隐爆角砾岩筒内矿体开采对断层安全影响研究

李同鹏 杨洪玉 胡 崴

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.安徽省金鼎矿业股份有限公司）

某矿区位于庐枞火山岩盆地的北东部边缘，从区域构造看，东有大安山南北向断裂，西有缺口—罗河断裂，北有庐江—襄安断裂。这几条较大规模的区域性断裂及其派生的次级构造构成了矿区内以断裂为主的构造形态。矿区主要受会宫—黄屯—蜀山基底断裂控制［1］。

矿区西部发现有走向北西、倾向南西的爆破角砾岩筒，隐爆角砾岩筒大致呈125°方向延伸，长约380 m，宽约150 m，平面上呈椭圆状。该爆破角砾岩筒的形成与金、铜矿的成矿作用密切相关。金、铜矿体多赋存在隐爆角砾岩筒内或边部裂隙带、破碎带中。

F1断层为该矿区内一条规模较大的断层，断层水平宽5～30 m，垂直断距为30～60 m，长度大于1 200 m，走向北东15°～20°，倾向南东，倾角为80°～87°。断层主要由构造角砾岩组成，大小不等，成分以粗安岩为主，呈次棱角—次圆状，局部见有挤压片理，泥质胶结，断层上下附近岩石破碎，劈理发育，硅化较强。断层性质为逆断层，具压扭性。F1断层与隐爆角砾岩筒内金铜矿体的空间关系如图1 和图2 所示。

1 开采模拟方案

1.1 模型建立

根据矿体及断层赋存位置，建立矿山三维数值模型（图3）。计算模型由矿体上下盘围岩、矿体赋存围岩、金铜矿体、断层破碎带、充填体等子模型构成，其中矿区的开拓运输系统以及采切工程开挖体积相对于地表位移来说非常小，所以在计算过程中可不考虑开拓运输系统以及采切工程对地表位移的影响。

1.2 模拟方案及参数选择

根据采矿方案设计，一期工程主要开采-290 m中段以上矿体，二期工程主要开采-460 m 中段以上矿体，因此，确定将-290和-460 m 中段为数值模拟的研究对象。模拟方案一为分段空场嗣后充填采矿法，采场宽度、高度分别为10 和12.5 m；方案二为上向水平分层充填采矿法，采场宽度、高度分别为6 和5 m；方案三为上向进路充填采矿法，采场宽度、高度分别为6和3.5 m。

根据矿山地质勘探过程中采集的矿岩物理力学参数，设定岩体力学参数，见表1。

表1 岩体介质的力学参数

2 开采塑性区分析

反映岩体稳定性最直观的特征量为塑性区分布，模型单元的塑性情况在已有应力作用下直接呈现出剪切或者拉伸破坏状态。采矿工程中通过分析围岩塑性区分布，可以直接评价围岩完整性，因此各方案围岩所处应力、应变条件下塑性区分布、破坏单元的数量可作为其稳定性评价的有力依据［2］。

2.1 方案一模拟结果及分析

分段空场嗣后充填采矿法的各步骤塑性区分布如图4 和图5 所示。可以看出，矿体开采后塑性区主要分布在开挖空间附近，远离采场的围岩体中鲜有塑性破坏单元出现。从F1断层附近的破坏单元来看，一期工程开采对断层的影响远小于二期开采。-290 m 中段仅在第二步骤开采后，一部分边缘单元进入塑性区，出现拉伸破坏，塑性区范围距断层边界5 m之内；-460 m中段无论一步骤开采还是二步骤开采，都造成了断层大面积破坏，一步骤开采后拉伸破坏单元已覆盖断层整个横断面区域，待二步骤开采后，断层及周边岩体单元均已悉数进入塑性区，断层在拉伸破坏和剪切破坏作用下，极易发生失稳冒落，成为采掘过程中的安全隐患。

2.2 方案二模拟结果及分析

一般来说，开采空间减小后，采场暴露面积缩小，围岩稳定性必然增加。体现在塑性区分布上，则是塑性区单元减少。方案二模拟结果如图6 和图7所示。与方案一相比，采用上向水平分层充填采矿，塑性破坏单元不仅从数量上呈锐减之势，从分布区域上也仅仅为零星散布，而非集中连片分布。图6中，-290 m 分层开采几乎未见破坏单元，进入二期工程后，仅在-460 m 分层二步骤开采才偶见零星塑性单元（图7）。从剖面上看，破坏单元数不超过单元总数的10%，与中段充填开采相比，F1断层附近破坏单元几乎可以忽略不计。

2.3 方案三模拟结果及分析

与方案二类似，方案三塑性区范围亦呈现小而散的特点，如图8 和图9 所示。可以看出，矿体开采后，F1断层仅有少量单元进入塑性区，围岩中更是鲜有破坏单元。同样地，-290 m 分层开采几乎未见破坏单元。-460 m 分层开采后，塑性范围也非常有限，通过对塑性区分布图放大，才可见极其少量的破坏单元。对破坏单元数进行统计，发现其数量超过单元总数的5%，比方案二中的塑性单元还要少。可见，从塑性区分布来看，3 个方案中，上向进路充填采矿法对断层影响最小。

3 开采对断层影响综合分析

F1断层为矿区内规模较大的断层，断层主要由构造角砾岩组成，大小不等，成分以粗安岩为主，呈次棱角—次圆状，局部见有挤压片理，泥质胶结，断层上下附近岩石破碎，劈理发育，硅化较强。部分钻孔揭露该断层破碎带时，在断层上下盘岩体出现漏水现象，富水性强并具承压性，对矿床充水有一定的影响［3］。

根据大型抽水试验结果，该断层南段及北段属隔水断层，而中段（钻孔GK07～BK03 段）受后期构造影响穿透该断层，使F1断层东西两侧地下水存在水力联系［4］。由于矿山前期已开展了防治水工作，并使涌水量大大减小，且水位已下降至-290 m，F1断层南段和北段局部隔水作用并不明显，维持其隔水的目的已无必要。因此，在开采过程中，主要考虑断层附近采场的稳定性，防范采场失稳。

塑性区是反映采场稳定性最直观的评价指标，方案二和方案三F1 断层周边均仅出现零星破坏单元，影响范围较小，破坏单元数分别小于单元总数的10%、5%；方案一中破坏单元呈连片聚集趋势，F1断层单元破坏率达90%，断层稳定性明显劣于方案二、三。各开采步骤的F1断层单元破坏率统计见图10。

数值模拟分析表明，方案二和方案三的围岩稳定性优势较为突出，方案一的稳定性明显劣于方案二和方案三，综合分析，3 个方案中上向进路充填采矿法对保持断层稳定最有利，上向水平分层充填采矿法次之，分段空场嗣后充填采矿法开采后，断层塑性区形成贯通连成一片，单元破坏率高，易引发断层失稳破坏。将数值模拟分析结果进行汇总，见表2。

表2 采场结构参数优化分析汇总

综上，上向进路充填采矿法或上向水平分层充填采矿法对F1断层开采破坏较小，采场通过断层时稳定性较好，建议采用此2 种方法开采。通过采取帷幕和井下疏干等防治水措施，F1断层已不再形成局部隔水作用，矿体开采过程中，可不留设断层保安矿柱。

4 结 论

通过建立的三维数值模型，选择FLAC3D计算分析软件，模拟不同方案提供的采场结构参数情况下的断层塑性区单元破坏，模拟分析隐爆角砾岩筒内的金铜矿体开采后采场围岩的塑性区破坏响应。通过分析，得出如下结论：

（1）3 个方案中上向进路充填采矿法对保持断层稳定最有利，上向水平分层充填采矿法次之，建议采用此2种方法开采隐爆角砾岩筒内的金铜矿体；分段空场嗣后充填采矿法开采后，断层产生了较大变形和应力集中，塑性区形成贯通连成一片，单元破坏率高，易引发断层失稳破坏。

（2）数值模拟分析重点在于3个拟定方案之间的对比，分析结果可作为最优方案的选择依据。但无论采用何种开采方法，由于断层本身强度相对较低、节理裂隙发育、自身承载力较小，当采场推进到断层附近时仍可能发生冒顶片帮、突泥突水等危险，通过断层时均应采取超前探测、及时加强支护、减少爆破振动等措施，事先制定详细、周全、可靠的专项施工方案，采取针对性预防安全技术和管理措施，确保生产作业安全。