王 昊，張 飛，郝勇浙

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

金屬礦山地下開采活動中，礦體的開挖會打破巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)生成新的次生應(yīng)力場[1]。而不同的開采順序會使巖體表現(xiàn)出不同的應(yīng)力分布狀態(tài)，所以合理設(shè)計、調(diào)整礦體的回采順序，可顯著提高采場的穩(wěn)定性[2]。國內(nèi)外學(xué)者對優(yōu)化礦體開采順序做了大量的研究，其中，葉義成[3]等采用相似模擬實驗方法，分析上橫山礦前進(jìn)式和后退式開采時圍巖及地表應(yīng)變變化規(guī)律，研究嗣后充填采礦法開采礦體時合理的回采順序。由于傳統(tǒng)的相似模擬實驗會消耗大量的人力和物力，加之計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬在地下礦山開采中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。梁勝增[4]等使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬優(yōu)化了銅山銅礦30#礦體的回采順序。胡建華[5]等基于巖體時變力學(xué)參數(shù)優(yōu)化了高峰礦-150 m~200 m礦段開采順序。張弛[6]等在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，構(gòu)建了礦體開采順序優(yōu)化的協(xié)同測度模型，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩種指標(biāo)計算出各回采方案的協(xié)同度，以此來優(yōu)化礦體的回采順序。張德明[7]通過壓力拱理論對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出了礦房按“品”字形布置時，回采過程中采場的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和位移值遠(yuǎn)小于其他方案，在礦山推廣使用后取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

實際上，礦山淺部資源的回采往往會遺留下大量不規(guī)則的采空區(qū)，這些空區(qū)的存在對深部礦體的賦存環(huán)境是有影響的，以往對淺部礦體開采擾動條件下礦體的回采順序研究較少，為此，本文以內(nèi)蒙某金礦13號礦脈為研究對象，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析淺部礦體開采擾動下深部礦體的應(yīng)力分布規(guī)律，并研究最優(yōu)的回采順序。

1 工程概況與數(shù)值模型

1.1 工程概況

該金礦13號礦脈418中段以上礦體基本開采完畢，為殘留的采空區(qū)。礦體傾向140°~204°，傾角45°~85°，厚度0.43m~8.36 m。據(jù)礦體賦存特征及開采技術(shù)條件，結(jié)合礦山目前采用的采礦方法，對于傾角大于30°的礦體，采用淺孔留礦法開采。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度為50 m，其中礦房44 m，頂柱4 m，間柱6 m，底柱6 m，寬度為礦體厚度。傾角小于30°的礦體，采用全面法開采。礦體頂?shù)装鍑鷰r均為片麻巖，屬于半堅硬～堅硬巖石，整體穩(wěn)定性較好。

1.2 模型的建立

根據(jù)礦山13號脈的礦體賦存條件和采空區(qū)探測結(jié)果，礦體沿走向上的長度達(dá)到2 000m~3 000 m，若建立整個礦區(qū)的三維數(shù)值模型，要劃分的網(wǎng)格數(shù)量太多，無法完成計算，因此選取107至163剖面線之間礦體作為本次計算的實驗礦體，使用3DMINE建立礦脈和地表模型，導(dǎo)入RHINO后劃分礦房并建立實體模型，最后通過GRIDDLE插件劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D中計算。如圖1所示為建立的礦山實體模型，沿Z方向分為618、578、538、498、458、418和368七個中段，沿X方向上將各中段礦體劃分為一系列的采場。其中418以上為已形成的采空區(qū)，368中段為待采礦體，從右至左劃分為7個礦塊。該模型整體沿X方向長度為700 m，沿Y方向長度為550 m，沿Z方向的高度為1 200 m左右，劃分網(wǎng)格后有798 848個網(wǎng)格，600 437個節(jié)點(diǎn)。

圖1 數(shù)值模型

1.3 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山提供的巖石力學(xué)實驗結(jié)果，經(jīng)過強(qiáng)度折減處理后，得到了數(shù)值模擬所需的巖體強(qiáng)度參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

2 礦山開采現(xiàn)狀分析

礦山實際上回采418~618中段礦體時的順序為階段上采用自上而下分中段開采，中段內(nèi)采用自遠(yuǎn)而近（自端部向豎井）后退式開采，由于模擬主要是分析淺部礦體開挖擾動對下部礦體的地壓分布規(guī)律的影響，因此可適當(dāng)簡化開挖步驟，計算中采用了各中段分步回采的計算方式，即自上而下分步開采，每次開采一個中段內(nèi)礦房。

淺部空區(qū)開采完畢后礦體的應(yīng)力分布如圖2所示，受上覆空區(qū)開挖影響，418中段下部未開采礦體出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力集中范圍分布在418 m~380 m中段礦體上，結(jié)合測線處的最大主應(yīng)力變化曲線可知，靠近已采空區(qū)的礦體應(yīng)力集中程度較大，隨著礦體深度增加逐漸降低，礦體深度大于390 m之前應(yīng)力變化明顯，小于390 m之后應(yīng)力變化曲線逐漸平緩，之后隨著深度增加應(yīng)力略微上升。說明上部空區(qū)開挖后的影響范圍為390 m以上，為更加準(zhǔn)確的分析影響范圍內(nèi)礦體的應(yīng)力分布規(guī)律，選擇390 m水平做橫剖圖，應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。該區(qū)域內(nèi)礦體上盤位置出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，下盤位置出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力異常區(qū)域分布在空區(qū)下方礦體附近，遠(yuǎn)離此范圍內(nèi)的圍巖仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖2 深部礦體應(yīng)力分布規(guī)律（礦體走向）

圖3 深部礦體應(yīng)力分布規(guī)律（橫剖面）

綜上所述，受上覆空區(qū)開挖擾動影響，深部礦體出現(xiàn)應(yīng)力異常區(qū)域，其中處于應(yīng)力升高區(qū)的巖體中積累了大量的彈性能，若在此條件下進(jìn)行深部礦體的開采活動，很有可能會發(fā)生沖擊地壓和誘發(fā)巖爆等后果。

3 深部礦體回采時序優(yōu)化

3.1 深部礦體回采方案

深部礦體在上部采場開挖擾動下，應(yīng)力分布錯綜復(fù)雜，增加了深部礦體的開采難度。針對這一問題，周科平[8]等提出了采礦環(huán)境再造理論，研究表明可通過一定的技術(shù)手段,改造礦體賦存的地質(zhì)環(huán)境，以實現(xiàn)礦山的安全、高效生產(chǎn)。鄧紅衛(wèi)[9]根據(jù)這一理論，在深部待采礦體與空區(qū)之間保留了一定厚度的隔離帶，避免了在應(yīng)力過高的區(qū)域開采礦體。綜上所述，可充填418、458中段全部空區(qū)形成水平隔離層，以改善深部礦體的賦存環(huán)境。

深部開挖區(qū)域的礦體共劃分為7個礦房，采礦方法為潛孔留礦法，共設(shè)計了四種回采方案，分別為后退連續(xù)式開采、后退間隔式開采、前進(jìn)連續(xù)式開采和前進(jìn)間隔式開采，具體開挖步驟如表2所示。

表2 深部礦體回采方案設(shè)計

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力演變規(guī)律

最大主應(yīng)力反應(yīng)的是巖體受壓的情況，過大的壓應(yīng)力是導(dǎo)致巖爆發(fā)生的主要原因。如圖4（a）所示，四種方案的最大主應(yīng)力都表現(xiàn)出逐步上升的趨勢，最大壓應(yīng)力值分別為71.8 Mpa、69.8 Mpa、77 Mpa和79.2 Mpa，均已超過了巖體的抗壓強(qiáng)度。其中方案三和方案四在第四步開挖之前最大主應(yīng)力變化平穩(wěn)，從第五步開挖之后最大主應(yīng)力上升幅度急劇增加，這是由于方案三和方案四都采用隔一采一的回采順序，而兩個采場之中應(yīng)力集中區(qū)往往出現(xiàn)在相鄰采場之間的隔離礦柱以及礦柱與頂?shù)装宓墓战翘?，而這種回采順序從空間上避免了各采場之間的相互影響，因此直到第五步開挖兩采場之間的礦體時才出現(xiàn)最大主應(yīng)力迅速上升的現(xiàn)象。方案一和方案二都在開挖到最后一步壓應(yīng)力達(dá)到最大值，方案二最大壓應(yīng)力雖然比方案一小，但在開挖第三步時壓應(yīng)力太大，地壓管控困難，因此方案一更有利于采場礦壓控制。

圖4 應(yīng)力時變曲線

最小主應(yīng)力反應(yīng)的是巖體中是否出現(xiàn)了拉應(yīng)力，由于巖體抗壓不抗拉的特點(diǎn)，拉應(yīng)力容易導(dǎo)致巖體的破壞。方案1-4的拉應(yīng)力變化規(guī)律各不相同，這是因為采場開挖過程中，礦體的厚度、傾角以及相鄰采場開挖后產(chǎn)生的次生應(yīng)力場都會影響拉應(yīng)力的大小，因此拉應(yīng)力值的變化沒有明顯的規(guī)律。但各方案的最大拉應(yīng)力值分別為1.84 Mpa、1.85 Mpa、1.87 Mpa和1.80 Mpa，均沒有超過圍巖的抗拉強(qiáng)度，而且圍巖的拉伸塑性破壞區(qū)范圍較小，故四個方案均不會引起采場圍巖的拉破壞。

3.2.2 位移演變規(guī)律

從位移變化規(guī)律（圖5）來看，隨著采場的不斷推進(jìn)，采空區(qū)暴露的面積和時間不斷增大，導(dǎo)致采場位移值呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，最大位移值分別為7.8 cm、8.9 cm、8.4 cm和8.5 cm。研究結(jié)果表明，方案一采場圍巖整體位移量最小，且采場最大位移值也是四個方案中最小的。故方案一更有利于采場圍巖的變形控制。

圖5 位移時變曲線

4 結(jié)論

（1）利用3DMine—rhino耦合建模技術(shù)建立礦體三維地質(zhì)模型，模擬研究了淺部礦體開挖擾動下深部礦體應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明，390 m水平以上礦體受上覆采場開挖擾動影響較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，390 m水平礦體以下應(yīng)力迅速衰減，逐漸恢復(fù)為原巖應(yīng)力狀態(tài)。

（2）基于采礦環(huán)境再造理論，充填418、458中段空區(qū)形成水平隔離層，可有效改善深部礦體的賦存環(huán)境，有利于實現(xiàn)深部礦體的安全開采。

（3）通過對比分析各方案回采過程中采場最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、位移變化情況和回采完成后采場的破壞情況，認(rèn)為方案一為最佳回采方案。