基于水平構(gòu)造應(yīng)力比圈定新城金礦豎井保安礦柱初探

劉溪鴿 劉洪磊 朱萬成 李斕堃 張洪訓(xùn)

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

豎井對于大部分地下礦山而言都是咽喉要道，其穩(wěn)定性關(guān)乎礦山的可持續(xù)生產(chǎn)。豎井的變形破壞通常是由多種原因造成的［1］，其中地下開采誘發(fā)巖層移動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致豎井變形、破壞，是地下金屬礦山豎井破壞的重要原因［2］。隨著地下開采深度增加、地應(yīng)力逐漸升高，開采導(dǎo)致豎井周邊應(yīng)力集中，并可以進(jìn)一步導(dǎo)致豎井發(fā)生崩塌、破壞［3］。為了減小采礦對豎井的影響，在礦體距離豎井很近的情況下，一般要按照一定的巖石移動(dòng)角圈定豎井保安礦柱［4-5］。然而，在當(dāng)前采礦工程重心逐漸向深部轉(zhuǎn)移的背景下，根據(jù)傳統(tǒng)的巖石移動(dòng)角圈定保安礦柱的方法致使壓礦量較大［6］，將造成較高的資源浪費(fèi)，特別是對于貴金屬一類的礦產(chǎn)資源。因此，當(dāng)豎井深度超過2 500～3 000 m 這一深度范圍時(shí)，南非則不允許留設(shè)豎井保安礦柱［7］。

金屬礦山一般屬于硬巖礦床，其豎井的破壞模式受到構(gòu)造應(yīng)力以及斷層、斷裂帶的影響比較顯著。金川鎳礦二礦區(qū)的14行風(fēng)井是以穿過井筒的斷層出現(xiàn)活化為破壞模式，高地應(yīng)力、礦體與斷層的較大傾角是巖層移動(dòng)的主要誘因［8-10］，其三礦區(qū)主豎井也因?yàn)楦叩貞?yīng)力的作用導(dǎo)致襯砌發(fā)生嚴(yán)重變形［11］；澳大利亞的Mount Isa 銅礦X41 豎井同樣是由于受到采動(dòng)影響，導(dǎo)致其穿過的斷層部分出現(xiàn)滑移錯(cuò)動(dòng)，井筒襯砌發(fā)生開裂破壞［12-13］；程潮鐵礦的地表及豎井變形案例表明，當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)和地表塌坑形成一定規(guī)模后，在礦區(qū)不同方向水平構(gòu)造應(yīng)力的釋放和擠壓作用下，被地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖分為柱狀結(jié)構(gòu)的圍巖向塌坑方向產(chǎn)生傾倒，引起了井區(qū)地表變形，且變形規(guī)律呈現(xiàn)出“S”型［14-16］。近年來，隨著采礦技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外許多礦山在回收豎井保安礦柱方面取得了良好效果，例如，廣東館坑鎢礦豎井保安礦柱的回收至豎井僅10 m［17］；遼寧紅透山銅礦根據(jù)安全深度概念重新劃定保安礦柱，大大增加了采礦量［6］；美國Homestake礦豎井保安礦柱成功回收［18］等。地下礦山豎井工程的穩(wěn)定性根本上涉及到巖體在采礦擾動(dòng)下的變形與移動(dòng)。而豎井的特殊性主要體現(xiàn)在涉及的巖層范圍廣、工程時(shí)效性要求長、工程可替代性差、工程環(huán)境逐漸劣化等方面。

要在確保豎井安全運(yùn)營的前提下更多地回采礦石，則需要同時(shí)考慮到礦山地質(zhì)與地應(yīng)力條件。本研究首先闡釋了地下礦山豎井工程的特殊性，并建立了簡化的概念模型，研究不同水平構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下開挖豎井周邊礦體對豎井的影響；其次，以新城金礦豎井周邊礦體回采為研究對象，建立了豎井與礦體的大尺度數(shù)值計(jì)算模型，對比分析圓形保安礦柱與考慮水平應(yīng)力條件的橢圓形保安礦柱方案；最后，優(yōu)選出適用于新城金礦地質(zhì)條件的豎井保安礦柱。

1 新城金礦豎井工程概況

山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦是我國大型黃金礦山之一，新城金礦現(xiàn)開采區(qū)域主要包括XI#和V#兩塊礦體，其中V#礦體位于-430～-732 m 標(biāo)高；XI#礦體是近些年新發(fā)現(xiàn)的礦體，隨著相關(guān)探礦及回采工程的揭露，XI#礦體的礦界逐漸變得清晰和明確。XI#礦體主礦脈位于主豎井兩側(cè)，目前探測的礦體位于-405～-330 m 以及-530～-430 m 標(biāo)高，如圖1 所示。隨著井下探礦工程的進(jìn)一步揭露，礦量從最初推測的169 萬t增加到317 萬t，將導(dǎo)致采空區(qū)范圍大幅增加。因此，豎井的穩(wěn)定性也需要基于最新的地質(zhì)模型開展評估。

目前，新城主豎井為該礦山唯一的礦石提升井，豎井上部地表需要保護(hù)的對象有井架、卷揚(yáng)機(jī)房、選礦車間等。新城金礦豎井工程的特殊性在于，豎井周邊的XI#礦體回采并不是殘采階段，該豎井還要保證相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)V#礦體的礦石提升。在新的主豎井開掘完成之前，該豎井是當(dāng)前新城金礦唯一的礦石提升井，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到礦山的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 豎井周邊回采礦體的概念模型

2.1 模型建立及參數(shù)賦值

根據(jù)新城金礦豎井地質(zhì)條件建立了豎井周邊礦體開挖的概念模型，如圖2 所示。模型尺寸為200 m×100 m×20 m（長×寬×高），模擬地下-500 m 中段礦巖的地應(yīng)力條件，在模型正中間為直徑5 m 的豎井。將巖體上覆巖層的自重應(yīng)力設(shè)置為中間主應(yīng)力（第二主應(yīng)力），即σ2=13.25 MPa，并作為面力均勻施加在模型上表面，模型側(cè)面施加應(yīng)力邊界，側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ 分別取值0.5、1.0 和1.5，不同工況下的應(yīng)力取值如表1所示。此外，數(shù)值模型底部為位移約束。在豎井兩側(cè)距豎井中心17.5 m 處同時(shí)開挖半徑的為5 m的礦體，模擬采空區(qū)。模型參數(shù)根據(jù)新城金礦相關(guān)地層巖體參數(shù)選取（表2），模擬計(jì)算采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，公式為

式中，σ1，σ3分別為第一和第三主應(yīng)力，MPa；σc，σt分別為材料抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，MPa；c 為黏聚力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）。

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2.2 模擬回采結(jié)果分析

模型開挖前后的位移變化對比如圖3 所示。由圖3 可知：在σ1=σ3（工況1）的加載條件下，模型的初始位移較小，當(dāng)?shù)V石回采形成采空區(qū)后，整個(gè)模型的最大變形量為9.01 mm，主要發(fā)生在采空區(qū)周圍，而豎井周邊的最大變形量為2.38 mm；在σ1=3σ3（工況2）的地應(yīng)力條件下，開挖后整個(gè)模型的最大變形量為9.24 mm，主要位于最大主應(yīng)力方向上，豎井周邊最大變形僅為1.38 mm；在3σ1=σ3（工況3）加載條件下，且σ1沿Y 軸方向，模型的最大變形量為9.23 mm，豎井周邊的最大變形量為3.27 mm。對比分析上述結(jié)果可知：當(dāng)采空區(qū)處在最大主應(yīng)力方向時(shí)，豎井變形量最小，此時(shí)采空區(qū)起到了卸壓作用；當(dāng)采空區(qū)處于最小主應(yīng)力方向時(shí)，豎井變形量反而增加，豎井周邊成為了主要承壓區(qū)。由此可見，豎井變形與采空區(qū)及地應(yīng)力條件均緊密關(guān)聯(lián)。圈定豎井保安礦柱，不僅需要考慮采空區(qū)與豎井的距離，還需要顧及水平構(gòu)造應(yīng)力條件。

圖4 為3 種地應(yīng)力條件下，豎井及采場周邊的最大主應(yīng)力分布情況。分析該圖可知：在采空區(qū)與最小主應(yīng)力方向一致時(shí)，開挖會(huì)導(dǎo)致豎井周邊應(yīng)力集中；當(dāng)采空區(qū)與最小主應(yīng)力方向一致時(shí)，采空區(qū)的卸壓效果顯著，可以較大程度地保護(hù)豎井。

采空區(qū)周邊的應(yīng)力與變形統(tǒng)計(jì)情況如圖5所示，其中圖5（a）與圖5（c）中開挖后的應(yīng)力或位移曲線斷開處表示采空區(qū)。圖5（a）和圖5（b）顯示，當(dāng)采空區(qū)在豎井的σ1方向時(shí)（工況2），開挖后其周邊應(yīng)力顯著降低，特別是在σ1方向上最大主應(yīng)力降低66.7%，同時(shí)對豎井周邊的卸壓效果也比較明顯，降低30.5%；當(dāng)采空區(qū)在豎井的σ3加載方向時(shí)（工況3），采空區(qū)周圍應(yīng)力劇增147.1%，導(dǎo)致豎井周邊應(yīng)力也較高，增高22.2%。圖5（c）和圖5（d）表明，當(dāng)采空區(qū)在豎井的σ1方向上時(shí)（工況2），圍巖向采空區(qū)的擠壓效果最為顯著，也會(huì)導(dǎo)致豎井周邊變形明顯。同時(shí)，由于采空區(qū)的存在，豎井的變形方向發(fā)生了改變，豎井圍巖變形方向從朝向豎井（1.25 mm）轉(zhuǎn)變?yōu)楸畴x豎井（1.53 mm），但總體變形量不大。當(dāng)采空區(qū)在豎井的σ3方向上時(shí)（工況3），豎井圍巖呈現(xiàn)出整體向井筒內(nèi)部擠壓變形的趨勢?？紤]到工況2卸壓效果明顯、變形控制合理，因此，采空區(qū)分布在最大主應(yīng)力方向上有利于豎井穩(wěn)定。

3 新城金礦豎井周邊礦體模擬回采

3.1 新城金礦數(shù)值計(jì)算模型建立

新城金礦計(jì)算模型通過3DMine-Rhinoceros 5-Griddle 1.0-FLAC3D耦合建模方式構(gòu)建，如圖6 所示?？紤]到豎井襯砌變形是周邊巖體移動(dòng)的結(jié)果，且在區(qū)域大模型構(gòu)建中襯砌單元與其他單元大小相差懸殊，極易導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，故將其省略，模擬主要關(guān)注于豎井圍巖的變形。研究區(qū)域內(nèi)的河西斷裂帶、焦家斷裂帶、侯家斷裂帶通過弱化巖性參數(shù)方法加以區(qū)分。數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則（式（1））計(jì)算。

根據(jù)新城金礦最新地應(yīng)力測試結(jié)果，該礦最大主應(yīng)力垂直于礦體走向方向，最小主應(yīng)力沿礦體走向方向，重力為中間主應(yīng)力。數(shù)值模型同樣采用面力邊界進(jìn)行加載，其地應(yīng)力隨深度的回歸方程為［19］

式中，σh,max、σh,min和σv分別為最大、最小和垂直主應(yīng)力，MPa；H 為埋深，m。

本研究采用面力調(diào)整的方法獲得FLAC3D模型的初始應(yīng)力場［20］，通過巖體參數(shù)反映不同地層巖性的初始應(yīng)力狀態(tài)，各地層的巖體參數(shù)參考文獻(xiàn)［21］取值，回采前的地應(yīng)力場如圖7 所示。由圖7 可知：在-380 m 和-530 m 水平礦體回采之前，豎井穿過的各巖層強(qiáng)度越高應(yīng)力越大，由于地表主要為第四紀(jì)土層，該區(qū)域巖層參數(shù)較小，因此出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力降低區(qū)。

3.2 兩種豎井保安礦柱留設(shè)方案

本研究在新城金礦XI#礦體數(shù)值模擬開挖過程中，模擬分析了兩類豎井保安礦柱留設(shè)方案，分別為圓形礦柱和橢圓形礦柱，如圖8 所示。其中，圓形礦柱留設(shè)方案以豎井為中心，圈定半徑分別為200、150、100 m，第1 步回采半徑為200 m 的圓外礦體，第2 步 為200～150 m，第3 步為150～100 m，第4 步 將100 m 內(nèi)的所有礦體一步開挖。在橢圓形礦柱留設(shè)方案中，也分4 步完成，橢圓形礦柱3 個(gè)短軸半徑分別為200、150、100 m，長短軸比為1.57∶1（依據(jù)最新地應(yīng)力測量結(jié)果，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力梯度比值為1.57∶1），回采過程與圓形礦柱類似，如圖8（b）所示。在該數(shù)值計(jì)算模型中，豎井中心與模型的原點(diǎn)重合，豎井凈半徑為2.5 m，從地表井口+33 m 水平向下每隔50 m 設(shè)置一個(gè)變形取值點(diǎn)，用以監(jiān)測模擬開挖過程中的豎井變形。

3.3 不同豎井保安礦柱模擬結(jié)果對比

豎井在X、Y、Z 3 個(gè)方向上的變形隨礦體回采的變化曲線如圖9所示。圖9（a）顯示，豎井變形隨著埋深增加，變形量有變大趨勢，與埋深增加地應(yīng)力加大的現(xiàn)象一致，與豎井底部的河西破碎帶影響密切相關(guān)。圓形礦柱方案二、方案三與橢圓形礦柱方案二、方案三等4條曲線對比發(fā)現(xiàn)，橢圓形開挖方案回采的礦量更多，同時(shí)豎井的變形量也更大。雖然豎井總體變形量均控制在8 mm 以內(nèi)，但豎井100 m 范圍內(nèi)礦體回采將導(dǎo)致豎井變形量增加顯著，不利于豎井穩(wěn)定。豎井變形的側(cè)向偏斜量比其在豎直方向上的變形更顯著。在走向（X 方向）和傾向（Y 方向）上，豎井都表現(xiàn)出了比較強(qiáng)烈的扭曲現(xiàn)象，且豎井變形最大的方向?yàn)榈V體傾向方向，與最大主應(yīng)力方向一致。在豎直變形方面，受礦體開采影響，豎井整體上表現(xiàn)為向下沉降，在采空區(qū)周邊表現(xiàn)得尤為明顯。

本研究采用優(yōu)采度指標(biāo)（分步回采礦量百分比與變形增量百分比的比值）［22］來評估礦體最優(yōu)的回采方案，橢圓形回采方案和圓形回采方案的優(yōu)采度指標(biāo)值如表3所示。

由表3分析可知：整體礦量的優(yōu)采度指標(biāo)值為1，優(yōu)采度指標(biāo)值大于1，表明回采條件相對優(yōu)良，即表示回采相同的礦石量對豎井變形影響更小，或表示在引起豎井相同變形量的條件下可以回采更多的礦石；優(yōu)采度指標(biāo)值小于1，表明回采條件較差，即表示回采相同礦石量對豎井變形影響大，或表示在引起豎井相同變形量的條件下可以回采的礦石更少。無論是橢圓形礦柱還是圓形礦柱留設(shè)方案，隨著回采逐漸接近豎井、回采礦量逐漸增加，優(yōu)采度指標(biāo)值都趨于下降。

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兩種礦柱留設(shè)方案分析表明，豎井100 m 范圍內(nèi)礦體不宜回采，采礦量小但其引起的豎井變形劇烈。對比圓形與橢圓形礦柱方案三，橢圓形礦柱雖然可以少量增加采礦量，但其導(dǎo)致優(yōu)采度指標(biāo)略小于1。考慮到新城金礦豎井關(guān)乎全礦生產(chǎn)的連續(xù)性，現(xiàn)階段應(yīng)采取相對保守的回采方案，宜采用圓形保安礦柱方案三，即保留豎井100 m范圍內(nèi)的礦體不回采。

4 結(jié) 論

（1）簡化的采礦概念模型模擬結(jié)果表明，回采豎井最大主應(yīng)力方向上的礦體對豎井圍巖具有卸壓作用，豎井圍巖變形也有向采空區(qū)方向發(fā)展的趨勢；反之，回采最小主應(yīng)力方向上的礦體將導(dǎo)致豎井周邊應(yīng)力集中、豎井整體向井筒內(nèi)部擠壓變形，增加了豎井圍巖的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）提出了考慮水平構(gòu)造應(yīng)力比的橢圓形豎井保安礦柱概念。由于新城金礦的礦體恰好處于最小主應(yīng)力方向上，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果仍然建議保留豎井周邊100 m 的圓形保安礦柱。盡管如此，在其他水平構(gòu)造應(yīng)力顯著的礦山，橢圓形豎井保安礦柱依然有進(jìn)一步研究的價(jià)值。