李學(xué)持

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)）

人類社會(huì)的高速發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量一直居高不下。對(duì)于已經(jīng)處于開發(fā)階段的礦產(chǎn)，開采企業(yè)一般從優(yōu)化開拓方案、改進(jìn)開采技術(shù)等方面來盡可能地提升資源回收量，從而實(shí)現(xiàn)效益最大化［1-2］。某鐵礦井筒保安礦柱占用了大量礦體，隨著開采技術(shù)的進(jìn)步，礦山計(jì)劃對(duì)部分優(yōu)質(zhì)礦柱資源進(jìn)行回收，從而擴(kuò)大資源回收率、提升企業(yè)效益。為此，本研究通過梳理該礦山開采技術(shù)條件，基于巖體力學(xué)理論，研究礦柱資源開采對(duì)井筒的穩(wěn)定性影響，從安全角度出發(fā)，驗(yàn)證礦柱資源回收的可行性［3-4］。

1 工程概況

某小型地下開采鐵礦山年產(chǎn)量為30 萬t，礦體埋深為80～680 m，賦存標(biāo)高為-10～-1 280 m。礦山一期工程負(fù)責(zé)開采-300 m 水平以上的礦體，設(shè)置了-200，-250，-300 m共3個(gè)中段。礦山采用豎井—盲斜井聯(lián)合開拓方案，使用淺孔留礦法采礦，集中放出礦石后對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填處理。

礦山主井位于采區(qū)北部，負(fù)擔(dān)著提升礦巖的任務(wù)。井口標(biāo)高為112 m，井底標(biāo)高為-310 m，井深422 m，井筒直徑為4.5 m。礦山一期工程設(shè)計(jì)中，設(shè)置了井筒保安礦柱，以保護(hù)主井的安全。截止2019年底，井筒保安礦柱占用礦石儲(chǔ)量達(dá)到20 萬t 以上。隨著開采工藝及充填技術(shù)的成熟，礦山?jīng)Q定對(duì)井筒保安礦柱的部分優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行開采，以提升企業(yè)效益和資源利用率。

經(jīng)過綜合分析勘察報(bào)告以及生產(chǎn)探礦工作結(jié)果，認(rèn)為-200 m 中段部分保安礦柱資源開采效益較高。此部分資源屬于S3礦體，經(jīng)采礦設(shè)計(jì)，對(duì)此部分礦塊進(jìn)行劃分。圖1 所示為-200 m 中段靠近保安礦柱部分采場(chǎng)布局，其中S3 礦體2 采場(chǎng)、3 采場(chǎng)處于保安礦柱范圍之內(nèi)，西1、西2、西3 采場(chǎng)與主井保安礦柱邊界大致相切。井筒中心距離S3 礦體3 采場(chǎng)最近距離為32.82 m，在-200 m水平，采場(chǎng)占主井保安礦柱面積的7.17%。因此，有必要對(duì)礦柱開采對(duì)主井的影響程度進(jìn)行研究，論證此方案的可靠性。

2 井筒破壞形式及判據(jù)

2.1 豎井破壞形式

井筒的穩(wěn)定性對(duì)礦山安全生產(chǎn)至關(guān)重要，對(duì)井筒的變形破壞特征和機(jī)理進(jìn)行分析、梳理，從而為礦山開拓設(shè)計(jì)、制定開采計(jì)劃以及維護(hù)礦區(qū)穩(wěn)定具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。目前，對(duì)礦山井筒的穩(wěn)定性研究案例較多，并取得了豐富的成果，針對(duì)井筒的幾種常見破壞類型，按井筒變形破壞特征的不同分別總結(jié)如下［5-7］。

（1）井筒軸向變形。當(dāng)?shù)叵麻_采導(dǎo)致地層或者圍巖不均勻變形時(shí)，特別是在巖層性質(zhì)差別較大的部位，容易帶動(dòng)井壁處于軸向受壓或者受拉的應(yīng)力環(huán)境，當(dāng)井筒變形值小于井壁允許變形值時(shí)，井筒極有可能發(fā)生軸向壓縮或者拉伸破壞。

（2）井筒傾斜變形。井筒傾斜變形分為井筒錯(cuò)動(dòng)和徑向變形破壞，其中徑向變形破壞又分為擠壓變形和拉伸變形。井筒傾斜變形主要發(fā)生在斷層破碎帶或者軟巖附近。當(dāng)?shù)叵麻_采引起斷層或軟巖滑動(dòng)變形時(shí)，易剪切井筒使其產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)破壞；當(dāng)井筒處于擠壓或者拉伸的應(yīng)力環(huán)境下，特別是在圍巖強(qiáng)度比井壁弱時(shí)，例如圍巖軟弱層位置，此時(shí)井壁承受較大的徑向荷載，嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)出受壓或者受拉變形（圓形井筒在徑向非均勻應(yīng)力場(chǎng)中具有向橢圓形變化的趨勢(shì)，此時(shí)長(zhǎng)軸方向表面表現(xiàn)受壓破壞、短軸方向表面表現(xiàn)受壓破壞）。當(dāng)圍巖剛度較井壁大時(shí)，圍巖能夠承受較大的徑向荷載，此時(shí)井筒反而不容易發(fā)生徑向變形。

（3）井筒曲率變形。地下開采導(dǎo)致井筒受力不均衡，使井筒整體產(chǎn)生軸向彎曲變形，當(dāng)彎曲程度過大，超過井筒自身的承受范圍后，即可能出現(xiàn)井壁破壞現(xiàn)象。井筒曲率變形按照中心線發(fā)生偏轉(zhuǎn)或彎曲分為2種類型。

2.2 豎井變形破壞判據(jù)

《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771—2012）對(duì)礦山建（構(gòu)）筑物的保護(hù)等級(jí)和變形允許值做出了規(guī)范。參考規(guī)范要求，類似豎（斜）井等構(gòu)筑物的相應(yīng)保護(hù)等級(jí)應(yīng)設(shè)為Ⅰ級(jí)，與地表建（構(gòu)）筑物變形指標(biāo)不同的是，主井主軸方向是豎向的，相應(yīng)的變形指標(biāo)應(yīng)為井壁傾斜值i、井壁曲率k和井壁豎向變形值ε，計(jì)算方法見文獻(xiàn)［8］。當(dāng)計(jì)算的變形量超過相應(yīng)的保護(hù)等級(jí)限值時(shí)（i<3 mm/m，k<0.2×10-3m-1，ε<2 mm/m），井筒可能發(fā)生變形破壞。

3 井筒穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)礦山實(shí)際情況以及勘探資料，首先基于3Dmine 軟件構(gòu)建包含礦塊、圍巖、地表、主井井筒等的礦區(qū)三維模型，再采用有限元軟件Midas GTS 構(gòu)建三維實(shí)體模型，經(jīng)過精細(xì)劃分礦體及巖層的網(wǎng)格，最后將Midas GTS 中劃分的物理網(wǎng)格模型導(dǎo)入有限差分法數(shù)值軟件中，定義各巖層的物理力學(xué)參數(shù)后進(jìn)行計(jì)算。為提高計(jì)算速率，綜合考慮各地層空間分布及其與礦體的位置關(guān)系，模型簡(jiǎn)化了部分夾層，并將巖石力學(xué)性質(zhì)相近的巖層進(jìn)行了合并。

模型四邊與采區(qū)的距離大于采區(qū)跨度的3倍，以防止模擬中的邊界效應(yīng)。模型長(zhǎng)1 050 m，寬700 m，上表面為地表地形，下表面標(biāo)高為-450 m。模型長(zhǎng)、寬方向分別為東西、南北向。實(shí)際范圍為X=3 855 400～3 856 100 m；Y=39 573 600～39 574 450 m（1980 年西安坐標(biāo)系）。所建立的礦區(qū)三維實(shí)體模型見圖2。模型中-200 m 中段待開采礦塊已涵蓋計(jì)劃開采的部分保安礦柱礦石。

模型前后邊界設(shè)定X方向水平應(yīng)力約束，左右邊界設(shè)定Y方向水平應(yīng)力約束；底部邊界設(shè)定位移全約束；頂部為地表自由面，不再額外施加位移約束。

模型不同巖層以及充填體的物理力學(xué)參數(shù)均由現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試獲得，共包含7種巖體。充填體強(qiáng)度取平均值，即2 MPa；礦石松散體強(qiáng)度參照其他類似礦山，取0.97 MPa。

3.2 模擬過程及監(jiān)測(cè)方案

礦山采用淺孔留礦法開采，在礦房?jī)?nèi)自下向上分層回采礦石，待整個(gè)礦房開采完畢后集中放出礦石，最后進(jìn)行膠結(jié)充填。分段之間由上向下開采。所以，數(shù)值模擬過程按照礦山實(shí)際開采順序，僅將礦房?jī)?nèi)的分層回采過程進(jìn)行簡(jiǎn)化。

為對(duì)豎井井筒的變形情況進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)，在井筒內(nèi)壁4 個(gè)方向沿軸向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成4 條監(jiān)測(cè)線（1#～4#），用以提取井壁從井口至井底的變形數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)線布置位置見圖3。

3.3 數(shù)值模擬可靠性檢驗(yàn)

地下開采會(huì)引起圍巖發(fā)生位移和變形，當(dāng)變形發(fā)展到地表時(shí)，則表現(xiàn)為地表的沉降和移動(dòng)。根據(jù)該礦山2019 年12 月出示的礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告，在整個(gè)開采時(shí)期，采區(qū)巖移范圍內(nèi)大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量在3 mm 以內(nèi)，礦區(qū)地表最大沉降值不超過4 mm。

本次研究以模型地表沉降值來檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否合理。模擬開采結(jié)束后，提取模型上表面地表垂直位移云圖，見圖4。從圖4中可以看出，模型模擬開采結(jié)束后，地表最大沉降值為3.7 mm，位于主采區(qū)正上方，主井所在位置的沉降值為1.9 mm。模擬結(jié)果與礦區(qū)實(shí)際監(jiān)測(cè)值相近，說明本次數(shù)值模擬在物理力學(xué)方面接近實(shí)際，對(duì)礦山工作具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

4 井筒變形分析

提取、梳理4 條監(jiān)測(cè)線上測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，并計(jì)算井壁傾斜值、井壁曲率和井壁豎向變形值，從而判斷主井井筒受開采的影響。

4.1 井壁傾斜變形

圖5 為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)井壁傾斜變形計(jì)算結(jié)果，可以看出，井壁傾斜變形值在不同標(biāo)高有較大差別，且4條監(jiān)測(cè)線呈現(xiàn)相似的結(jié)果，均在-210，-190，-160，-60，-50 m 等幾個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)突變。分析認(rèn)為-210，-190和-160 m 等幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的變化是受采空區(qū)群巖層移動(dòng)的影響，其中井底至-210 m 段主要受-250 m 中段采空區(qū)頂板巖層移動(dòng)區(qū)和-200 m 中段采空區(qū)底板巖層移動(dòng)區(qū)共同影響。與-250 m 中段相比，-200 m中段保安礦柱采空區(qū)距離井筒較近，隨著井筒標(biāo)高的增加，井壁受-200 m 中段保安礦柱采空區(qū)的影響越來越明顯，故形成由井底至-210 m 中段傾斜變形值負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。-210～-190 m 段的傾斜變形值反向急劇增加，主要是因?yàn)?200 m 水平頂?shù)字谝欢ǔ潭壬舷拗屏司驳膫?cè)向變形；-190～-160 m 對(duì)應(yīng)著-200 m 中段采空區(qū)的位置，整體呈現(xiàn)最大拐點(diǎn)值減小至最小拐點(diǎn)值。而-160 m 中段以上均為所有中段采空區(qū)群的頂板巖層移動(dòng)影響范圍，同時(shí)由于上覆巖層力學(xué)性質(zhì)的不同，導(dǎo)致變形量的較大波動(dòng)，例如-130，-50，-60 m等，均屬于巖層交界位置。

4 條監(jiān)測(cè)線上最大傾斜變形值均在-50 m 標(biāo)高處，分別為4.2×10-2，4.18×10-2，5.87×10-2和4.03×10-2mm/m，均未超過規(guī)定的Ⅰ級(jí)保護(hù)的構(gòu)（建）筑物臨界變形標(biāo)準(zhǔn)，說明井筒發(fā)生井壁錯(cuò)動(dòng)和徑向水平、擠壓破壞的可能性較小。

4.2 井壁豎向變形

圖6為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)井壁豎向變形計(jì)算結(jié)果（負(fù)值表示井壁受壓，正值表示井壁受拉）?？梢钥闯?，除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，井壁豎向變形量整體從上到下呈現(xiàn)先增大后減小的V 形變化趨勢(shì)，且在-200～-240 m 部分取得較大值，分析認(rèn)為這是受距離井筒較近的-200 m 中段的保安礦柱采空區(qū)圍巖變形影響所致。當(dāng)?shù)V體被開挖之后，上覆巖層的重量逐漸向采場(chǎng)兩側(cè)的間柱及井筒保安礦柱上轉(zhuǎn)移，即采場(chǎng)圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，因此-200～-240 m 段的井筒段在豎直方向上處于受壓狀態(tài)。對(duì)于井筒其他段的豎向變形值，均隨著與-200 m 中段保安礦柱采場(chǎng)之間距離的增加而減小，整體也仍處于受壓狀態(tài)。

對(duì)比不同監(jiān)測(cè)線上豎向變形量可知，井筒在-200 m 水平取得最大變形負(fù)值，此處對(duì)應(yīng)著-200 m中段保安礦柱采空區(qū)所在位置，井筒受壓最明顯。從數(shù)值上對(duì)比而言，1#監(jiān)測(cè)線上的最大豎向變形量是其他3 條的2～3 倍，分析認(rèn)為這是由于1#監(jiān)測(cè)線正好對(duì)應(yīng)-200 m中段采空區(qū)，受采動(dòng)影響也相對(duì)較大。1#監(jiān)測(cè)線在-220 m 水平的豎向變形量為0.068 mm/m，未超過規(guī)定的Ⅰ級(jí)保護(hù)建（構(gòu)）筑物臨界變形標(biāo)準(zhǔn)，說明井筒發(fā)生豎向拉伸或擠壓破壞等情況的可能性相對(duì)較小。

4.3 井壁彎曲變形

圖7 為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)井壁彎曲變形計(jì)算結(jié)果。除2#監(jiān)測(cè)線波動(dòng)較為劇烈外，其他監(jiān)測(cè)線上的井壁曲率變形量均是在小幅波動(dòng)，但均在-300，-200，-50 m 水平附件出現(xiàn)突變值，其中較明顯的是-50 m 水平的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。1#、2#、3#、4#監(jiān)測(cè)線在該水平的曲率分別為0.002×10-3，0.005×10-3，0.007×10-3和0.01×10-3m-1。以上監(jiān)測(cè)的最大曲率變形值均未超過規(guī)定的Ⅰ級(jí)保護(hù)建（構(gòu)）筑物臨界變形標(biāo)準(zhǔn)，說明井筒發(fā)生彎曲破壞的可能性較小。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)比地表沉降實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值接近，說明本次數(shù)值模擬在物理力學(xué)方面的準(zhǔn)確度較高，對(duì)礦山工作具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

（2）通過數(shù)值模擬計(jì)算井壁傾斜值、井壁曲率和井壁豎向變形值，發(fā)現(xiàn)-200 m 中段內(nèi)井筒保安礦柱的開采對(duì)井壁存在一定的影響，但各項(xiàng)指標(biāo)均處于《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的豎井臨界變形允許標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，可認(rèn)為主井能保持自身的穩(wěn)定，井壁發(fā)生破壞的可能性相對(duì)較小。

（3）本次數(shù)值模擬未考慮地表薄土層、各中段與主井相連的馬頭門結(jié)構(gòu)、地下水等因素對(duì)井筒變形的影響，建議在后期實(shí)際生產(chǎn)中加強(qiáng)對(duì)表土層、馬頭門結(jié)構(gòu)及含水層等部位的監(jiān)測(cè)工作。