地应力作用下金属矿山崩落区断层稳定性分析

2024-03-26周占星胡绍辉李寿杰周航海

现代矿业 2024年1期

周占星胡绍辉李寿杰周航海

（1.中国江西国际经济技术合作有限公司；2.中南大学资源与安全工程学院）

崩落法是一种具有成本低、效率高、工艺简单和作业安全等优点的大规模地下采矿方法，在金属矿山开采过程中较为常用，但开采过程伴随着大量崩落区的产生［1-3］。随着金属矿山开采深度逐渐增加，崩落区岩层所受地应力逐渐增加，当岩层因受力达到某一阈值发生变形直至破裂时，会形成沿破裂面发育并有明显移动的断层。断层的存在破坏了岩体的完整性和连续性，导致岩体结构损伤甚至失稳，对开采区域的安全稳定构成极大威胁［4-5］。对地应力作用下崩落区断层稳定性开展分析，可为掌握断层相关变化规律、降低断层对采场区域影响进而确保高地应力下矿体的安全高效开采提供参考。

断层稳定性分析方法主要有理论分析、室内试验以及数值模拟。在理论分析方面，通过建立断层受力模型，进行力学分析，研究得到采动应力场、位移场动态演化规律以评估断层稳定性［6-7］，该方法计算逻辑严密、求解精度高，但由于计算过程中需简化岩石材料，计算结果无法准确反映断层真实响应。室内试验是利用相似材料模拟，通过合理的方案设计、先进的监测手段，从而得到较为理想的断层响应结果［8-9］，该方法多用于二维条件下试验，在三维复杂地质条件下具有一定的局限性。而随着计算机的普及，以及计算能力和算法的不断发展，数值模拟在分析断层稳定性方面得到广泛应用［10-12］，该方法以实际工程为背景，并结合现场测量结果，能较直观、具体地分析采动过程中断层活化规律及失稳过程，保证矿山安全开采。

狮子山铜矿长期采用崩落法回采矿石并持续向下开采，岩体在地应力作用下的移动破坏基本上为沿已有断层发生，主矿体下盘断层构造发育，客观上存在弱面，为巷道变形、垮落、坍塌及岩体移动创造了条件。本文以该铜矿崩落区断层为研究对象，采用数值模拟方法，分析崩落区断层相关变化规律及稳定性，为矿山安全生产及断层监测与控制提供参考。

1 工程概况

狮子山矿位于云南省玉溪市易门铜矿区，该矿区构造受多次地质构造作用影响，褶曲断裂十分发育，形成了对矿山深部开采影响较大的断层组。由于断层带岩体的存在，在狮子山铜矿开采过程中，断层位移及变形对矿山安全生产有着重要影响。在回采三期矿体十四、十五中段时，采动影响范围发展到F2 断层，F2 断层产生活化，并随着时间的推移，错距逐渐增大。当采至四期工程十六中段时，采动影响范围波及到F3 断层，F3 断层也开始活化，半年累计最大位移量为15.4 mm。因此有必要对矿山自然应力作用下断层位移及变形进行分析，为矿山安全生产服务。

2 数值模型建立

为研究狮子山崩落区断层稳定性问题，建立以崩落区为基准，崩落区实际形态与周围岩体一致的三维有限元模型，如图1 所示［13］。模型整体尺寸为1 030 m×640 m×1 200 m，崩落区位于模型中心，崩落区的纵向高度为720 m，横向宽度为360 m，从第四中段延伸至十六中段。根据各中段崩落区边界，依次按中段选取崩落区单元，崩落区形态及范围严格与各中段划定的崩落区边界一致。考虑到采动对远离采场岩体的位移影响较小，可将模型边界处位移视为零，因而模型外表面施加位移约束。同时，基于大量的基础岩石力学试验，获得狮子山矿矿岩宏观岩体力学参数，见表1。

3 数值模拟

随着狮子山铜矿继续向下开采，岩体移动破坏基本上均沿已有断层发生，而在断层之间区域的岩体完整性较好，其中对矿山深部开采影响较大的断层分别为F2、F3、F4、FY2 以及FY3 断层，其中F2、F3断层从十中段延伸至十五中段，F4 断层从六中段延伸至十八中段，FY2、FY3 断层为平行的控矿断层组，位于十八中段以下，将深部矿体向左错断，各断层产状见表2。在狮子山铜矿三维可视化模型的基础上，采用多核大型商业有限元软件LS-DYNA 数值模拟了穿插于崩落区的主要断层（F2、F3、F4、FY2和FY3）在自然应力作用下的位移、有效应力和损伤，分析时按照断层高度从上至下提取3 个对崩落区影响较大断层（即F2、FY2 和FY3 断层）的数值模拟数据，根据数值模拟结果对狮子山矿崩落区断层稳定性进行分析。

3.1 位移演化分析

崩落区断层位移分布如图2所示，从计算结果可知，F2断层处质点的位移约为0.6 m，FY2断层质点的位移为0.8～1.25 m，有极少部分质点位移大于1.5 m，FY3 断层质点的位移为1.0～1.8 m，其中有40%断层质点位移超过1.2 m。即断层质点位移的总体趋势为由上到下位移逐渐增大，这是由于断层处岩体在上部岩体重力作用下会产生应力变化，断层位置越靠近底部，应力集中程度越高，上部断层所受到的应力要小于下部断层岩体所受应力，而断层岩体在较大应力作用下将产生较大位移，断层质点位移也随着深度的增加而增加。

为探究距崩落区距离对质点位移的影响，提取各断层距崩落区边界不同距离质点的最大位移值（距崩落区边界10，20，40，80，100 m 的5 个测点），如图3所示。数值模拟结果表明，断层处质点的位移值随着距崩落区边界的距离的增大而呈现出减小趋势，这是由于崩落区岩体在构造及自重应力下产生位移，且崩落区边界处的岩体向崩落区中心挤压，相对于其他位置的岩体产生了更大的位移；随着距离崩落区边界距离的增大，岩石被挤压得越密实，其位移值较邻近崩落区更低，即断层处质点位移值会随着距崩落区边界距离的增大呈现出减小趋势。同时，可以发现F2 断层质点最大位移值为0.93 m，FY2断层质点最大位移值为1.1 m，FY3 断层质点最大位移值为1.37 m，表明断层处质点的位移会随着深度的增加而增加。

3.2 受力状态分析

扰动作用下岩体中的应力场发生重分布，不平衡的应力将重新传递和调整，通过断层质点的受力来分析自然应力状态下断层质点的响应，可以更全面地分析断层质点在构造及自重应力下的位移和变形。崩落区断层有效应力数值模拟结果如图4所示。由图可知，崩落区断层有效应力明显高于崩落区散体的有效应力，且随着断层所处深度的增加，断层有效应力也明显增加。这表明在构造及自重应力作用下，断层产生了较大的应力集中现象，特别是FY3 断层有效应力接近3 MPa，可能会使断层这种弱面结构产生较大的损伤。因而，狮子山铜矿内部断层等弱面的存在对工程稳定性影响较大，且断层越深则潜在的危险性越大。

从断层有效应力随距崩落区距离变化规律（图5）来看，断层有效应力随着距崩落区边界距离的增加呈现减小的趋势，这是由于岩体在构造及自重应力作用下会产生碰撞及挤压，使边界处岩体有更大的位移趋势，因而在崩落区边界处产生较大的应力集中现象。同时，断层有效应力会随着断层所处深度的增加而增大，这与位移变化规律在纵向上的变化趋势相同，其原因已在上文中解释。

3.3 损伤程度分析

断层质点的位移、有效应力反映了断层在构造及自重应力下的变化规律，通过崩落区及断层的损伤程度进一步分析断层在构造及自重应力下的稳定性。如图6 所示，断层的存在破坏了岩体的整体性，在自然应力作用下，断层处质点出现了明显的破坏，且随着断层所处深度的增加，破坏程度越明显，部分FY3 断层甚至完全被破坏。这是由于随着断层深度的增加，断层带附近的应力集中现象更加显著，且断层的存在对应力传播有一定的阻隔作用，即断层以外其他岩体的破坏程度不显著。同时，断层损伤程度的变化规律与断层位移、有效应力的变化趋势相同（图7），即断层损伤程度会随着距崩落区边界距离的增加而减小，随着断层所处深度的增加而增大。

随着深部开采和采动影响范围的扩大，采空区下盘的大倾角断层群在采动与重力破坏的情况下，各断层会产生向采空区方向移动和沿断层面的滑移，FY2 与FY3 断层将发生破坏，最终影响进一步的深部开采。由于FY2 与FY3 断层的活动使岩体移动范围扩大，进而影响深部开采，建议开采至该断层位置时应留有一定厚度的保护矿柱，且为预防断层移动对巷道产生破坏，应对该区域巷道进行相应支护。