鸡笼山金矿过采区高应力下采场稳定性分析研究

任玉东，周 乐，邢 军，邱景平

(1.长春黄金研究院有限公司，吉林 长春 130012；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

鸡笼山金矿矿床属中低温热液迭加型矿床，其矿体形态比较复杂，变化较大。矿山经过40余年的开发，按照矿山生产能力39.6万t/a计算，矿山的服务年限仅为6.9年，属资源危机矿山。目前，鸡笼山金矿尚有大量低品位资源，过去因种种原因尚未进行开采。随着市场上铜、金产品价位的回升，为低品位矿石资源的开发提供了良好的机遇，积极研究开发低品位资源，对提高矿山资源利用率、延长矿山服务年限以及建设环境友好型矿山都能够起到促进作用。基于此，对鸡笼山金矿过采区高应力低品位矿体进行了开采综合技术研究。由于采矿方法试验是在过采区、高应力条件下进行的，所以进行采场稳定性相关研究就显得尤为重要。

影响采场围岩稳定性的因素、分类方法很多，按性质可分为两类：第一类属于地质环境方面的自然因素，如岩体的结构与构造、岩石的物理力学性质、地下水、自身的应力状态等，以上这些因素共同作用决定了采场围岩的等级及质量；第二类属于后期工程施工等的人为因素，如开采形状及断面、工程大小尺寸、施工工艺方法、支护手段与措施等，这些人为因素本不能决定岩体围岩质量的好坏，但却能对围岩的稳定性造成一定的影响。对于已确定的某一采场来说，第一类因素很难再进行改变，因此，为了有效地控制地压，维护采场的稳定性，大多数通过改变工程活动中的人为因素来维护采场的稳定性[1]。本研究在进行回采区域矿岩性质和采空区调查的基础上，主要针对过采区、高地压下采场最佳开采断面形状，开展了鸡笼山金矿分段凿岩阶段矿房嗣后充填法试验采场的稳定性研究分析工作。

1 构建计算模型

本次分析采用近年来应用较为广泛的FLAC3D数值分析法，在一定程度上避免了离散元和有限元不能统一的矛盾[2]。由于试验采场周围存在两个较大的空区，因此，本次FLAC3D数值模拟首先进行试验采场原始地应力分布状况的模拟，然后进行水平开采断面形状的数值模拟，根据模拟分析结果确定最佳的水平开采断面形状。

1.1 计算参数

采用Mohr-Coulomb准则进行数值模拟，判断岩体的破坏情况[3]。模型的实现用到了主应力和平面外应力，主应力和主方向从应力张量分量计算(压应力为负)。在应力空间(σ1,σ3)平面的破坏准则如图1所示。

图1 摩尔-库仑模型破坏准则Fig.1 Mole-Coulomb model failure criterion

由摩尔-库仑屈服函数定义的从A点到B点的破坏包络线定义为式(1)；由B点到C点拉应力屈服函数定义为式(2)。

(1)

ft=σt-σ3

(2)

式中：φ为摩擦角；c为黏聚力；σt为抗拉强度；Nφ定义见式(3)。

(3)

(4)

为了判断鸡笼山金矿矿体开采的安全性，了解矿岩的稳固情况，以便为采场稳定性数值模拟计算提供依据，长沙矿山研究院对该矿山矿体及其围岩力学性能参数进行测量计算。通过比重瓶法测得矿体和岩石的比重分别为3.06和2.755；通过巴西劈裂试验测得矿体和岩石的单轴抗拉强度；通过单轴压缩试验测得矿岩的弹性模量和泊松比；通过岩体抗剪强度试验测得矿体和岩石的抗剪强度分别为3.79 MPa和2.26 MPa，正应力分别为6.56 MPa和3.91 MPa，其中黏聚力和内摩擦角可用式(5)～(7)进行计算。具体数值见表1。

τ=(σ1-σ3)cosθsinθ

(5)

σ=σ1cosθ+σ3sinθ

(6)

τ=c+σtanφ

(7)

式中：c为黏聚力；φ为内摩擦角；τ为抗剪强度；σ为正应力；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；θ为破坏面与最大主应力平面之间的夹角为30°。

表1 模型物理力学参数值Table 1 The physical mechanics parameter value of model

1.2 构建模型

构建数值模拟分析模型，需要综合考虑35#矿体的赋存条件、周边空区情况以及所采用的采矿方法。使模型能够较为准确地反映矿体实际情况，满足边界条件，所建的模型应该足够大，从而使模型其他部位受开挖区域的影响较小。图2为建立的最终分析模型，矿区三维模型尺寸为：长184 m，宽170 m，高200 m(从-170 m标高至山顶)。

2 计算结果与分析

2.1 试验采场原始地应力分布状况模拟

在-90～-130 m中段试验采场北东方向约13 m处有一之前开采后遗留的空区，空区尺寸宽16 m，长50 m，高40 m；同时，在该试验采场南西方向约20 m处也存在一之前开采后遗留的空区，其尺寸宽14 m，长60 m，高40 m。根据现场的实际情况，本次数值模拟首先进行现场实际原始地应力的分布模拟，以此来了解未开采前矿体地应力分布情况。在设置完基本条件和参数后，在FLAC3D中进行运行计算，其最终的运算结果见图3(图3是在矿体内距矿体边界10 m处，垂直走向所做的剖面图)。

图2 三维数值模拟模型Fig.2 Three-dimensional numerical simulation model

图3 垂直走向方向矿体原始应力分布图(SZZ)Fig.3 Perpendicular to the direction of original stressdistribution of ore bodies

从图3可以看出，由于矿体两边存在两个原有空区，使整个矿区原岩应力得到重新的分布，从而导致整个矿体处于一定的高应力下，并且由于矿体下盘距右边空区距离较近，使矿体下盘与空区之间的部分出现应力加大的趋势。总体来看，整个矿体是处于一定的高应力之中，从而为回采工作以及采场的稳定性带来了一定的难度。

2.2 采矿方法的选择及其工程布置

对于过采区高应力低品位的矿体，由于矿体周围存在之前开采过而遗留的空区，并且局部矿岩蚀变强烈，矿体所受的应力状态较为复杂，同时矿石品位又低，采用充填法开采固然可以克服复杂应力条件所带来的不便，保证安全开采，但经济效益较低。考虑到鸡笼山金矿矿体及其顶板、底板主要为大理岩、花岗闪长斑岩和矽卡岩，结构中等稳固，仅个别地段碎裂程度强，而地表又不允许陷落，在矿岩通过加固能够保证空场稳定的前提下，应尽可能采用空场嗣后充填采矿法，以便达到简化回采工艺、提高采场生产能力和节约采矿成本的目的。结合鸡笼山金矿矿体赋存条件，采用分段凿岩阶段矿房嗣后废石与尾砂联合充填采矿法进行开采较为合适(图4)，该方案适用于矿体厚度大于8 m、倾角大于50°的矿体，同时具有工艺简单、生产能力大的特点，对提高生产能力和利用鸡笼山的低品位资源具有重要意义。

由于35#矿体下盘边界在试验采场选定位置变化较大，所以矿房沿走向布置，矿块长约60 m，宽度15 m左右，高为中段高度40～50 m，间柱6 m，底柱10 m，分段高度10 m。采用堑沟式底部结构，出矿巷道间距7 m。采用脉外天溜井采准形式，脉内沿走向布置回采进路，矿块中央开凿切割槽向两端后退式回采。

2.3 水平回采断面形状对采场稳定性影响

虽然分段凿岩阶段矿房嗣后充填法具有生产效率高、资源回采强度大等优点，但嗣后充填法阶段高度较高，开挖对围岩稳定性影响较大，随着开采工作的进行，地压变化大，直接导致采场周边巷道冒顶，片帮等破坏严重，甚至出现局部巷道塌落采空区的现象，影响采场人员与设备的安全。而任何采场的暴露面均可认为是采场跨度和采场长度两因素组成，但是采场跨度对采场围岩稳定性影响远远大于采场长度[4-5]。跨度越大则采场的稳定性越差，在水平面上，采场的长度和跨度确定后，影响采场稳定性的主要因素便是采场水平断面形状。采场水平断面形状主要影响回采后围岩的应力状态以及应力的重新分布[6-7]。

由于本次采矿方法试验是在过采区高应力条件下进行的，结合所选择的的采矿方法，选取合理的采场断面形状，需尽可能的满足矿房周围应力分布合理，减少应力集中区，以便于充分发挥围岩自承能力维护自身的稳定，又能做到充分采出矿石，提高生产效率。为此，根据所需情况，选择了以下3种水平开采断面形状进行模拟，从而选取最佳开采断面(图5)。

图4 分段凿岩阶段矿房采矿法Fig.4 Sublevel rock drilling phase room mining technology

图5 三种模拟水平开采断面形状Fig.5 Three kinds of simulation level mining section shape

2.3.1 矩形断面回采对采场稳定性影响

根据上文中建立的模拟现场实际采场地应力分布模型，进行模拟矩形断面的开采，在开采过程中，35-1#采场与35-2#采场之间留有6 m条形矿柱，开采范围沿矿体走向距矿体边界开挖20 m，宽度为矿体边界。开挖之后观察开采后应力重新分布情况，分析开采后采场的稳定性。图6是以矩形断面开采后沿走向方向距矿体边界10 m做的垂直与走向的矿体应力分布图(SZZ)剖面图。

图6 垂直走向方向水平矩形断面开采矿体应力分布图(SZZ)Fig.6 Perpendicular to the direction of horizontalrectangular orebody is stress distribution

根据图6的模拟结果来看，当采用矩形断面开采时，矿体上盘、6 m间柱以及下盘与原有空区之间的应力均有较大幅度的增加。其中矿柱承受的最大压力约为4.8×106Pa；上盘承受压力在3.0×106Pa到4.0×106Pa之间；下盘与原有空区之间区域的压力在4.0×106Pa到4.8×106Pa之间。矩形断面开采与原先未开采之前相比上盘承受的压力约增加2倍，下盘约为1.5倍，矿柱比原先矿体承受的压力也增加大约2倍。

由此可以看出采用矩形断面开采时，无论是上盘、下盘以及6 m矿柱承受的压力均发生较大的增加，这样不利于采场的稳定性。如果采用此断面开采需采用一定的支护措施，这样不仅增加采矿的成本，而且影响采矿效率。

2.3.2 椭圆形断面回采对采场稳定性影响

同样根据以上建立的模拟现场实际采场地应力分布模型，进行模拟椭圆形断面的开采，开采范围同样为沿矿体走向距矿体边界开挖20 m，宽度为矿体边界。开挖之后观察开采后应力重新分布情况，分析开采后采场的稳定性。图7是以椭圆形断面开采后沿走向方向距矿体边界10 m做的垂直与走向的矿体应力分布图(SZZ)剖面图。

图7 垂直走向方向水平椭球形断面开采矿体应力分布图(SZZ)Fig.7 Ellipsoidal cross section perpendicular tothe direction of horizontal stress distributionof orebody

根据图7的模拟结果，当采用椭圆形断面开采时，矿体上盘、6 m间柱以及下盘与原有空区之间的应力均有增加，但其增加幅度均比矩形断面开采时小。其中矿柱承受的最大压力约为4.0×106Pa；上盘承受压力在2.0×106Pa到3.8×106Pa之间；下盘与原有空区之间区域的压力在3.8×106Pa到4.8×106Pa之间。椭圆形开采断面与矩形开采断面应力变化情况相比较可以看出，虽然两者均使矿体上盘、下盘以及间柱的压力增大，但椭圆形开采断面增加的压力以及高压力分布区域均比矩形断面小。因此，椭圆形开采断面相对于矩形开采断面有利于采场的稳定性。

2.3.3 蝶拱形断面回采对采场稳定性分析

针对鸡笼山金矿高地压、过采区、低品位难采矿体开采技术研究中，提出了以蝶拱形开采断面(开采后空区形状在水平方向呈蝶形，垂直方向为拱形)开采。为了验证此开采断面的可行性以及相对于矩形断面与椭圆形断面是否更有利于维护采场稳定性，本次也对蝶拱形断面开采进行了数值模拟，同样根据建立的原始地应力分布模型，进行模拟蝶拱形断面的开采，开采范围同样为沿矿体走向距矿体边界开挖20 m，宽度为矿体边界。图8是以蝶拱形断面开采后沿走向方向距矿体边界10 m做的垂直于走向的矿体应力分布图(SZZ)。

图8 垂直走向方向水平蝶形断面开采矿体应力分布图(SZZ)Fig.8 Perpendicular to the direction of horizontalwing section orebody is stress distribution

根据图8模拟结果来看，当采用蝶拱形断面开采时，矿体上盘、6 m间柱以及下盘与原有空区之间的应力均有增加，但相对于矩形以及椭圆形开采断面，增幅是最小的。其中矿柱承受的最大压力约为3.4×106Pa；上盘承受压力在2.0×106Pa到3.5×106Pa之间；下盘与原有空区之间区域的压力在3.5×106Pa到4.8×106Pa之间。

蝶拱形断面与其他两种开采断面相比较可以看出，无论是矿体上盘、下盘以及6 m矿柱承受的压力均比前两种开采断面要小，并且高压力分布区域较小，整个区域压力分布均匀，这样有利于采场稳定性。因此，建议采用蝶拱形断面进行回采工作。

3 结 论

1) 从采场原始地应力分布状况来看，由于矿体两边存在两个原有空区，且矿体下盘距右边空区距离较近，使矿体下盘与空区之间的部分出现应力加大的趋势，导致整个矿体处于一定的高应力下，为回采工作以及采场的稳定性带来了一定的难度。

2) 在矿体回采过程中，无论采用何种水平回采断面，均会在矿体上盘、下盘及间柱出现应力增加。但相对来说蝶拱形断面开采应力增加幅度以及分布区域均要低于其他断面，有利于试验采场稳定性，因此建议采用蝶拱形断面进行回采工作。

3) 由数值模拟的结果可以看出，矿体回采后使相邻采场以及相邻中段的应力重新分布，从而使应力加大，为矿体的回采带来一定的难度。因此，建议对回采后形成的空区进行有效的处理，即采用嗣后充填，从而有效的控制地压，维护采场稳定性。