基于地压监测及数值模拟对某钨矿采空区稳定性分析

2021-02-16郁富林肖国喜

中国钨业 2021年4期

郁富林，肖国喜，徐锋

（1.江西浒坑钨业有限公司，江西吉安 343205；2.江西国泰五洲爆破工程有限公司，江西南昌 330096；3.江西省爆破工程技术研究中心，江西南昌 330012）

江西某钨矿从590 m至-160 m共有14个生产中段，采用浅孔留矿法和全面法开采，目前主采为-60 m、-110 m、-160 m三个中段。140 m中段于20世纪90年代结束回采，遗留了大量的采空区，这些采空区可能诱发其邻近岩体位移导致采空区失稳。由于该中段还余有部分低品位矿体未回收，为充分回收矿产资源，矿山拟对该部分资源进行综合回收，而采空区的相对稳定是资源安全回收的前提。因此，对该中段采空区及其周边岩体稳定性分析十分必要[1]。

从国内外对采空区稳定性分析的研究现状来看，常用的研究方法主要有：预计法、解析法、工程地质法、数值模拟法和相似材料模拟实验研究法等[2]，以上研究方法为研究该中段采空区稳定性提供了参考[3]；在当前的技术条件下，用地压监测取得采空区相邻岩体的应力变化数据，然后采用FLAC3D软件对数据进行模拟分析，是国内外很多科研机构和大专院校研究采空区稳定性的一种科学有效的方法，该方法广泛应用于岩土工程分析和设计，可有效模拟复杂条件下采空区稳定性情况；同时，为矿山技术工作者评价老矿山资源安全回收提供启发和借鉴作用。

1 地压监测概况

地压监测是研究矿山地压活动规律的主要方式[4]，现场监测结果是预测、预报回采后地压问题的最有效手段。

该矿山主要围岩为花岗岩，根据前期该矿花岗岩单轴抗压强度测验，强度约100 MPa，由于破坏时变形量相对较小，以脆性破坏表现为主。因此，采用应力监测较为适宜。

1.1 监测点选取与布置

采用GZY20型应变式钻孔应力计（见图1）进行应力监测[5]。根据前期地压与采空区调查，本次140m中段地压监测共布置5个应力测点，测点位置见表1。

图1 GZY20型应变式钻孔应力计Fig.1 GZY20 strain type borehole stress gauge

表1 140 m中段测点位置Tab.1 Location of survey point in 140 m middle section

1.2 现场施工

GZY20型应变式钻孔应力计的安装需施工直径为50 mm，深度为2 m的水平钻孔，为便于仪器的安装，钻孔尽量圆、平、直，倾角控制在3°为宜[6]。钻孔施工完成后，用水将孔中的岩粉冲洗干净[7]。为测量竖直方向的次生应力，安装时施加的初始应力控制在5 MPa左右。

1.3 应力监测结果分析

图2给出了140 m中段各测点应力-时间曲线。从图中可以看1#～4#测点所监测到的次生应力基本无变化，说明目前140 m中段202#勘探线～208#勘探线矿岩应力处于平衡状态，采空区及其周边岩体总体处于稳定状态[8]。而5#测点前期所监测的次生应力呈现减小的趋势，但减小的幅值较小，并且在后期呈现基本稳定的状态，说明在监测期内307穿脉邻近岩体存在较小的扰动。

图2 140 m中段各测点应力-时间曲线Fig.2 Stress-time curve of each measuring point in 140 m middle section

以上监测结果表明：井下140 m中段采空区及其周边岩体历经多年的发展，围岩次生应力总体处于平衡状态。

2 采空区稳定性数值分析

2.1 计算模型

建立了该钨矿整个矿区的有限差分模型，从而为井下采空区稳定性分析与后续采空区治理效果评价提供了前期基础。矿山实体建模由Surpac软件完成，在此基础上，采用FLAC3D软件建立了矿区三维模型，数值计算模型见图3。模型水平长度、水平宽度与竖直高度分别为4 000 m，2 600 m，800 m，涉及的中段包括14个中段，共生成274 502节点，772 897个单元。

2.2 岩体力学参数的确定

目前数值模拟中岩体力学参数的选择根据工程经验确定[9]。主要矿岩力学参数见表2。

表2 主要岩体力学参数Tab.2 Main parameters of rock mechanical

在模拟过程中，约束X方向、Y方向及Z方向下部的移动，考虑到构造应力场对计算的影响，研究采用摩尔-库仑模型，岩体破坏采用摩尔库伦屈服准则[10]。

2.3 原岩应力场条件模拟

数值模拟结果的可靠程度关键在对原岩应力场的测定，由于矿山目前尚未对地应力进行实测，因此选取上覆岩层的重量模拟原岩应力场，水平应力按照泊松比计算[11]。图4给出了矿区自重应力云图，从图中可以看出：自重应力总体呈“线性”分布，其数值大小基本等于矿岩自重应力。

图4 矿区自重应力云图Fig.4 Gravity stress nephogram of mining area

2.4 计算结果与分析

为研究采空区的稳定性，根据矿山实际开采顺序，本次数值模拟自上而下进行了逐次开采模拟，仅对最后一次开挖模拟后从矿岩塑性区、最大主应力、竖直方向应变特征等三个方面进行分析[12]。

2.4.1 塑性区分布特征

140 m中段水平塑性区分布如图5所示。由图5可以看出，对140 m中段水平而言，拉伸应力引起的塑性区主要分布于矿体的中部，集中于204#～211#勘探线之间。由剪切应力引起的塑性主要分布于矿体的端体，集中于204#勘探线以西与214#勘探线以东。

图5 140 m中段水平塑性区分布Fig.5 Distribution of horizontal plastic zone in 140 m middle section

图6给出了各勘探线剖面塑性区分布云图。从图中可以看出，由拉伸应力所引起的塑性区主要分布于矿岩中北部。对于203#勘探线～210#勘探线自北向南由拉伸应力所引起的塑性区与剪切应力引起的塑性区存在相对明显的分界线。

图6 各勘探线剖面塑性区分布Fig.6 Distribution of plastic zone in profiles of each exploration line

在图6的基础上提取了140 m中段各勘探线塑性区的分布，如图7所示。从图7中可以看出，相对而言140 m中段塑性区主要分布于203#～207#勘探线与210#～213#勘探线之间。

图7 140 m中段各勘探线剖面塑性区分布Fig.7 Distribution of plastic zone in profiles of exploration line in 140 m middle section

2.4.2 最大主应力特征

140 m中段水平最大主应力如图8所示。从图8可以看出，140 m中段水平基本处于低应力区，应力集中区位于矿体西南侧。

图8 140 m中段水平最大主应力Fig.8 Horizontal maximum principal stress 140 m middle section

图9给出了各勘探线剖面最大主应力云图。在此基础上，提取了140 m中段各勘探线剖面最大的最大主应力数值，见图10。从图10中可以看出，204#～208#勘探线之间与212#勘探线处于低应力区，应力相对集中区或主要承载区域主要位于203#勘探线以西，213#勘探线以东，以及210#勘探线。

图9 各勘探线水平最大主应力分布云图Fig.9 Cloud map of maximum principal stress distribution at horizontal level of each exploration line

图10 140 m中段各勘探线剖面最大主应力分布Fig.10 Maximum principal stress distribution in the section of each exploration line in 140 m middle section

2.4.3 竖直方向位移特征

140 m中段水平竖直位移如图11所示，从图11可以看出，140 m中段水平竖直方向位移相对较大，主要位于矿体东侧。

图11 140 m中段水平竖直位移Fig.11 Horizontal vertical displacement in 140 m middle section

图12给出了各勘探线剖面竖直位移云图。在此基础上，提取了140 m中段各勘探线剖面最大的竖直方向位移数值，见图13。从图13可以看出，140 m中段竖直方向最大位移位于202#勘探线、206#勘探线。

图12 各勘探线剖面竖直方向位移Fig.12 Vertical displacement of each exploration line profile

图13 140 m中段各勘探线竖直位移Fig.13 Vertical displacement of each exploration line in140 m middle section

2.5 关键承载区域的确定

140 m中段采空区体积估算值为31.0万m3，采空区体积相对较大，同时考虑到后期可能对低品位矿体进行回收。因此，确定140 m中段关键承载区域，对维护采空区稳定，保障低品位钨资源安全回收具有重要意义。

根据采空区分布、规模特征，采空区及其邻近区域地压类型与显现规律，见图14。140 m中段自西向东存在4个关键承载区域。第1个关键承载区域位于203#勘探线308穿脉。第2个关键承载区域位于206#勘探线305穿脉。第3个关键承载区域位于210#勘探线401穿脉。第4个关键承载区域位于213#勘探线102穿脉。