鑫达金矿竖井保安矿柱圈定及稳定性分析

2021-10-12张飞王昊郝勇浙

采矿技术 2021年5期

张飞，王昊，郝勇浙

(内蒙古科技大学，内蒙古包头市 014000)

0 引言

地下金属矿山使用全面法或留矿法开采矿体后会遗留下大量的采空区，造成上覆岩层的移动、破坏[1]。随着开采深度和范围的增加，竖井不可避免地会处于开采移动范围内，为减小采矿对竖井稳定性的影响，矿山通常会按设计的岩石移动角圈定保安矿柱。这种方法的缺陷就是采深越大，保安矿柱范围越大，特别是对于深部开采的矿山，会导致大量优质的可采资源无法开采。竖井保安矿柱圈定的实质是留下部分矿体不进行开采，使需要保护的竖井位于开采移动范围之外，也就是说，控制地下开采引起的上覆岩层的移动，使岩移不向竖井方向发展是优化保安矿柱的关键所在。

近年来，我国对于地下矿山开采的覆岩移动规律和控制做了大量的研究，张东杰等[2]研究了开采倾斜厚矿体的覆岩移动机理，提出岩体冒落特征表现为缓慢－快速交替拱形冒落。韩文斌等[3]通过三维物理模型实验的方法再现了眼前山铁矿岩层移动全过程。关守安等[4]结合FLAC3D、3DEC和随机介质3种计算方法研究粗榆金矿充填开采过程中的岩移规律，3种方法的计算结果都表明粗榆金矿覆岩沉降变形形式为筒形陷落。何荣兴等[5]使用FLAC3D模拟分析了有、无散体充填条件下上覆岩层的移动变形规律，计算结果表明，向空区内充填散体对控制上覆岩层移动变形具有显著作用。刘永亮等[6]提出急倾斜矿体开采后上覆围岩变形分为剧增、缓增和剧增3个阶段，其中缓增阶段持续时间最长，为类似矿山的开采提供了参考。

本研究结合鑫达金矿地质与开采条件，提出利用临界散体柱作用机理控制上覆岩层的移动范围，从而重新圈定竖井保安矿柱，有效解决了传统保安矿柱过度圈定这一问题。

1 工程概况

鑫达金矿13号脉（采）区共发现40余条金矿体，其中13，32号矿体是区内主矿体。13号矿体倾角为45°～85°，厚度为0.43～8.36 m，32号矿体倾角为40°～65°，厚度为0.45～5.96 m。据矿体赋存特征及开采技术条件，结合矿山目前采用的采矿方法，对于倾角大于 30°的矿体，采用浅孔留矿法开采。矿块沿矿体走向布置，矿块长度为50 m，其中矿房44 m，顶柱 4 m，间柱6 m，底柱6 m，宽度为矿体厚度。倾角小于 30°的矿体，采用全面法开采。矿体顶底板围岩均为片麻岩，属于半坚硬—坚硬岩石，整体稳定性较好。

13号脉盲竖井位于13号矿体下盘，于13号矿体与32号矿体之间，井口标高为698 m，卷扬机及卷扬机硐室位于698 m标高，井底标高为188 m，井深510 m，井筒直径为5 m，净断面为19.63 m2。盲竖井位置如图1所示，未留设保安矿柱，但随着矿体向深部开采及矿山探矿工程的进行，发现 32号脉深部矿体倾角逐渐变缓，在标高-300 m处已经和13号脉相交，矿山后续32号脉的开采必会对上方 13号脉盲竖井的稳定性造成影响。为保证盲竖井的安全稳定，必须预留合理尺寸的保安矿柱，以保证矿山的安全生产。按传统移动角圈定保安矿柱压矿量过大，因此矿山急需开展盲竖井保安矿柱圈定方案研究。

图1 竖井与矿体空间位置关系

2 临界散体柱高度的确定

2.1 临界散体柱作用机理

在地下矿山开采过程中，随着采深的增加，地表移动范围逐渐增大，当开采深度达到一定深度时，实际地表的移动范围远没有设计时按移动角圈定的地表移动范围，由此可见一定是有力阻止了移动范围的进一步扩大。临界散体柱理论认为，散体向空区边壁施加主动侧应力，同时又承受边壁岩体变形挤压的被动侧应力。两种应力共同作用对边壁岩体形成较大的侧向承载力，增强边壁岩体的稳定性，就可以控制边壁岩体的片落与通达地表的塌陷，限制移动范围的扩大。并且散体对边壁岩体的侧向支撑力与散体层的厚度有关，散体层高度增加，则散体提供的侧向支撑力也加强。当散体层达到一定深度且密度逐渐沉实时，边壁岩体发生碎胀就没有空间，以此来限制边壁岩体的冒落破坏，这一高度的散体层就称之为临界散体柱[7-12]。临界散体柱的确定方法如图2所示，从地表塌陷坑的边界或出现裂隙处按岩石移动角向采空区作错动线，得到与采空区上盘的交点，交点之上的这一高度散体即为临界散体柱。

图2 临界散体柱确定方法

2.2 临界散体柱高度的PFC数值模拟

由于鑫达金矿 32号矿体位于树草茂密的陡峭山体中，地表移动带的测量难度太大，同时采空区充填后的散体流动情况也无法调查，因此选择数值模拟的方法间接获得地表的移动范围和验证临界散体柱的正确性。

对于PFC中宏细观参数的标定方法研究，主要是通过对比数值模拟和岩石室内实验所表现出的宏观特性，若2种方法的宏观特性基本吻合或接近，即可认为参数标定成功。通过控制变量法逐一调整不同细观参数，使单轴压缩数值模拟的应力应变曲线与室内试验基本吻合，其细观参数见表1。

表1 岩石细观参数

根据矿山开采现状和矿体赋存条件，对开挖模型进行了一定程度的简化，建立的模型如图3所示。模型长度为400 m，宽度为500 m，矿体厚度为2 m，倾角为53°，整个模型生成颗粒总数为136 168个，对模型两端进行边界约束，模型只考虑自重应力作用。

图3 PFC数值模拟模型

2.3 模拟结果分析

矿山一直采用浅孔留矿法和全面采矿法开采矿体，矿房和矿柱回采后，崩落的岩石并不能将整个采空区充满，矿山通过向空区充填废石的方法治理采空区，PFC中模拟矿体开采和充填的过程类似于用散体代替矿石的过程，50 m分为一层用散体代替矿石，如此循环，模型最终达到平衡后的地表位移变化情况如图4所示。由图4可知，随着计算时间增加，监测点的Y方向位移整体上表现为逐渐增加，计算到一定步数后趋于稳定。在距离矿体270 m（0～90 m）以外，地表Y方向位移小于0.02 m，且位移值随计算时间增加而变化的幅度非常小，可以认为距矿体270 m（0～90 m）以外的地表不受矿体开采的影响，270 m（90～360 m）以内为上盘岩石移动范围。

图4 地表位移变化

图5为矿体与上盘岩体接触位置的位移变化曲线。由图5可知，随着计算时间的延长，上盘岩体监测点的Y方向位移整体上表现为逐渐增加，计算到一定步数后趋于稳定。上盘围岩变形最大区域位于埋深0～120 m，位移值为0.05～0.06 m。后随着埋深增加，位移值逐渐较小。当埋深到达240 m以后，随时间步增长位移值幅度明显减小，当埋深达到270 m时位移值随时间步增长基本不变化，且位移值控制在0.1 m以内，因此可以认为临界散体柱的边界在埋深240～270 m之间。通过监测点位移曲线可知，上盘岩体在埋深浅的区域变形值远大于深部散体充分支撑的区域，这说明空区内充填的散体达到一定高度后，散体受重力作用逐渐压实，下部密实度较高的散体能够很好地限制上盘岩体的侧向变形，而上部密实度不高的散体限制空区变形的能力较弱。由于废石构成的松散充填体单体强度高，整体强度较弱，所以深部区域的上盘围岩还会向空区方向侵入，但侵入的程度不足以造成上盘围岩的变形破坏。

图5 上盘岩体与矿体接触处位移变化

结合模型平衡后的位移云图，最终确定地表移动范围为116～370 m之间，上盘移动角为72°，根据临界散体柱理论，从地表出现明显移动边界处按移动角向采空区做错动线，得到与采空区上盘边界的交点，交点之上的充填散体即为临界散体柱，如图6所示，临界散体柱高度为257 m。

图6 临界散体柱高度

2.4 竖井保安矿柱圈定

通过分析临界散体柱理论作用机理可知，当空区内充填散体的高度超过临界散体柱高度时，散体柱高度内的空区边壁岩体的片落和移动就会受到控制，传统的保安矿柱圈定方法忽略了散体的支撑作用，往往导致过大的保安矿柱圈定范围。因此，保安矿柱的尺寸可以由移动角与临界散体柱的高度两者共同决定，矿体回采后可以通过废石及时充填空区的方式保持临界散体柱高度不变且位置不下移，利用临界散体柱作用机理圈定的保安矿柱如图7所示。

3 竖井稳定性分析

3.1 数值模型构建

根据鑫达金矿地质条件，建立的矿体开挖模型如图 8所示。模型尺寸为 1000 mm×1000 mm×1600 mm（长×宽×高），其中13号矿体赋存标高为658～168 m，32号矿体赋存标高400～-300 m，竖井部分为重点研究区域，网格精度为1 m，矿体周围网格精度最小为2 m，最大为6 m，其余围岩体网格精度为40 m。建立的模型节点数为912 961个，单元数为1 617 208个。本次数值模拟主要考虑自重应力的影响，即对模型施加自重应力。模型的边界条件为位移边界条件，即对模型的前后左右4个面设置为位移边界条件，对于模型的前后两个面，设置为Y方向的位移为0；对于模型的左右两个面，设置为X方向的位移为0；对模型的底部设置为固定边界条件，即底部位移设置为X=0，Y=0，Z=0；对地表设置为自由边界条件。岩体和充填体的力学参数由力学实验经过强度折减后得到，见表2。

图8 FLAC3D矿体开挖模型

表2 岩体力学参数

3.2 数值计算结果分析

根据矿山实际生产情况，开采矿体的顺序为阶段上采用自上而下分中段开采，中段内采用自远而近（自端部向竖井）后退式开采，由于模拟主要是分析矿体开挖扰动对竖井稳定性和地压分布规律的影响，因此可适当简化开挖步骤，计算中采用各中段分步回采的计算方式，即每次开采1个中段，自上而下分步开采。全部回采完毕时，竖井不同深度变形曲线如图9所示。竖井在垂直方向的变形比在水平方向上的变形更显著，受下部矿体开采的影响，垂直变形表现为下沉，且下沉量随着埋深的增加逐渐减小。竖井于300 m处Y方向位移值有由正转负，说明竖井在Y方向上出现了倾斜变形，出现这种情况的原因是上部竖井受采动影响较大，竖井向空区方向移动，不过竖井在水平方向上变形较小，不超过4 mm。

图9 竖井不同深度变形

在竖井位置作垂直于X轴的剖面，剖面上的径向应力和切向应力云图如图 10所示，不同深度处径向应力、轴向应力沿Y轴变化曲线如图11所示。沿着轴向方向，径向应力靠近井壁处为应力释放区，切向应力靠近井壁处为应力集中区，沿着轴向方向，应力释放区和集中区范围随深度变化不是很明显。四个深度处，径向应力在沿着Y轴方向上随着距井壁距离增加，均快速增加到一定值，然后缓慢增加直至恢复到原岩应力状态，而切向应力与径向应力正好相反，先是降低到一定值，后缓慢降低，最终恢复到原岩应力状态，切向应力和径向应力均是在距井壁8 m处恢复到原岩应力状态，说明竖井开挖的应力扰动范围在8 m左右，而竖井不同深度上的应力扰动范围几乎无变化，证明了矿体开挖后的应力扰动范围并未波及到竖井周围。