复杂开采环境下采场失稳垮塌过程分析

罗周全，秦亚光，谢承煜，汪 伟

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

0 引言

矿山岩体失稳垮塌不仅对井下人员及设备安全构成严重威胁，还可能导致周边相邻区域出现大面积失稳，致使该地区成为了隐患区域，影响范围内的资源成为了典型的隐患资源。隐患资源是指在资源的开采过程中存在的受自然条件和人为因素影响的安全环境复杂，资源开采回收率较低的一种难采资源。包括:未按正规开采设计而进行的采富弃贫、采厚弃薄的无序化开采，以及乱采滥挖形成的各种采空区群周边的残留矿产资源(如开采过程中预留的矿柱、间柱及顶底柱等);矿山开采过程中由于矿岩或空区失稳垮塌造成的，在其影响范围内未开采的矿产资源。垮塌区隐患资源的回收是采矿技术领域的难点之一，其开采条件极其复杂，在垮塌区内进行采矿作业常常因受到安全、技术等各种问题的困扰而无法达到预期效果［1-4］。长期以来许多专家学者对矿体失稳垮塌进行了研究分析，如闫长斌［5］等研究了下岩体工程建设或矿山采掘生产中采用钻爆法，频繁爆破作业产生的动荷载对周围岩体产生累积损伤危害，诱发地下工程岩体失稳。杨官涛、李夕兵［6］等人运用能量的原理，借助突变理论的方法，推导出了采场开挖前后系统失稳破坏的能量突变准则，通过计算开挖前后能量变化值，判断采场系统失稳的可能性。但大部分研究都是针对岩体失稳垮塌的静态分析，缺乏对岩体失稳破坏动态变化过程的研究。本文针对某地下大型铅锌矿-320 m中段因0#采场失稳造成主矿体垮塌的实际情况，采用真实破裂过程分析(RFPA2D)数值模拟软件对该铅锌矿-320 m中段0#采场失稳后主矿体垮塌的实际情况进行了动态数值模拟，通过分析采场动态垮塌顺序、垮塌范围、程度以及破坏形式等状况，确定0#采场的垮塌给周边采场带来的影响范围，为隐患资源安全高效回收确定合理的充填工艺及采矿方法提供依据。

1 工程概况

该铅锌矿主矿体-320 m中段0#采场在回采过程中，由于受矿岩结构破碎、断层、采矿爆破震动、空区暴露时间过长等因素的影响，发生了两帮充填体跨帮，从而导致周边相邻区域出现较大面积失稳，致使该地区成为隐患区域，其影响范围内的资源开采安全技术条件变得极为复杂，影响范围内的资源成为了典型的隐患资源。然而此部分隐患资源品位高，属高价值资源，目前这部分资源约有30多万吨矿石量，因此具有重要的回收价值。

-320 m中段0#采场发生失稳垮塌后，对周边相邻采场的稳定性产生了影响，使得该地区资源开采处于一个安全性极其复杂的环境中，这样给主矿体资源的回收带来了困难。0#采场及其周边采场开挖充填情况见图1，其中N0-1#采场-280 m二分段到-280 m水平、N1-2#采场-280 m一分段到-320 m四分段、S0-1#付采场-280 m二分段到-280 m水平及S1#付-1#采场-280 m三分段到-280 m水平采空区为非胶结充填;其它采空区均为胶结充填。

图1 采场开挖充填情况Fig．1 Excavation and filling condition of stope

2 岩石力学参数实验及仿真模型建立

为了进行采矿设计和岩体稳定性数值模拟计算分析，通常需要知道矿岩块体密度、弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗剪强度、内聚力和内摩擦角等物理力学参数指标［7-11］。依据上述研究目的，确定进行的测试项目为:①密度试验(块体密度);②单轴抗压强度试验;③拉伸强度试验(巴西劈裂法);④抗剪断试验。

根据采场设计参数及矿石、围岩、充填体的力学实验参数，对岩石力学参数折减换算成岩体力学参数(表1)，建立了数值模型。采场埋深为332 m，高度为70 m，走向长度为107.5 m。所建模型水平位移和竖直位移均为140 m，水平方向和竖直方向各取280个单元，则模型计算单元总数为280×280=78400个。模拟开挖从下往上，开挖长度为22 m。

表1 岩体及充填体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass and filling body

3 采场失稳垮塌数值分析

3.1 采场失稳垮塌动态过程、范围及程度分析

其中采场编号从1到13分别对应采场N2-3#采场到S1-2#采场(图2)。随着0#采场的开挖周边采场逐渐发生松动甚至坍塌。N0-1#采场和S1#付-1#采场充填体与矿体接触面首先出现松动垮塌，随后N0#采场和S0#采场出现大范围的松动，最后发生垮塌。N0#采场为胶结充填体，充填体强度相对非胶结充填体来说强度较大，由于受0#采场采动影响，充填体出现松动，上部有将近10 m高度的垮塌;N0-1#采场-280 m水平到-280 m三分段为非胶结充填体，充填体强度较小，从第二步到第三步可以明显观察出该分段内充填体垮塌比较严重;0#采场北部其它采场受采动影响比较小，充填体有轻微松动，无明显垮落现象出现;0#采场南部的S0-1#采场以及S1#付-1#采场-280 m水平到-280 m三分段出现垮塌，这是由于S0-1#采场紧邻0#采场，受采动影响比较大，而S1#付-1#采场垮塌部分为非胶结充填体，充填体强度小所致。

总体来看，受0#采场失稳影响发生松动垮塌的区域主要包括0#采场北部的N0-1#采场、N1#以及南部的 S0#采场、S0-1#付采场、S1#采场、S1#付 -1#采场。失稳垮塌过程为:首先出现松动垮塌的采场为N0-1#采场和S1#付-1#采场;然后逐渐向两边扩展，最终0#采场左边到N1-2#采场，右边到S1#付-1#采场均出现了失稳垮塌。采场失稳垮塌程度:其中紧邻0#采场的N0#采场、N0-1#采场、S0#采场及充填体强度较低的采空区失稳垮塌比较严重，而距离0#采场较远的采场以及胶结充填的采空区相对稳定。通过对采场失稳垮塌过程、范围及垮塌程度的分析，为后续主矿体制定合理的开采顺序，确定充填位置及充填体材料提供了参考依据。

图2 垮塌区动态破坏过程Fig．2 Dynamic failure process of collapse area

3.2 采场失稳垮塌破坏形式分析

材料受机械荷载时，其内部会发射出一系列断续的短脉冲群的声现象。如受力岩体内部由于颗粒间的相对位移，产生微小裂隙，原有裂隙发展以及残余应力释放，都会产生声波，使变形能转化为弹性振动，即发出声响，这种现象称为声发射。自动作出声发射图对岩石的破坏过程分析，可作为预报岩石破坏的有效手段［12-15］。

图3中声发射圆是根据声发射的能量所作，白色圆代表当前步剪切破坏引起的声发射情况、红色圆代表当前步拉伸破坏引起的声发射。

由图3可知，从0#采场开挖底部向两边采场方向出现一个“V”字型剪切破坏区域，“V”字型破坏区域高度和0#采场开挖高度相当;图中红色部分(箭头所指区域)为拉伸破坏区域，破坏比较严重，主要出现在N0-1#采场、N1-2#采场、S0-1#采场及 S1#采场，其中N0#采场及S0#采场局部出现轻微地拉伸破坏。在工程实际中，发生拉伸破坏的区域主要为非胶结充填。采用胶结充填的采场主要发生剪切破坏。由此可以得出:剪切拉伸破坏主要发生在强度较低的充填体;在不同材料强度的充填体中，强度较高的胶结充填体主要破坏形式为剪切破坏，而材料强度比较低的非胶结充填体以拉伸破坏为主。

图3 对应破坏过程声发射图Fig．3 The corresponding acoustic emission figure to destruction process

根据声发射图可以得到采场破坏形式及垮塌严重程度，在后续开采形成的采空区进行充填时，可以采用强度较高地胶结充填体代替强度低的回填渣。对于破坏严重的区域，在开采前提前进行支护，确保回采过程中人员设备的安全。

4 结论

采动影响下的周边采场失稳破坏是一个及其复杂的过程，主要表现为充填体结构的模糊性、采动影响应力变化的复杂性。通过利用RFPA2D软件对0#采场失稳诱发周边采场松动垮塌规律及主要破坏形式进行数值模拟，揭示了0#采场周边采场充填体动态破坏过程，确定了隐患资源范围。

得到如下主要结论:

(1)N0-1#采场和S1#付-1#采场充填体与矿体接触面首先出现松动垮塌，随后N0#采场和S0#采场出现大范围的松动，最后发生垮塌。

(2)受采动影响发生松动垮落的采场集中在0#采场北部的两个采场以及南部的四个采场，紧邻0#采场以及充填体强度较小的空区失稳垮塌比较严重，最大垮落高度达到了10 m。

(3)通过对采场受力声发射图分析得出，从0#采场开挖底部向两边采场方向出现一个“V”字型剪切破坏区域，与现场实测相吻合。不同强度充填体的破坏形式，强度较高的胶结充填体及矿体以剪切破坏为主，而材料强度较低的非胶结充填体以拉伸破坏为主。

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