雞籠山金礦過采區(qū)高應(yīng)力下采場穩(wěn)定性分析研究

任玉東，周 樂，邢 軍，邱景平

(1.長春黃金研究院有限公司，吉林 長春 130012；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

雞籠山金礦礦床屬中低溫?zé)嵋旱有偷V床，其礦體形態(tài)比較復(fù)雜，變化較大。礦山經(jīng)過40余年的開發(fā)，按照礦山生產(chǎn)能力39.6萬t/a計(jì)算，礦山的服務(wù)年限僅為6.9年，屬資源危機(jī)礦山。目前，雞籠山金礦尚有大量低品位資源，過去因種種原因尚未進(jìn)行開采。隨著市場上銅、金產(chǎn)品價位的回升，為低品位礦石資源的開發(fā)提供了良好的機(jī)遇，積極研究開發(fā)低品位資源，對提高礦山資源利用率、延長礦山服務(wù)年限以及建設(shè)環(huán)境友好型礦山都能夠起到促進(jìn)作用。基于此，對雞籠山金礦過采區(qū)高應(yīng)力低品位礦體進(jìn)行了開采綜合技術(shù)研究。由于采礦方法試驗(yàn)是在過采區(qū)、高應(yīng)力條件下進(jìn)行的，所以進(jìn)行采場穩(wěn)定性相關(guān)研究就顯得尤為重要。

影響采場圍巖穩(wěn)定性的因素、分類方法很多，按性質(zhì)可分為兩類：第一類屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，如巖體的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、地下水、自身的應(yīng)力狀態(tài)等，以上這些因素共同作用決定了采場圍巖的等級及質(zhì)量；第二類屬于后期工程施工等的人為因素，如開采形狀及斷面、工程大小尺寸、施工工藝方法、支護(hù)手段與措施等，這些人為因素本不能決定巖體圍巖質(zhì)量的好壞，但卻能對圍巖的穩(wěn)定性造成一定的影響。對于已確定的某一采場來說，第一類因素很難再進(jìn)行改變，因此，為了有效地控制地壓，維護(hù)采場的穩(wěn)定性，大多數(shù)通過改變工程活動中的人為因素來維護(hù)采場的穩(wěn)定性[1]。本研究在進(jìn)行回采區(qū)域礦巖性質(zhì)和采空區(qū)調(diào)查的基礎(chǔ)上，主要針對過采區(qū)、高地壓下采場最佳開采斷面形狀，開展了雞籠山金礦分段鑿巖階段礦房嗣后充填法試驗(yàn)采場的穩(wěn)定性研究分析工作。

1 構(gòu)建計(jì)算模型

本次分析采用近年來應(yīng)用較為廣泛的FLAC3D數(shù)值分析法，在一定程度上避免了離散元和有限元不能統(tǒng)一的矛盾[2]。由于試驗(yàn)采場周圍存在兩個較大的空區(qū)，因此，本次FLAC3D數(shù)值模擬首先進(jìn)行試驗(yàn)采場原始地應(yīng)力分布狀況的模擬，然后進(jìn)行水平開采斷面形狀的數(shù)值模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果確定最佳的水平開采斷面形狀。

1.1 計(jì)算參數(shù)

采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬，判斷巖體的破壞情況[3]。模型的實(shí)現(xiàn)用到了主應(yīng)力和平面外應(yīng)力，主應(yīng)力和主方向從應(yīng)力張量分量計(jì)算(壓應(yīng)力為負(fù))。在應(yīng)力空間(σ1,σ3)平面的破壞準(zhǔn)則如圖1所示。

圖1 摩爾-庫侖模型破壞準(zhǔn)則Fig.1 Mole-Coulomb model failure criterion

由摩爾-庫侖屈服函數(shù)定義的從A點(diǎn)到B點(diǎn)的破壞包絡(luò)線定義為式(1)；由B點(diǎn)到C點(diǎn)拉應(yīng)力屈服函數(shù)定義為式(2)。

(1)

ft=σt-σ3

(2)

式中：φ為摩擦角；c為黏聚力；σt為抗拉強(qiáng)度；Nφ定義見式(3)。

(3)

(4)

為了判斷雞籠山金礦礦體開采的安全性，了解礦巖的穩(wěn)固情況，以便為采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算提供依據(jù)，長沙礦山研究院對該礦山礦體及其圍巖力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測量計(jì)算。通過比重瓶法測得礦體和巖石的比重分別為3.06和2.755；通過巴西劈裂試驗(yàn)測得礦體和巖石的單軸抗拉強(qiáng)度；通過單軸壓縮試驗(yàn)測得礦巖的彈性模量和泊松比；通過巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)測得礦體和巖石的抗剪強(qiáng)度分別為3.79 MPa和2.26 MPa，正應(yīng)力分別為6.56 MPa和3.91 MPa，其中黏聚力和內(nèi)摩擦角可用式(5)～(7)進(jìn)行計(jì)算。具體數(shù)值見表1。

τ=(σ1-σ3)cosθsinθ

(5)

σ=σ1cosθ+σ3sinθ

(6)

τ=c+σtanφ

(7)

式中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；τ為抗剪強(qiáng)度；σ為正應(yīng)力；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；θ為破壞面與最大主應(yīng)力平面之間的夾角為30°。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)值Table 1 The physical mechanics parameter value of model

1.2 構(gòu)建模型

構(gòu)建數(shù)值模擬分析模型，需要綜合考慮35#礦體的賦存條件、周邊空區(qū)情況以及所采用的采礦方法。使模型能夠較為準(zhǔn)確地反映礦體實(shí)際情況，滿足邊界條件，所建的模型應(yīng)該足夠大，從而使模型其他部位受開挖區(qū)域的影響較小。圖2為建立的最終分析模型，礦區(qū)三維模型尺寸為：長184 m，寬170 m，高200 m(從-170 m標(biāo)高至山頂)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)采場原始地應(yīng)力分布狀況模擬

在-90～-130 m中段試驗(yàn)采場北東方向約13 m處有一之前開采后遺留的空區(qū)，空區(qū)尺寸寬16 m，長50 m，高40 m；同時，在該試驗(yàn)采場南西方向約20 m處也存在一之前開采后遺留的空區(qū)，其尺寸寬14 m，長60 m，高40 m。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，本次數(shù)值模擬首先進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際原始地應(yīng)力的分布模擬，以此來了解未開采前礦體地應(yīng)力分布情況。在設(shè)置完基本條件和參數(shù)后，在FLAC3D中進(jìn)行運(yùn)行計(jì)算，其最終的運(yùn)算結(jié)果見圖3(圖3是在礦體內(nèi)距礦體邊界10 m處，垂直走向所做的剖面圖)。

圖2 三維數(shù)值模擬模型Fig.2 Three-dimensional numerical simulation model

圖3 垂直走向方向礦體原始應(yīng)力分布圖(SZZ)Fig.3 Perpendicular to the direction of original stressdistribution of ore bodies

從圖3可以看出，由于礦體兩邊存在兩個原有空區(qū)，使整個礦區(qū)原巖應(yīng)力得到重新的分布，從而導(dǎo)致整個礦體處于一定的高應(yīng)力下，并且由于礦體下盤距右邊空區(qū)距離較近，使礦體下盤與空區(qū)之間的部分出現(xiàn)應(yīng)力加大的趨勢?？傮w來看，整個礦體是處于一定的高應(yīng)力之中，從而為回采工作以及采場的穩(wěn)定性帶來了一定的難度。

2.2 采礦方法的選擇及其工程布置

對于過采區(qū)高應(yīng)力低品位的礦體，由于礦體周圍存在之前開采過而遺留的空區(qū)，并且局部礦巖蝕變強(qiáng)烈，礦體所受的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，同時礦石品位又低，采用充填法開采固然可以克服復(fù)雜應(yīng)力條件所帶來的不便，保證安全開采，但經(jīng)濟(jì)效益較低。考慮到雞籠山金礦礦體及其頂板、底板主要為大理巖、花崗閃長斑巖和矽卡巖，結(jié)構(gòu)中等穩(wěn)固，僅個別地段碎裂程度強(qiáng)，而地表又不允許陷落，在礦巖通過加固能夠保證空場穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡可能采用空場嗣后充填采礦法，以便達(dá)到簡化回采工藝、提高采場生產(chǎn)能力和節(jié)約采礦成本的目的。結(jié)合雞籠山金礦礦體賦存條件，采用分段鑿巖階段礦房嗣后廢石與尾砂聯(lián)合充填采礦法進(jìn)行開采較為合適(圖4)，該方案適用于礦體厚度大于8 m、傾角大于50°的礦體，同時具有工藝簡單、生產(chǎn)能力大的特點(diǎn)，對提高生產(chǎn)能力和利用雞籠山的低品位資源具有重要意義。

由于35#礦體下盤邊界在試驗(yàn)采場選定位置變化較大，所以礦房沿走向布置，礦塊長約60 m，寬度15 m左右，高為中段高度40～50 m，間柱6 m，底柱10 m，分段高度10 m。采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)，出礦巷道間距7 m。采用脈外天溜井采準(zhǔn)形式，脈內(nèi)沿走向布置回采進(jìn)路，礦塊中央開鑿切割槽向兩端后退式回采。

2.3 水平回采斷面形狀對采場穩(wěn)定性影響

雖然分段鑿巖階段礦房嗣后充填法具有生產(chǎn)效率高、資源回采強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，但嗣后充填法階段高度較高，開挖對圍巖穩(wěn)定性影響較大，隨著開采工作的進(jìn)行，地壓變化大，直接導(dǎo)致采場周邊巷道冒頂，片幫等破壞嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)局部巷道塌落采空區(qū)的現(xiàn)象，影響采場人員與設(shè)備的安全。而任何采場的暴露面均可認(rèn)為是采場跨度和采場長度兩因素組成，但是采場跨度對采場圍巖穩(wěn)定性影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采場長度[4-5]?？缍仍酱髣t采場的穩(wěn)定性越差，在水平面上，采場的長度和跨度確定后，影響采場穩(wěn)定性的主要因素便是采場水平斷面形狀。采場水平斷面形狀主要影響回采后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)以及應(yīng)力的重新分布[6-7]。

由于本次采礦方法試驗(yàn)是在過采區(qū)高應(yīng)力條件下進(jìn)行的，結(jié)合所選擇的的采礦方法，選取合理的采場斷面形狀，需盡可能的滿足礦房周圍應(yīng)力分布合理，減少應(yīng)力集中區(qū)，以便于充分發(fā)揮圍巖自承能力維護(hù)自身的穩(wěn)定，又能做到充分采出礦石，提高生產(chǎn)效率。為此，根據(jù)所需情況，選擇了以下3種水平開采斷面形狀進(jìn)行模擬，從而選取最佳開采斷面(圖5)。

圖4 分段鑿巖階段礦房采礦法Fig.4 Sublevel rock drilling phase room mining technology

圖5 三種模擬水平開采斷面形狀Fig.5 Three kinds of simulation level mining section shape

2.3.1 矩形斷面回采對采場穩(wěn)定性影響

根據(jù)上文中建立的模擬現(xiàn)場實(shí)際采場地應(yīng)力分布模型，進(jìn)行模擬矩形斷面的開采，在開采過程中，35-1#采場與35-2#采場之間留有6 m條形礦柱，開采范圍沿礦體走向距礦體邊界開挖20 m，寬度為礦體邊界。開挖之后觀察開采后應(yīng)力重新分布情況，分析開采后采場的穩(wěn)定性。圖6是以矩形斷面開采后沿走向方向距礦體邊界10 m做的垂直與走向的礦體應(yīng)力分布圖(SZZ)剖面圖。

圖6 垂直走向方向水平矩形斷面開采礦體應(yīng)力分布圖(SZZ)Fig.6 Perpendicular to the direction of horizontalrectangular orebody is stress distribution

根據(jù)圖6的模擬結(jié)果來看，當(dāng)采用矩形斷面開采時，礦體上盤、6 m間柱以及下盤與原有空區(qū)之間的應(yīng)力均有較大幅度的增加。其中礦柱承受的最大壓力約為4.8×106Pa；上盤承受壓力在3.0×106Pa到4.0×106Pa之間；下盤與原有空區(qū)之間區(qū)域的壓力在4.0×106Pa到4.8×106Pa之間。矩形斷面開采與原先未開采之前相比上盤承受的壓力約增加2倍，下盤約為1.5倍，礦柱比原先礦體承受的壓力也增加大約2倍。

由此可以看出采用矩形斷面開采時，無論是上盤、下盤以及6 m礦柱承受的壓力均發(fā)生較大的增加，這樣不利于采場的穩(wěn)定性。如果采用此斷面開采需采用一定的支護(hù)措施，這樣不僅增加采礦的成本，而且影響采礦效率。

2.3.2 橢圓形斷面回采對采場穩(wěn)定性影響

同樣根據(jù)以上建立的模擬現(xiàn)場實(shí)際采場地應(yīng)力分布模型，進(jìn)行模擬橢圓形斷面的開采，開采范圍同樣為沿礦體走向距礦體邊界開挖20 m，寬度為礦體邊界。開挖之后觀察開采后應(yīng)力重新分布情況，分析開采后采場的穩(wěn)定性。圖7是以橢圓形斷面開采后沿走向方向距礦體邊界10 m做的垂直與走向的礦體應(yīng)力分布圖(SZZ)剖面圖。

圖7 垂直走向方向水平橢球形斷面開采礦體應(yīng)力分布圖(SZZ)Fig.7 Ellipsoidal cross section perpendicular tothe direction of horizontal stress distributionof orebody

根據(jù)圖7的模擬結(jié)果，當(dāng)采用橢圓形斷面開采時，礦體上盤、6 m間柱以及下盤與原有空區(qū)之間的應(yīng)力均有增加，但其增加幅度均比矩形斷面開采時小。其中礦柱承受的最大壓力約為4.0×106Pa；上盤承受壓力在2.0×106Pa到3.8×106Pa之間；下盤與原有空區(qū)之間區(qū)域的壓力在3.8×106Pa到4.8×106Pa之間。橢圓形開采斷面與矩形開采斷面應(yīng)力變化情況相比較可以看出，雖然兩者均使礦體上盤、下盤以及間柱的壓力增大，但橢圓形開采斷面增加的壓力以及高壓力分布區(qū)域均比矩形斷面小。因此，橢圓形開采斷面相對于矩形開采斷面有利于采場的穩(wěn)定性。

2.3.3 蝶拱形斷面回采對采場穩(wěn)定性分析

針對雞籠山金礦高地壓、過采區(qū)、低品位難采礦體開采技術(shù)研究中，提出了以蝶拱形開采斷面(開采后空區(qū)形狀在水平方向呈蝶形，垂直方向?yàn)楣靶?開采。為了驗(yàn)證此開采斷面的可行性以及相對于矩形斷面與橢圓形斷面是否更有利于維護(hù)采場穩(wěn)定性，本次也對蝶拱形斷面開采進(jìn)行了數(shù)值模擬，同樣根據(jù)建立的原始地應(yīng)力分布模型，進(jìn)行模擬蝶拱形斷面的開采，開采范圍同樣為沿礦體走向距礦體邊界開挖20 m，寬度為礦體邊界。圖8是以蝶拱形斷面開采后沿走向方向距礦體邊界10 m做的垂直于走向的礦體應(yīng)力分布圖(SZZ)。

圖8 垂直走向方向水平蝶形斷面開采礦體應(yīng)力分布圖(SZZ)Fig.8 Perpendicular to the direction of horizontalwing section orebody is stress distribution

根據(jù)圖8模擬結(jié)果來看，當(dāng)采用蝶拱形斷面開采時，礦體上盤、6 m間柱以及下盤與原有空區(qū)之間的應(yīng)力均有增加，但相對于矩形以及橢圓形開采斷面，增幅是最小的。其中礦柱承受的最大壓力約為3.4×106Pa；上盤承受壓力在2.0×106Pa到3.5×106Pa之間；下盤與原有空區(qū)之間區(qū)域的壓力在3.5×106Pa到4.8×106Pa之間。

蝶拱形斷面與其他兩種開采斷面相比較可以看出，無論是礦體上盤、下盤以及6 m礦柱承受的壓力均比前兩種開采斷面要小，并且高壓力分布區(qū)域較小，整個區(qū)域壓力分布均勻，這樣有利于采場穩(wěn)定性。因此，建議采用蝶拱形斷面進(jìn)行回采工作。

3 結(jié) 論

1) 從采場原始地應(yīng)力分布狀況來看，由于礦體兩邊存在兩個原有空區(qū)，且礦體下盤距右邊空區(qū)距離較近，使礦體下盤與空區(qū)之間的部分出現(xiàn)應(yīng)力加大的趨勢，導(dǎo)致整個礦體處于一定的高應(yīng)力下，為回采工作以及采場的穩(wěn)定性帶來了一定的難度。

2) 在礦體回采過程中，無論采用何種水平回采斷面，均會在礦體上盤、下盤及間柱出現(xiàn)應(yīng)力增加。但相對來說蝶拱形斷面開采應(yīng)力增加幅度以及分布區(qū)域均要低于其他斷面，有利于試驗(yàn)采場穩(wěn)定性，因此建議采用蝶拱形斷面進(jìn)行回采工作。

3) 由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，礦體回采后使相鄰采場以及相鄰中段的應(yīng)力重新分布，從而使應(yīng)力加大，為礦體的回采帶來一定的難度。因此，建議對回采后形成的空區(qū)進(jìn)行有效的處理，即采用嗣后充填，從而有效的控制地壓，維護(hù)采場穩(wěn)定性。