高峰矿深部多空区下充填采矿地压分布特征*

马生徽 王文杰 邓金灿 王越岭 马雄忠

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院;2.广西高峰矿业有限责任公司)

随着金属矿山开采深度不断延伸，矿山进入深部开采面临着“三高一扰”的复杂环境:深部地压活动干扰愈加频繁，导致深部采场与巷道的维护也变得困难，造成高损失、高贫化和高安全事故的技术难题。高峰矿在100号矿体延深开采以及105号矿体的开采中，由于开采深度增加以及原有民采及探矿过程中的乱采乱挖，矿岩的完整性受到很大破坏，出现许多不规则空区和大面积的破碎矿岩体，给矿床正常开发利用带来了极大的安全隐患［1］。虽已对空区进行了充填处理，但随着开采深度的增加，地压显现将日渐显著，其上部采空区充填体的稳定性将受到影响，且直接危害下部开采的技术经济指标和作业安全。因此有必要结合高峰矿现有地质资料，利用ANSYS－Workbench建立高峰矿开采数值模型，导入FLAC3D计算分析，研究高峰矿深部多空区下充填采矿的地压分布特征［2］，并针对高峰矿生产管理中存在的问题，提出合理地压控制措施，避免地质灾害的发生，从而降低矿山安全事故和提高经济效益。

高峰大厂矿田西矿带生物礁灰岩中的100号矿体及深部延伸部分的垂向深度大于1 000 m，－79 m标高以上称为100号矿体，－79 m以下为100号矿体的延伸部分称为105号矿体，矿体从标高+690至－50 m，倾角由陡变缓，矿体由大变小;从标高－50 m以下，倾角由缓变陡，矿体由小变大，矿体平面投影呈马蹄状。105号矿体总体走向近南北，总体倾向于东至南东，倾角陡，矿体在深部往南至南西方向侧伏，矿体走向长100～300 m，水平厚度10～70 m，矿体由致密块状矿石组成，与围岩界线清楚，普氏系数f为8～10，矿岩构造上既有褶皱和一系列断层的切割，也有花岗岩脉的穿插，也形成一定范围的破碎岩体。从采空区的分布来看，民采盗采形成的采空区主要分布在－166 m水平以上，且顶板暴露面积在2 000 m2以上，是影响安全开采的主因。－166 m水平以下的采空区规模较小，顶板暴露面积在2 000 m2以下，且采空区内都留有一定的矿柱，采空区相互独立处于相对稳定状态，加之高峰矿近几年大量投入对采空区进行充填处理，使采空区周围地压活动趋于稳定。

1 深部开采数值模拟

1.1 计算模拟的建立

由于矿体从地表浅部向下延伸超过1 000 m，其走向、倾向、倾角、各水平截面都是逐渐变化的，为世界罕见的巨型囊状－透镜状特富矿体，复杂的矿体形态难以在FLAC3D中直接建模，因此利用ANSYSWorkbench建立高峰矿开采模型，划分网格后，通过转换程序导入FLAC3D有限差分程序中进行计算分析［3-4］。划分网格时选用适应性较强的四面体网格，模型如图1所示，共380 653个单元，518 890个节点，模型主要分为围岩、矿体和采空区。

图1 导入FLAC3D后的计算模型

1.2 力学参数的选取

数值模拟中主要考虑围岩、矿体、充填体都为弹塑性材料，因此采用摩尔－库仑屈服准则，计算中把100号矿体和105号矿体的岩体参数区分开来，100号岩体的相关参数由高峰矿提供，105号矿体的相关参数在岩石力学实验的基础上，通过岩体的RMR值与岩体参数之间关系转化所得，矿岩物理参数如表1所示。计算中对于模型开挖后的空区选用FLAC3D内置的空模型(Null)，对于开挖前以及开挖后的非空区部分都采用摩尔－库仑塑性模型。

1.3 边界条件与计算方案

根据高峰矿历次地应力测量的结果，进行回归分析后，得出地应力与深度H之间的关系如式(1)所示。

表1 数值计算中矿岩的物理参数

按照快速应力边界法施加初始应力［5］，由于地表起伏，取地表的平均标高为模型上表面标高，采用快速应力边界法施加初始条件并计算平衡后，进行后续的开挖计算时要对模型施加位移边界条件，即固定模型底部Z向位移，模型左右表面X向位移，模型前后表面Y向位移。

为了便于在FLAC3D里计算分析，对高峰矿开采模型进行了适当简化，忽略节理和裂隙等不连续面的影响，也不考虑岩体地下水、地震和爆破震动等因素。计算中采用了各中段分步回采的计算方式，即开挖充填+690～+540 m、+540～+400 m、+400～+250 m、+250～+100 m、+100～－50 m和开挖充填所有空区，总共6步回采顺序，每个阶段的计算均按顺序在前一阶段计算基础上连续进行，从而客观地反映了矿体逐步开采过程中，岩体应力累积、变形延续与破坏逐渐发展的力学进程，最后得出高峰矿在多空区群回采充填后的力学效应，用以分析深部地压分布特征。考虑矿山实际生产情况，数值模拟结果主要分析－151 m和－200 m 2个主要回采中段水平的地压分布状态以及典型多空区群开挖充填对地压分布的影响。

2 深部地压分布特征分析

2.1 －151 m水平应力分布状态

图2(a)所示为多空区群充填前－151 m水平最大主应力云图(应力符号:压应力为负，拉应力为正)，应力值在－15.0～－59.8 MPa，图中空白区域为17号空区，承压区主要分布在采空区四周、矿体北部以及脉外巷区域，19号采空区底板恰好位于矿体北部应力集中区，可见承压区形成的主因是空区开挖后应力重新分布而在采空区四周出现次生应力集中，承压区中的矿岩因过度应力集中易发生破坏，这与现场岩石条件相吻合。卸压区主要分布在矿体上盘中部与下盘沿矿体走向区域，特别是在矿体下盘出现1条明显的卸压带。图2(b)为空区充填后－151 m水平最大主应力云图，应力集中区保持不变而集中值明显下降，其他区域应力分布状态基本与充填前一致，说明充填空区对局部的应力集中有所改善，但对整体的应力分布状态影响不大。

图2 －151 m水平最大主应力分布

2.2 －200 m水平应力分布状态

图3(a)为空区充填前－200 m水平最大主应力云图，应力值在－36.0～－52.6 MPa，承压区主要在矿体北部和南部花岗斑岩附近。在垂直矿体走向上，应力分布状态表现为应力值先减小，后逐渐增大，最后趋于该水平平均水平。由于受多空区群影响较小，在－200 m中段水平承压区都处于矿体上盘，卸压区位于矿体下盘，在矿体下盘形成1条明显的卸压带。图3(b)为空区充填后－200 m水平最大主应力云图，与空区开挖后基本趋于一致。在南部花岗斑岩附近的承压区内井巷工程较为密集，水仓、变电站等也布置在此，出现的局部应力集中造成岩体较破碎，支护量大、成本高，巷道变形剧烈，应尽量加强该区域围岩的监测以及巷道的支护。

图3 －200 m水平最大主应力分布

2.3 采空区群对地压分布影响

由于深部空区群众多，这里选取各采空区中相邻空间区间顶底板厚度小和暴露面积大的空区群作为研究对象［6-8］。图4为2号、4号、15号和23号共4个采空区的空间位置图，最上面的2号空区位于105号矿体的－79～－103 m标高，顶板暴露面积为3 632 m2，4号空区在－106～－110 m标高，并与15号、23号空区部分重叠。

图4 典型多空区群相对位置

取典型多空区群的纵剖面进行分析。图5(a)为计算截面上充填前的采空区群最大主应力分布状态，可以看出在采空区群的顶底板区域为卸压区，易出现拉应力集中，拉应力的存在与扩展对采空区稳定性构成较大威胁。在采空区两侧形成承压区，并逐渐向外延伸，应力最大值为－69.9 MPa，岩体也容易发生压缩破坏，承压区主要在15号空区与23号空区两侧。图5(b)为充填后采空区群最大应力分布状态，可以发现卸载区和承载区的位置未发生变化，但是承载区的应力集中值有所下降，说明充填后有利于岩体中的能量向充填体转移，有效减少次生应力集中。

图5 各空区的最大主应力分布

从采空区的地质调查来看，前期民采形成的空区群底板标高最低为－180 m水平，且暴露面积大的空区群在－166 m水平以上，结合－151 m水平和－200 m水平的地压分布特征，可以发现多空区群的存在对－151 m水平的地压分布影响较大，导致局部形成了明显的承压区和卸压区，上部多空区群对－200 m水平地压分布影响较小。

2.4 深部地压控制措施建议

高峰矿深部地压分布特征为:在沿矿体走向上，上盘形成1条承压带，下盘形成1条卸压带，受多空区的影响，在空区四周也形成次生应力集中。而高峰矿大量采准开拓工程布置在承压带上，造成采场与巷道顶板变形大，支护困难，地压显现频繁，应加强该区域采场与巷道的监测，提高支护等级，井巷工程应尽量布置在卸压带上，并采用卸压、锚杆支护等多种方式维护顶板的稳定［9-11］。原则上应先回采承压区内的矿体，后回采卸压区内的矿体，采用前进式回采顺序，以控制地压有序的释放，防止中间矿带始终处于应力集中状态而导致巷道与炮孔易发生变形与破坏。采场应强采强出强充，减少顶板暴露面积与时间。因此，在合理回采顺序的前提下，优化井巷工程布置，加强目前承压区内井巷工程的维护是保证高峰矿深部安全高效回采的关键。

3 结论

数值模拟研究表明，深部空区群同时开挖充填后，对离多空区较近水平地压分布影响大，对离多空区群较远的深部水平地压分布影响较小，充填开采在高峰深部矿体上下盘产生明显的承压区与卸压区，而高峰矿大量井巷工程布置在上盘承压带上，这成为导致高峰矿深部地压活动频繁的主要因素。针对高峰矿深部地压分布特征，采用合理的回采顺序与采场结构参数，优化布置井巷工程等措施能有效控制地压灾害的发生，使地压活动规律能为生产作业服务，保证高峰矿深部回采安全高效地进行。

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