三山岛金矿深部开采采场能量释放规律研究

刘建坤

(沈阳鑫博工业技术股份有限公司)

随着浅部矿产资源的不断开采，现有资源已不能满足社会发展的需求，在近期或不久的将来，深部矿体的开采必将成为未来的趋势[1-2]。深部开采中，岩体在高地应力条件下，由于内部积聚大量应变能，回采过程中会突然释放，即发生岩爆现象。当开采深度达到800～1 000 m即进入深部开采，南非大部分矿山开采深度已达到千米以上，最深达到4 000多m，为了有效的防治岩爆的发生，南非矿山均采用充填采矿法，有效地改善了深部岩体应力的突然释放。充填采矿过程中，充填体作为开挖后回填介质抑制围岩变形，同时，围岩对充填体进行挤压，充填体内部就积聚了一定的变形能，围岩与充填体之间存在能量交换。1966年Cook和Hoek等[3]在研究南非金矿深部开采岩爆问题时提出了能量释放率的概念，同时提出了岩爆发生的次数以及规模与井下开采过程中平均能量释放率密切相关，平均能量释放率越大，发生岩爆的概率就越大，因此能量释放理论在地下工程中的应用将日益广泛。谢和平院士在文献[4-5]中讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系，文中指出岩石的变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果，能量耗散使得岩石内部产生损伤破坏，能量释放则是造成岩石突然破坏的内在原因。

在弹性情况下，采场围岩释放的能量依赖于采场的闭合体积，采场围岩中储存的能量依赖于采场采出的体积，充填体受围岩的压缩发生变形，充填体吸收围岩释放的能量同样与体积有关[6]。本文根据能量原理，通过对岩体和充填体单位体积释放或吸收的变形能进行研究，对充填体与围岩之间的能量交换进行分析，最后通过数值模拟验证效果。

本文以三山岛金矿为例，运用能量原理对其深部采场中充填体与围岩的能量释放规律进行分析研究。根据三山岛金矿情况，该矿三期工程即-420 m以下采场已进入理论意义上的深部开采，地压现象严重，三山岛金矿针对-555 m中段553#采场进行采矿方法研究，采用房柱交替上升式机械化盘区上向充填采矿法回采，本文将针对该采矿方法对深部开采采场能量释放规律进行研究，旨在为深部矿山开采提供指导。

1 矿山岩性及工程地质

该矿区为近海岸地下开采的矿山，矿体倾角缓，断裂构造发育，近矿围岩多不稳定，局部地段易发生矿山工程地质问题，工程地质条件复杂程度为中等-复杂。影响岩体稳定性的主要因素为各种地质结构面、断裂带及附近岩石受挤压而破碎。这种岩体的能量释放极容易引起掘进及开采时产生塌方或大规模的冒顶。

2 岩体能量释放分析

岩体在地应力场的作用下，内部储存了弹性应变能，在岩体被开挖后，将会释放一部分能量[7]。矿岩开挖前处于一个稳定的地应力场，处于弹性状态，其内部储存的能量采用下式描述[8-9]：

-2μ(σ1σ2+σ1σ3+σ2σ3)] ,

(1)

式中,μ为岩体泊松比；E0为岩体弹性模量，GPa；σ1为原岩应力最大主应力，MPa；σ2和σ3为原岩中间应力和最小主应力，MPa。

根据蔡美峰等对地应力测量的研究[9]，发现地应力分布规律为线性分布，与深度大致呈线性关系，即

σ=a+bH,

(2)

式中,σ为原岩应力，MPa；a为截距，m；b为斜率；H为深度，m。

将式(2)代入式(1)中，即可得到根据地应力分布特征的原岩储存能量的计算公式，该公式能很好地表征岩体中能量的分布。根据乔兰等[10]采用应力解除法对三山岛金矿深部矿体地应力进行测量分析结果，可知三山岛金矿地应力分布规律：

水平应力为

σx=0.87+0.023H，

(3)

σy=0.81+0.044 9H.

(4)

垂直应力为

σz=0.28+0.025 5H.

(5)

将地应力分布规律代入式(1)中，得到三山岛金矿岩体弹性变形能密度公式为

+1.491 4-2μ(0.002 764 15H2

+0.119 545H+1.175 1)] .

(6)

不同开采深度弹性应变能密度曲线见图1。可以看出，随着开采深度的不断增大，岩体弹性应变能密度也不断增大，则在开采过程中岩体释放的能量也愈来愈大；对于不同性质的岩体，弹性模量越大，也就是岩体刚度大，则在开挖过程中释放的能量越小。

图1 不同开采深度弹性应变能密度曲线

3 数值模拟计算

根据三山岛金矿553#采场的开采技术条件，建立FLAC3D数值模拟计算模型，针对深部采场回采过程中岩体的能量释放规律进行分析。如图2所示，553#盘区划分成8个采场，2#、4#、6#、8#采场为第一步回采采场，1#、3#、5#、7#为第二步回采采场，一二步交替上升分层回采，回采安全步长为11.5 m，每分层回采高度为2.5 m，控顶高度为4.0 m，每一步回采完毕后接顶充填。

图2 数值模拟计算模型

在模拟计算过程中，假设接顶质量良好，在每次模拟充填完毕后，运算5 000步模拟充填体的固结形成强度的过程。根据弹性力学理论，运用FISH语言编写了弹性应变能密度的计算程序，回采过程中岩体的弹性应变能密度云图见图3，由于篇幅有限，这里只显示第一步回采、充填过程中的弹性应变能密度云图。

图3 弹性应变能密度云图

每一步开挖后与充填后岩体的弹性应变能密度的变化情况见表1及图4。可以发现，未充填时，随着开挖体积的增大，弹性应变能密度呈指数增长，充填后岩体的弹性应变能密度较未充填时降低了很多，较好地控制了地压，保证了采场的安全稳定开采。

表1 充填前后弹性应变能密度变化情况

4 结 论

(1)随着开采深度的不断增大，岩体释放的能量随之增大；岩体的弹性模量越大，即刚性越大，弹性应变能密度越小。

(2)深部开采过程中，对采空区进行充填，通过减小开挖体积，同时降低充填后岩体的弹性应变能密度来控制地压，能够有效地保证采场安全稳定。

图4 不同开挖过程弹性应变能密度变化曲线