冬瓜山铜矿隔离矿柱开采的地压危害分析

(铜陵有色金属股份集团有限公司 冬瓜山铜矿，安徽 铜陵 244031)

1 研究背景

冬瓜山矿床采用“无矿柱连续回采阶段空场嗣后充填采矿方法”。该方法的特点是沿矿体走向每100 m划分盘区，盘区内暂留18 m隔离矿柱，保证盘区开采不产生相互干扰，隔离矿柱尺寸为长(300～500 m)×宽(18 m)×高(30～90 m)。矿体回采分3个步骤进行，即第1步骤回采矿房，然后采用全尾胶充填；第2步骤回采矿柱，然后采用全尾砂充填；第3步骤回采隔离矿柱，采后用全尾砂充填。各步骤回采的矿量分别占矿体总储量的42%,38%和20%，3个步骤的回采工作依次协调进行，回采条件由易至难。为保证第3步骤回采隔离矿柱开采时矿山有足够的生产能力，隔离矿柱开采单元要尽可能划大一些，一般每个开采单元的体积量可达数万到十余万立方米。但过大的开采单元在开挖过程中可能导致地压危害，因此在开采之前合理确定开采单元的尺度和开挖次序，以及分析开挖过程各种工程是否能够保持稳定是非常重要的一项研究工作。

目前的研究手段多采用现场监测和数值模拟的方法[1-3]，但要准确模拟厚大复杂矿体的开采过程是很困难的[4-7]。本文对冬瓜山铜矿隔离矿柱开采的地压危害分析研究是采用微震监测与计算机数值模拟等研究分析手段共同完成的。

2 矿体开采条件和情况

矿体的开采条件如下[8]：冬瓜山铜矿主矿体(1#矿体)长1 820 m；水平投影宽度204～882 m，宽平均500 m；矿体最大厚度100.67 m，平均厚34.16 m；铜金属储量100万t以上，是一个特大型矽卡岩型铜矿体。矿体埋藏赋存标高为-690～-1 007 m，大部分位于-730 m以下。开采条件特殊，具有深井、高地压、高温、高水压的特点，其中高地压是影响安全生产的主要因素。

冬瓜山矿区在地质发展史上经受过多期地质构造运动，相应地经受过多期地质构造应力场的作用，矿区的现今地质构造应力场则是多期及多种地质构造应力迭加、复合的结果。原岩应力场主要有如下分布特征及规律：①矿区的原岩应力随着深度呈线性增加；②最小主应力方向近似垂直；③矿区存在比较明显的地质构造应力。冬瓜山矿体开采方案是将矿体划分成盘区，盘区长为矿体的宽度，宽82 m，再将每个盘区间隔划分成18 m宽的矿房和矿柱，相邻盘区之间暂留18 m宽的隔离矿柱，见图1。开采分3步骤进行：第1步采盘区矿房，开采完毕之后用尾砂胶结充填；第2步采盘区矿柱，之后用尾砂或低标号的尾砂胶结充填；第3步采盘区间的隔离矿柱，嗣后全尾砂充填。

1.第1步骤采场 2.第2步骤采场

3 隔离矿柱开采中的地压危害因素及产生岩爆的可能性分析

冬瓜山铜矿最大开采深度超过了1 000 m，地应力很大；同时矿山设计生产能力超过300万t/a，为保证有足够的矿房生产能力，开采单元要尽可能划大一些，一般每个回采单元的空间体积可达数万到十余万立方米，但过大的开采单元在开挖过程中容易导致开挖空间溃塌等工程失稳现象，危及生产安全。

开采盘区隔离矿柱时，由于经过了大规模的第1步骤开采和第2步骤开采，矿岩体承受了大规模扰动，次生节理裂隙很发育(原生节理为1条/m)；此外，隔离矿柱开采时开挖空间周围的支撑体由前期具有高强度的原始矿岩体转变为松散的(尾砂充填)或强度较低的(尾砂胶结充填)人工充填体。隔离矿柱的开采是在技术条件比第1步骤开采和第2步骤开采条件严重恶化的情况下进行的开采工作。

根据实践经验，影响隔离矿柱开采中地压危害的因素主要有开挖空间高度、开挖空间长度、开挖空间宽度、开采顺序、保护矿壁厚度、采充顺序以及充填方式(是否采用胶充填)等。从冬瓜山实际情况来看，生产过程中高应力可能产生的地压危害主要表现在岩爆和工程失稳2个方面。

为监控井下地压活动情况，防止发生大的地压灾害，冬瓜山铜矿2005年8月通过引进南非ISS国际公司生产的微震监测系统，与中南大学等科研单位开展了地压监测及控制技术的相关研究，并已监测到上万个矿山地震事件，图2和图3所示为部分监测数据及分析结果。

图2 矿区地震活动事件的垂直分布

图3 54#线隔离矿柱应力分布图

利用微震监测系统多年监测到的数据，已经获得了矿山地震事件的时空分布规律及相对集中区域，建立了以微震监测技术为中心的高应力区采动分析工作程序[9]。

产生岩爆可能性的大小及严重程度不仅与地应力大小和岩体性质有关，还与采掘工程的布置和施工等因素有关。通过优化的工程设计，冬瓜山铜矿从2004年投产至今只发生过一些轻微的岩爆，微震监测系统也没有监测到大的矿山地震事件。岩爆发生部位主要集中在大空区的顶板拐角等局部区域，主要表现形式是空区围岩发生局部或片状爆裂剥落，没有对生产工作产生较大危害。随着开采区域的不断增加，构造应力的不断释放，预计今后发生危害性较大的岩爆的可能性会继续降低。

4 隔离矿柱开采稳定性数值模拟方案

数值模拟分析是为了探明隔离矿柱在开采过程中矿岩内部应力和位移的发展变化情况，优化开挖过程，避免出现应力过度集中导致采场周围岩体发生大的位移和失稳现象。数值模拟采用FLAC3D软件，该软件是一种基于显式有限差分法的数值分析软件，适合模拟岩土力学行为[4-6]。

图4 54#线隔离矿柱回采单元划分方案1

图5 54#线隔离矿柱回采单元划分方案2

根据相关的采矿技术原则，54#勘探线上的隔离矿柱回采单元划分设计有2个方案(图4和图5)。方案1将54#隔离矿柱划分为6个回采单元，优点是各单元可采矿量在8～10万t，单元体积量大且较均匀，缺点是单元开挖高度或长度较大，对开挖空间的稳定性不利；方案2将54#隔离矿柱划分为8个回采单元，是根据方案1中开挖空间存在的稳定性不良而调整的一个方案。

为使模拟结果与实际情况更加接近，在施加初始条件形成初始平衡应力场之后，第1步骤和第2步骤的回采开挖与充填工作的模拟采用与实际生产开挖情况相符的分步骤进行，每步骤运算完成使地应力重新平衡之后再进行下一步骤的开挖模拟；最后，在第1步骤和第2步骤回采结束并充填完毕的模型上，完成第3步骤隔离矿柱回采开挖的模拟运算。

本次模拟对象为位于54#勘探线上的隔离矿柱和两侧的52#盘区和54#盘区，以及矿体的上下盘一定范围内的岩体。计算模型的范围600 m×800 m×600 m(长×宽×高)。

隔离矿柱模型单元采用1 m×1 m×1 m划分，其它区域采用较大网格划分，建立的数值模拟总体模型和隔离矿柱分组模型分别如图6和图7所示。

图6 数值模拟总体模型

图7 隔离矿柱模型

隔离矿柱采用莫尔-库仑破坏准则。为使数值模拟与隔离矿柱实际受力情况吻合并满足应力应变状态，在每步模拟运算结束，地应力分布重新平衡之后，再利用拉应力屈服函数和拉应力流动法则，按照下述关系对地应力进行修正。

σi+1=σi+Δσ。

(1)

式中：σi为第i步骤模拟时莫尔-库仑本构模型参数赋值；σi+1为第i+1步骤模拟前摩尔-库伦本构模型参数的赋值；Δσ为第i步骤模拟主应力计算增量。

5 模拟参数与结果分析

5.1 模拟参数、本构模型及边界条件

模拟对象主体位于-730 m水平上，初始应力场选择-730 m测量点实际的测定结果，具体赋值：y方向应力σ1为33 MPa，与矿体走向基本一致；z方向应力σ2为17 MPa，其值大致为上覆岩体的自重应力；x方向应力σ3为14 MPa，近似垂直矿体走向。

参与模拟计算的材料岩性有大理岩、蛇纹岩、闪长岩、矿体、尾胶充填体和全尾砂充填体等。参考冬瓜山矿相关的研究数据，并对室内实验数据进行经验折减，最终确定的岩体计算参数如表1。

由于计算研究范围涉及的岩体为主要为花岗岩、大理岩，以及尾砂胶结充填体等，这些介质均属弹塑性材料，包括隔离矿柱，均采用摩尔-库仑破坏准则。

表1 岩体计算参数

模型y方向的边界取x和y方向上的约束，z方向自由；x方向的边界取x和y方向上的约束，z方向自由。即模型的前后(x方向)边界、左右(y方向)边界和底部(z方向)边界均施加位移约束条件，上边界(z方向)为自由边界。

5.2 模拟结果分析

5.2.1 地应力情况

隔离矿柱上的应力随着盘区矿房开挖的进行而增大，当52#盘区和54#盘区回采且充填之后隔离矿柱中部最大主应力为47.58 MPa，向两端也明显减小。此外，在盘区回采充填完成之后，盘区矿房充填体内的最大主应力为2 MPa左右，局部最大主应力4 MPa。

在两盘区回采充填之后，隔离矿柱最小主应力最大值6 MPa，分布于隔离矿柱中间部位，向两端也同样明显减小；在隔离矿柱厚大区域的顶部，出现不到1 MPa的拉应力，小于矿体的抗拉强度3.04 MPa。模拟结果表明在盘区回采过程中,除有局部的地质破坏外，隔离矿柱采准工程是稳定的。

5.2.2 位移与塑性区

同样随着盘区回采开挖的进行，隔离矿柱位移的范围在扩大，主要表现为沿矿体走向上的位移，位移与最大主应力的变化趋势基本一致，在盘区开挖充填后完成之后，隔离矿柱沿走向上的最大位移为11.87 cm，存于隔离矿柱厚大部分中部偏下位置。

对采用6单元划分的方案1进行模拟分析，各开挖空间边壁出现了较大的位移，一般都超过10 cm，最大的位移超过20 cm，容易造成开挖空间的垮塌，且边壁内塑性区过大，最大的塑性区面积可达450 m2，工程稳定性不佳。

对改进的8单元划分的方案2进行模拟分析，各开挖空间边壁位移一般没超过10 cm，最大的位移为11 cm，边壁塑性区也大幅减小。

5.2.3 地压危害影响因素

对隔离矿柱开采稳定性影响因数进行正交模拟试验分析表明，开挖空间高度对工程稳定性影响最大(影响因子是4.80),其次分别为开挖顺序和开挖空间高度长度(影响因子分别是1.62和1.41)，对54#隔离矿柱而言，开挖空间高度不宜超过50 m，长度不宜超过48 m，采用间隔开挖顺序能够降低工程岩体中的应力集中度，对工程稳定有利。

6 结 语

要准确判断厚大矿体在复杂开采过程中是否稳定很困难的，本文尝试采用计算机数值模拟方法并结合其他分析手段对冬瓜山铜矿隔离矿柱开采的稳定性进行了分析研究，建立了一个600 m×800 m×600 m大尺度数值模型来模拟I号厚大矿体的回采开挖过程。

结果表明：开采过程中发生岩爆的可能性很低；由于隔离矿柱开采的技术条件劣化很多，位移和塑性区域明显增大，应该对单个开挖单元的空间体量加以控制。对模拟的54#隔离矿柱而言，开挖空间高度不宜超过50 m，长度不宜超过48 m，采用间隔开挖顺序能够降低工程岩体中的应力集中度，对工程稳定有利。

本文的研究也表明，通过数值模拟结果并结合其他分析方法可以确定隔离矿采场合理结构参数和回采顺序、采场采准切割工程优化布置、凿岩爆破参数和充填工艺技术，从而提出科学合理的厚大矿床隔离矿柱回采方案，为保障隔离矿柱内各种工程巷道稳定和隔离矿柱各采场的施工设计等提供依据。本文认为在采取合理的技术手段前提下，通过采取数值模拟和地压监测相结合的方法提出隔离矿柱回采方案，可以有效帮助最大程度消除厚大矿体隔离矿柱回采带来的地压危害，保证隔离矿柱开采的工程稳定。

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