完成后，在礦房兩幫礦體和中間礦柱處有大量塑性積累，具有發(fā)生破壞的趨勢(shì)，各剖面破壞接近區(qū)云圖顯示頂板和底板塑性變形較小，比較穩(wěn)定，發(fā)生冒落的可能性較小，主要在礦房兩幫礦體和中間礦柱處塑性變形較大，因此在開采時(shí)應(yīng)對(duì)側(cè)幫進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)、加固措施。