基于地壓監(jiān)測及數(shù)值模擬對某鎢礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析

郁富林 ，肖國喜 ，徐 鋒

（1.江西滸坑鎢業(yè)有限公司，江西 吉安 343205；2.江西國泰五洲爆破工程有限公司，江西 南昌 330096；3.江西省爆破工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330012）

江西某鎢礦從590 m至-160 m共有14個生產(chǎn)中段，采用淺孔留礦法和全面法開采，目前主采為-60 m、-110 m、-160 m三個中段。140 m中段于20世紀90年代結(jié)束回采，遺留了大量的采空區(qū)，這些采空區(qū)可能誘發(fā)其鄰近巖體位移導(dǎo)致采空區(qū)失穩(wěn)。由于該中段還余有部分低品位礦體未回收，為充分回收礦產(chǎn)資源，礦山擬對該部分資源進行綜合回收，而采空區(qū)的相對穩(wěn)定是資源安全回收的前提。因此，對該中段采空區(qū)及其周邊巖體穩(wěn)定性分析十分必要[1]。

從國內(nèi)外對采空區(qū)穩(wěn)定性分析的研究現(xiàn)狀來看，常用的研究方法主要有：預(yù)計法、解析法、工程地質(zhì)法、數(shù)值模擬法和相似材料模擬實驗研究法等[2]，以上研究方法為研究該中段采空區(qū)穩(wěn)定性提供了參考[3]；在當前的技術(shù)條件下，用地壓監(jiān)測取得采空區(qū)相鄰巖體的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，然后采用FLAC3D軟件對數(shù)據(jù)進行模擬分析，是國內(nèi)外很多科研機構(gòu)和大專院校研究采空區(qū)穩(wěn)定性的一種科學有效的方法，該方法廣泛應(yīng)用于巖土工程分析和設(shè)計，可有效模擬復(fù)雜條件下采空區(qū)穩(wěn)定性情況；同時，為礦山技術(shù)工作者評價老礦山資源安全回收提供啟發(fā)和借鑒作用。

1 地壓監(jiān)測概況

地壓監(jiān)測是研究礦山地壓活動規(guī)律的主要方式[4]，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果是預(yù)測、預(yù)報回采后地壓問題的最有效手段。

該礦山主要圍巖為花崗巖，根據(jù)前期該礦花崗巖單軸抗壓強度測驗，強度約100 MPa，由于破壞時變形量相對較小，以脆性破壞表現(xiàn)為主。因此，采用應(yīng)力監(jiān)測較為適宜。

1.1 監(jiān)測點選取與布置

采用GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計（見圖1）進行應(yīng)力監(jiān)測[5]。根據(jù)前期地壓與采空區(qū)調(diào)查，本次140m中段地壓監(jiān)測共布置5個應(yīng)力測點，測點位置見表1。

圖1 GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計Fig.1 GZY20 strain type borehole stress gauge

表1 140 m中段測點位置Tab.1 Location of survey point in 140 m middle section

1.2 現(xiàn)場施工

GZY20型應(yīng)變式鉆孔應(yīng)力計的安裝需施工直徑為50 mm，深度為2 m的水平鉆孔，為便于儀器的安裝，鉆孔盡量圓、平、直，傾角控制在3°為宜[6]。鉆孔施工完成后，用水將孔中的巖粉沖洗干凈[7]。為測量豎直方向的次生應(yīng)力，安裝時施加的初始應(yīng)力控制在5 MPa左右。

1.3 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

圖2給出了140 m中段各測點應(yīng)力-時間曲線。從圖中可以看1#～4#測點所監(jiān)測到的次生應(yīng)力基本無變化，說明目前140 m中段202#勘探線～208#勘探線礦巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，采空區(qū)及其周邊巖體總體處于穩(wěn)定狀態(tài)[8]。而5#測點前期所監(jiān)測的次生應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢，但減小的幅值較小，并且在后期呈現(xiàn)基本穩(wěn)定的狀態(tài)，說明在監(jiān)測期內(nèi)307穿脈鄰近巖體存在較小的擾動。

圖2 140 m中段各測點應(yīng)力-時間曲線Fig.2 Stress-time curve of each measuring point in 140 m middle section

以上監(jiān)測結(jié)果表明：井下140 m中段采空區(qū)及其周邊巖體歷經(jīng)多年的發(fā)展，圍巖次生應(yīng)力總體處于平衡狀態(tài)。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 計算模型

建立了該鎢礦整個礦區(qū)的有限差分模型，從而為井下采空區(qū)穩(wěn)定性分析與后續(xù)采空區(qū)治理效果評價提供了前期基礎(chǔ)。礦山實體建模由Surpac軟件完成，在此基礎(chǔ)上，采用FLAC3D軟件建立了礦區(qū)三維模型，數(shù)值計算模型見圖3。模型水平長度、水平寬度與豎直高度分別為4 000 m，2 600 m，800 m，涉及的中段包括14個中段，共生成274 502節(jié)點，772 897個單元。

2.2 巖體力學參數(shù)的確定

目前數(shù)值模擬中巖體力學參數(shù)的選擇根據(jù)工程經(jīng)驗確定[9]。主要礦巖力學參數(shù)見表2。

表2 主要巖體力學參數(shù)Tab.2 Main parameters of rock mechanical

在模擬過程中，約束X方向、Y方向及Z方向下部的移動，考慮到構(gòu)造應(yīng)力場對計算的影響，研究采用摩爾-庫侖模型，巖體破壞采用摩爾庫倫屈服準則[10]。

2.3 原巖應(yīng)力場條件模擬

數(shù)值模擬結(jié)果的可靠程度關(guān)鍵在對原巖應(yīng)力場的測定，由于礦山目前尚未對地應(yīng)力進行實測，因此選取上覆巖層的重量模擬原巖應(yīng)力場，水平應(yīng)力按照泊松比計算[11]。圖4給出了礦區(qū)自重應(yīng)力云圖，從圖中可以看出：自重應(yīng)力總體呈“線性”分布，其數(shù)值大小基本等于礦巖自重應(yīng)力。

圖4 礦區(qū)自重應(yīng)力云圖Fig.4 Gravity stress nephogram of mining area

2.4 計算結(jié)果與分析

為研究采空區(qū)的穩(wěn)定性，根據(jù)礦山實際開采順序，本次數(shù)值模擬自上而下進行了逐次開采模擬，僅對最后一次開挖模擬后從礦巖塑性區(qū)、最大主應(yīng)力、豎直方向應(yīng)變特征等三個方面進行分析[12]。

2.4.1 塑性區(qū)分布特征

140 m中段水平塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5可以看出，對140 m中段水平而言，拉伸應(yīng)力引起的塑性區(qū)主要分布于礦體的中部，集中于204#～211#勘探線之間。由剪切應(yīng)力引起的塑性主要分布于礦體的端體，集中于204#勘探線以西與214#勘探線以東。

圖5 140 m中段水平塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of horizontal plastic zone in 140 m middle section

圖6給出了各勘探線剖面塑性區(qū)分布云圖。從圖中可以看出，由拉伸應(yīng)力所引起的塑性區(qū)主要分布于礦巖中北部。對于203#勘探線～210#勘探線自北向南由拉伸應(yīng)力所引起的塑性區(qū)與剪切應(yīng)力引起的塑性區(qū)存在相對明顯的分界線。

圖6 各勘探線剖面塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone in profiles of each exploration line

在圖6的基礎(chǔ)上提取了140 m中段各勘探線塑性區(qū)的分布，如圖7所示。從圖7中可以看出，相對而言140 m中段塑性區(qū)主要分布于203#～207#勘探線與210#～213#勘探線之間。

圖7 140 m中段各勘探線剖面塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of plastic zone in profiles of exploration line in 140 m middle section

2.4.2 最大主應(yīng)力特征

140 m中段水平最大主應(yīng)力如圖8所示。從圖8可以看出，140 m中段水平基本處于低應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)位于礦體西南側(cè)。

圖8 140 m中段水平最大主應(yīng)力Fig.8 Horizontal maximum principal stress 140 m middle section

圖9給出了各勘探線剖面最大主應(yīng)力云圖。在此基礎(chǔ)上，提取了140 m中段各勘探線剖面最大的最大主應(yīng)力數(shù)值，見圖10。從圖10中可以看出，204#～208#勘探線之間與212#勘探線處于低應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力相對集中區(qū)或主要承載區(qū)域主要位于203#勘探線以西，213#勘探線以東，以及210#勘探線。

圖9 各勘探線水平最大主應(yīng)力分布云圖Fig.9 Cloud map of maximum principal stress distribution at horizontal level of each exploration line

圖10 140 m中段各勘探線剖面最大主應(yīng)力分布Fig.10 Maximum principal stress distribution in the section of each exploration line in 140 m middle section

2.4.3 豎直方向位移特征

140 m中段水平豎直位移如圖11所示，從圖11可以看出，140 m中段水平豎直方向位移相對較大，主要位于礦體東側(cè)。

圖11 140 m中段水平豎直位移Fig.11 Horizontal vertical displacement in 140 m middle section

圖12給出了各勘探線剖面豎直位移云圖。在此基礎(chǔ)上，提取了140 m中段各勘探線剖面最大的豎直方向位移數(shù)值，見圖13。從圖13可以看出，140 m中段豎直方向最大位移位于202#勘探線、206#勘探線。

圖12 各勘探線剖面豎直方向位移Fig.12 Vertical displacement of each exploration line profile

圖13 140 m中段各勘探線豎直位移Fig.13 Vertical displacement of each exploration line in140 m middle section

2.5 關(guān)鍵承載區(qū)域的確定

140 m中段采空區(qū)體積估算值為31.0萬m3，采空區(qū)體積相對較大，同時考慮到后期可能對低品位礦體進行回收。因此，確定140 m中段關(guān)鍵承載區(qū)域，對維護采空區(qū)穩(wěn)定，保障低品位鎢資源安全回收具有重要意義。

根據(jù)采空區(qū)分布、規(guī)模特征，采空區(qū)及其鄰近區(qū)域地壓類型與顯現(xiàn)規(guī)律，見圖14。140 m中段自西向東存在4個關(guān)鍵承載區(qū)域。第1個關(guān)鍵承載區(qū)域位于203#勘探線308穿脈。第2個關(guān)鍵承載區(qū)域位于206#勘探線305穿脈。第3個關(guān)鍵承載區(qū)域位于210#勘探線401穿脈。第4個關(guān)鍵承載區(qū)域位于213#勘探線102穿脈。

圖14 140 m中段關(guān)鍵承載區(qū)域位置Fig.14 Position of key bearing area in 140 m middle section

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場地壓監(jiān)測與數(shù)值模擬，研究了當前140 m中段采空區(qū)及其鄰近巖體塑性區(qū)、最大主應(yīng)力、豎直方向位移特征。在此基礎(chǔ)上，分析采空區(qū)關(guān)鍵承載點與穩(wěn)定性狀態(tài)，主要得到以下結(jié)論。

（1）歷史上140 m中段采空區(qū)存在局部一定規(guī)模地壓活動，采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在經(jīng)歷長達十來年“自平衡”的過程后，目前采空區(qū)及其鄰近巖體次生應(yīng)力總體處于平衡狀態(tài)。

（2）140 m中段礦體回采后，塑性區(qū)主要分布于203#～207#勘探線與210#～213#勘探線之間。應(yīng)力相對集中區(qū)主要位于203#勘探線以西、213#勘探線以東，以及210#勘探線。豎直方向最大位移位于202#勘探線與206#勘探線。

（3）140 m中段主要承載區(qū)域位于203#勘探線、206#勘探線、210#勘探線與213#勘探線。