断层结构面对VCR法间柱稳定性影响的数值分析

颜克俊 ,史秀志 ,姚 曙 ,曹胜祥 ,黄宣东

(1.中金岭南凡口铅锌矿， 广东 韶关市 512100；2.中南大学， 湖南 长沙 410083)

断层结构面对VCR法间柱稳定性影响的数值分析

颜克俊1,史秀志2,姚 曙1,曹胜祥1,黄宣东2

(1.中金岭南凡口铅锌矿， 广东 韶关市 512100；2.中南大学， 湖南 长沙 410083)

针对断层影响VCR法间柱回采的稳定性问题，分析了凡口铅锌矿主要的控矿断裂位于下盘时对VCR法间柱稳定性的不利影响，建立了包含分界面单元的FLAC3D数值模型，获得了侧向崩矿过程的应力、位移和塑性分布情况。结果表明，回采过程中断层处的应力逐步释放，位移呈一致性，两帮充填体负载增加，剪切和拉伸塑性严重，存在间柱采场失稳的可能，应合理设计崩矿步距和慎重切采下部硐室点柱。

间柱采场；断层；VCR法；稳定性；数值分析；FLAC3D

0 引 言

VCR法具有安全高效的特点，在国内外的矿山广泛应用。凡口铅锌矿是我国重要的铅锌生产基地，于1970年代末试验VCR法并获得成功，经过30多年的发展，采矿工艺得到了重大改进[1]。但随着间柱回采条件恶化，VCR法间柱采场存在诸多稳定性问题，尤其是在地质构造发育的地段。大断层作为地质构造的强烈形式，它的存在破坏了岩体的连续性与完整性，它不仅降低了岩体的强度，增大了岩体的变形量，而且还控制着岩体的破坏模式。断层处地应力集中，最有可能成为地压活动的剧烈区域，成为采矿过程最危险的因素[2]。

目前，数值模拟广泛应用于地下采矿工程的稳定性分析中，本文在地质调研的基础上，分析大断层的特点，通过分析关键部位的应力、位移以及塑性分布的特征，得出大断层对VCR法间柱的稳定性影响规律，为采矿生产实践提供指导。

1 工程概况

1.1 大断层特征

凡口铅锌矿矿区构造复杂，褶皱、断裂构造发育，主要发育有3组断裂[3]：NNW向的F203断裂，为矿区内规模最大的断裂；NNE向的F3、F4、F5、F6等，为矿区内主要的控矿断裂；NE向的F101、F102等，为主要的容矿断裂。

矿床地质条件复杂，矿体分布受构造断裂带控制，分布在断层的上下盘。对凡口矿开采影响较大的主要是F3为主的控矿断层。F3断层为逆断层，断裂长度已控制的有900 m，推测有2800 m，断距260 m，走向12°～192°，倾向102°，倾角85°，断裂带一般宽度为6 m。F3断层作为控矿断裂，一般位于矿岩分界面。

图1 下盘F3断层位置示意

1.2 VCR法间柱回采工艺

采用VCR法回采间柱的前提是矿房必须是胶结充填，保证回采过程中矿房充填体的稳定性以及采场自身的稳定性。按照矿体形态、装药结构、爆破顺序等不同可将崩矿方式分为VCR法深孔崩矿、VCR法切槽—全孔侧向崩矿、VCR法切槽—分段侧向崩矿(或称倒梯段侧向崩矿)[4-5]。目前凡口铅锌矿主要采用VCR法切槽—全孔侧向崩矿，这种适合采场长度方向较长的采场，采场爆破次数少，效率高。

VCR法回采间柱时，都要掘进凿岩硐室和出矿硐室，间柱矿体主要受到上下盘围岩和充填体的约束作用。但随着分次爆破的应力扰动，采场形态结构发生变化，断层结构面处的岩体力学强度较低，而两帮充填体的支撑力是有限的。因此在设计崩矿顺序、破顶层厚度、侧向崩矿长度时都要考虑断层对采场稳定性的影响，以免出现采场整体失稳。

2 数值建模与参数选取

2.1 数值模型建立

建模采用FLAC3D自带的强大网格生成器，网格生成器通过组合可生成任意变形、复杂的三维几何网格，该法建模方便快捷。

模型对象为凡口铅锌矿间柱采场Sh-360mS1#，为便于计算与观察，以采场中线为对称面，建立1/2模型，模型尺寸为300 m×100 m×240 m，模型上表面距离地表为330 m，重点研究范围为60 m×60 m×24 m，矿体模型倾角接近实际情况，取80°，下盘矿岩交界处设立断层单元，以便模拟断层的影响。共有101160个单元和112824个节点。网格成放射状划分(见图 2)。

图2 FLAC3D计算1/2模型

模拟方案分两为有断层和无断层两种情况，有断层的模拟方案将在断层处设置断层的材料力学参数，采用FLAC3D中的分界面单元(Interface)技术，Interface界面单元可用来模拟节理、断层、层理等不连续面。在本次模拟中，充填体与矿体的接触面也同样设置分界面单元。模拟流程如图3所示。

图3 间柱回采FLAC3D模拟流程

2.2 岩体材料物理力学参数

近几年,不少科研院所在凡口铅锌矿做过相关的岩石材料物理力学参数测定实验，但凡口矿地质条件复杂，岩石各类多样，需要进行必要的归类与简化。岩体材料物理力学参数与分界面参数见表 1、表2。

2.3 初始地应力与边界条件

凡口矿深部矿床地应力以构造应力为主，为压应力，最大主应力近似水平，沿矿体走向，垂直应力近似等于自重应力，最大主应力与垂直应力比值约为1.2～1.7[6]。

上部覆岩自重产生的垂直正应力为：

σν=ρgh=2800×10×330=9.24(MPa)

假定垂直矿体走向的水平应力为垂直正应力的1.2倍，即11.09 MPa，平行矿体走向的水平应力为垂直正应力的1.5倍，即13.86 MPa。

FLAC3D一般用Fix和Apply命令设定位移、应力边界条件。以采场中线为对称面，约束水平移动；固定模型底部，在顶部施加上部岩体自重的垂直载荷，在模型周边施加应力边界，模拟水平应力状态。

表1 岩体材料物理力学参数

表2 模拟中使用的分界面参数表

3 数值模拟结果分析

3.1 应力、位移分析

评价岩土体工程稳定条件的依据是岩土体介质的力学状态，包括应力、位移(变形)以及塑性破坏状态等。

图 4和图 5表明,间柱回采过程中断层处的最大、最小主应力均为压应力,并且随着回采步骤呈阶梯递减，断层处的应力逐步释放。由于断层处的岩体抗拉强度低，若最小主应力减小至转为拉应力，则可能出现断层开裂。

图4 下盘F3断层处最大主应力σ1变化曲线

图5 下盘F3断层最小主应力σ3变化曲线

图 6和图 7表明，不管下盘有无断层，间柱采场切割拉槽至破顶后，位移量均由临空面向下盘方向递减；存在断层时，断层处的位移量基本一致，且位移达到0.010～0.012 m，不存在断层时，下盘断层对应位置的位移仅为0.005～0.007 m。

3.2 塑性区分布

FLAC3D中可通过分析塑性区分布特点，较直观地了解潜在的破坏区域，显示不同的颜色来表示剪切破坏和拉伸破坏，正处于破坏状态和曾进入屈服状态分别以shear-n或tension-n标识、shear-p或tension-p标识。

图6 切槽后位移分布(无断层)

图7 切槽后位移分布(有断层)

从图 8可看出，上下部硐室开挖后，由于岩体二次应力扰动，断层处即发生了剪切破坏，顶底板也出现了拉伸破坏。从图 9可看出，有无断层的情况下，充填体的塑性分布有较大区别，无断层时，靠下盘充填体呈拉伸屈服，中间充填体不完全贯通；而存在断层时，靠下盘充填体呈剪切、拉伸破坏，中间充填体完全贯通，由于下盘断层的存在破坏了矿体与下盘的连续性，间柱矿体自重更多地由两帮充填体和下部硐室的点柱来支撑，当点柱被切采后，充填体承载能力无法满足矿体自重产生的下滑力，则可能导致剪切和拉伸破坏，出现采场失稳滑移。

从图 10中可观察到，在有断层的情况下，回采过程中产生的塑性区远大于无断层的情况，有断层时，间柱采场需要两侧充填体提供更多的接触支撑力来保持稳定。因此，在下盘断层强度较弱时，回采时应在下部硐室适当留点柱，并在回采时慎重切采，避免出现失稳，威胁出矿安全。

图8 上部硐室开挖后塑性分布对比

图9 回采结束后充填体塑性分布对比

图10 间柱回采过程塑性区体积变化曲线

4 总 结

下盘大断层的存在破坏了矿体与围岩的连续性与完整性，在间柱回采过程中，断层处发生应力集中，而断层处的强度较弱，易发生剪切、拉伸破坏，回采最后一次侧向崩矿时必须留足够的长度。

断层的存在增加了两帮充填体的负载，使充填体更容易发生剪切、拉伸破坏，存在间柱整体失稳的可能性。

在生产实践中，必须慎重对待下部硐室点柱的切采，在采场处于极限平衡状态时，点柱切采或点柱过载破坏都有可能引起采场的失稳。

[1] 史秀志,邱贤阳,张木毅,等.凡口铅锌矿无底柱深孔后退式崩矿嗣后充填采矿法[J]. 采矿技术,2011,11(5):11-12，31.

[2] 饶运章, 徐灵彬. 某铜矿逆断层对围岩稳定性影响数值分析[J]. 有色金属科学与工程, 2012, 3(6): 55-60.

[3] 刘德利,刘继顺,郭 军,等.广东凡口铅锌矿床控矿构造型式[J].矿床地质,2006, 25(2):183-190.

[4] 周国军,黄志伟,王宝山.地下采矿大直径深孔爆破研究[J].爆破,2006(4):25-29.

[5] 邹贤季.大直径深孔采矿法的崩矿方式研究[J].有色金属(矿山部分),2005, 57(4):10-11.

[6] 李庶林,杨念哥.凡口铅锌矿深部矿床地应力测试[J].矿业研究与开发,2003,23(4):15-17.

2013-08-23)

颜克俊(1964-)，男，汉族，广东韶关人，工程师,本科，主要从事采矿技术及管理工作。