深部矿体开采对隔离矿柱及回填体的稳定性影响研究①

2022-07-06刘晓光侯奎奎吴钦正

矿冶工程 2022年3期

刘洋，刘晓光，侯奎奎，吴钦正

（1.山东黄金集团有限公司深井开采实验室，山东莱州 261400； 2.山东省深海深地金属矿智能开采重点实验室，山东莱州 261400； 3.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东烟台 261438）

地下采矿所引起的地表塌陷制约矿山企业安全运行［1-2］，它不仅会诱发严重的地质灾害和浪费大量优质资源，更时刻威胁着井下作业人员的生命安全［3-4］。国内外学者相继提出了一系列措施防治地表塌陷，主要包括：地表固体废弃物回填、选厂尾砂沉淀滤饼回填、塌陷区改建尾矿库、爆破崩落周围岩体回填等［5-6］，前3 种措施可以在处理地表塌陷的同时解决生产废石和尾矿问题，同时具有显著经济和生态环境意义，已先后被大多数矿山采用。

某矿山一直采用空场法和崩落法开采，前期生产已导致地表发生大规模塌陷，为此，该矿启动了地表塌陷区回填工程，采用尾砂回填处理地表塌陷区。然而，塌陷区回填后，深部矿体开采引起的应力重分布和岩层移动将会继续影响塌陷区回填体的稳定性，存在诱发二次灾害的风险，如回填体大量塌陷或井下泥石流等［7］。为了研判和分析能保证塌陷区回填体稳定的更合理的回采方式［8-10］，本文结合该矿山生产实际，采用PFC2D数值模型开展了崩落法和充填法开采深部矿体对隔离矿柱以及塌陷区回填体稳定性影响的研究，总结并对比分析了2 种回采方法下回填体和围岩的应力演化和移动规律，为矿山塌陷区和采空区治理以及深部资源安全开采提供科学依据。

1 矿山概况

某矿山是以铅、锌为主的矽卡岩型多金属矿，矿体赋存标高630～1 110 m，最大延深480 m。目前，该矿采用盘区阶段深孔空场崩落联合采矿法，盘区内矿房同样采用两翼后退式回采。矿区标高1 035 ～665 m，每40 m 布置一个中段，共布置了9 个中段。

2 数值模拟

2.1 模型建立

资料显示，8 中段（标高705 m）崩落开采后极易在地表形成巨大的塌陷区。据此，本文首先利用尾砂对地表塌陷区进行回填，后在8 中段以下保留30 m 隔离矿柱，接着对深部矿体进行开采模拟，所建回填模型如图1 所示。图中根据矿山生产实际给出了损伤边界，在损伤边界内，平行黏结已经破坏，对应实际工程中的塌陷废石。塌陷废石和回填体共同作用于下部隔离矿柱。

图1 塌陷区回填模型

2.2 模拟步骤

首先采用非胶结充填回填地表塌陷区，运行20 000 时步至模型平衡。然后，采用崩落法或充填法从9 中段（665 m）开始回采，每次回采10 m，直至605 m结束，共8 个回采步骤，每次开挖后运行20 000 时步。其中采用充填法回采时，充填材料采用胶结充填，胶结充填材料宏观参数和微观参数如表1 所示。

表1 胶结充填材料宏观参数和微观参数

2.3 监测布置

为监测深部矿体开采过程中的应力和位移演化规律，在模型中设置了多处应力监测圆和位移监测点，如图2 所示。其中，在上下盘地表分别设置3 个应力监测圆（A1～A3 和C1～C3），半径12 m；在回填体中设置了应力监测圆B1，半径25 m；在矿体4～7 中段分别设置了应力监测圆D1～D4，半径25 m；在隔离矿柱中设置应力监测圆E1，半径15 m；在上盘地表和下盘地表分别设置5 个位移监测点（F1 ～F5 和H1 ～H5）；在回填体中设置了3 个位移监测点G1～G3；在隔离矿柱中设置了位移监测点K1。

图2 应力和位移监测点布置

3 崩落法回采结果分析

3.1 应力演化特征

表2给出了采用崩落法开采不同深度矿体时回填体和围岩的应力演化具体过程。可以看出，9 中段矿体开挖以后，出现了采空区，导致隔离矿柱失去支撑。在上部塌陷废石和两侧围岩的共同作用下，隔离矿柱出现了明显的应力集中。从平行黏结力分布图可以看出，隔离矿柱已完全破坏。在随后的矿体开采过程中，塌陷废石和回填体随深部矿体的开挖逐渐下沉，地表再次出现塌陷区。

表2 崩落法开采时回填体和围岩的应力演化

图3给出了深部矿体崩落法开采时模型中各监测点的应力演化规律。在整个模拟过程中定义压应力方向为正。在深部矿体开挖过程中，监测点A1 应力变化不大，监测点A2 和A3 拉应力随回采深度增加呈增加趋势。这表明，随着深部矿体开挖，上盘地表有可能会因拉应力集中而发生拉伸裂纹，甚至诱发大规模塌陷。当605 m 中段开挖以后，A3 监测点拉应力达到了2.3 MPa。除了塌陷区回填时下盘地表水平应力发生了波动外，下盘地表水平应力变化不大，且以拉应力为主。回填体水平应力和垂直应力都随矿体开挖而降低，说明回填体对围岩的支撑作用随矿体开挖而逐渐减弱。矿体开挖过程中，回填体水平应力和竖向应力相差不大。隔离矿柱破坏前，塌陷废石给围岩提供的支撑为2.5 MPa，隔离矿柱破坏后，塌陷废石和回填体向深部移动，此时塌陷废石对围岩的支撑力减小为1 MPa。隔离矿柱塌陷前，隔离矿柱垂直应力为4 MPa，其水平应力达到了16 MPa。这说明，隔离矿柱的破坏主要是水平应力集中引起的，但以往对水平隔离矿柱的稳定性研究主要都是考虑上覆废石的荷载，这说明实际上应主要考虑水平应力的影响而不是上覆废石产生的垂向荷载。

图3 崩落法开采模型中各监测点的应力演化规律

3.2 回填体及围岩移动规律

图4给出了深部矿体崩落开采时模型中各监测点的位移演化规律。随着深部矿体开挖，上盘地表沉降量逐渐增加，且离回填塌陷区越近的监测点沉降量越大。但上盘地表沉降并非随着矿体回采均匀变化而是呈现出一定的突变性，7.5 s 时发生了第1 次较大的沉降，随后沉降增量比较平稳，24 s 时发生了第2 次较大的沉降。地表塌陷区回填时，下盘地表形成了一定沉降，且隔离矿柱发生破坏前，下盘地表竖向位移变化不大。当隔离矿柱发生破坏时，下盘地表竖向位移发生了一定跌落，且离塌陷区越近的监测点竖向沉降越小。

图4 崩落法开采模型中各监测点的位移演化规律

采用崩落法开采深部矿体时，上盘沉降量要远大于下盘，上盘最大沉降量为下盘最大沉降量的8 倍。隔离矿柱破坏前，回填体基本不发生移动。但隔离矿柱破坏后，回填体竖向沉降迅速增加，且位于回填体中部监测点G2 位移大于两侧位移。隔离矿柱破坏前，隔离矿柱竖向沉降基本为0。但隔离矿柱破坏后，隔离矿柱沉降随矿体回采而增加，此时隔离矿柱失去了承载力，已基本成为废石。

4 充填法回采结果分析

4.1 应力演化特征

表3给出了采用充填法开采深部矿体时回填体和围岩的应力演化过程。可以看出，深部矿体刚开挖时，隔离矿柱能够保持整体稳定。随着深部矿体持续开采与采空区持续回填，由于黏结回填材料强度较低，回填材料发生了明显破坏。

表3 充填法开采时回填体和围岩的应力演化

图5为深部矿体充填开采时模型中各监测点的应力演化规律。地表塌陷坑回填后，上下盘地表的水平应力发生了一定程度跌落，在此之后基本保持恒定。同时，距离塌陷区越远的监测点，其水平拉应力越大，这说明随着深部矿体回采，地表水平拉应力集中区向塌陷坑两侧转移。在回填过程中，回填体水平应力有小幅波动，且回填体水平应力略大于竖向应力，这是因为围岩水平构造应力部分转移到了回填体上。采空区塌陷废石水平应力随深部矿体回采逐渐增加，说明废石对围岩的支撑作用逐渐增加。当深部矿体被开挖和采空区被回填后，胶结回填体刚度较低，能承受的围岩水平应力有限，部分水平围岩应力被转移到了上部的塌陷废石和隔离矿柱上。随着深部矿体回采，围岩水平应力逐渐转移到隔离矿柱上，隔离矿柱水平应力随矿体开采而不断增加。当水平应力增加到23 MPa时，隔离矿柱发生了一定程度破坏，但仍具备一定的承载能力，为12 MPa。

图5 充填法开采模型中各监测点的应力演化规律

4.2 回填体及围岩移动规律

图6给出了深部矿体充填开采时模型中各监测点的位移变化规律。上下盘地表沉降都随着深部矿体开采而增加，但上盘监测点离塌陷区越近位移越小，而下盘监测点离塌陷区越近位移越大。整个过程中，上下盘地表沉降量相差不大，9 中段开采以后，上下盘地表的最大沉降量分别为12 mm 和15 mm。在矿体回采过程中，回填体沉降量不大，且位于回填体中部监测点G2 位移大于两侧位移。虽然隔离矿柱没有破坏，但隔离矿柱沉降随矿体回采而增加，9 中段开挖以后，隔离矿柱最大沉降量为0.1 m。

图6 充填法开采模型中各监测点的位移演化规律

5 两种采矿方法对比分析

图7为2 种不同采矿方法引起的围岩应力演化对比。采用崩落法开采时引起的上盘地表水平拉应力较充填法大，说明崩落法更容易引起上盘发生拉伸破坏。充填法开采在下盘地表引起的拉应力要略大于崩落法，但均不足0.4 MPa，所以基本可以判断该矿山深部矿体开采时下盘基本不受影响。采用充填法开采时，采空区塌陷废石提供的支撑力要远优于崩落法开采，说明充填法更有利于维持围岩的稳定性。

图7 2 种采矿方法引起的围岩应力演化对比

图8给出了2 种不同采矿方法引起的围岩位移变化对比图。采用崩落法回采深部矿体引起的沉降量要远大于采用充填法引起的沉降量，这说明充填法能够很好地控制上盘地表沉降量。 2 种方法的下盘地表沉降都基本可以忽略，说明该矿山地表塌陷有可能发生在上盘。崩落法开采在回填体和隔离矿柱引起的沉降远大于充填法开采引起的，说明充填法能够很好地控制回填体和隔离矿柱沉降。