基于水平构造应力比圈定新城金矿竖井保安矿柱初探

刘溪鸽 刘洪磊 朱万成 李斓堃 张洪训

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

竖井对于大部分地下矿山而言都是咽喉要道，其稳定性关乎矿山的可持续生产。竖井的变形破坏通常是由多种原因造成的［1］，其中地下开采诱发岩层移动进而导致竖井变形、破坏，是地下金属矿山竖井破坏的重要原因［2］。随着地下开采深度增加、地应力逐渐升高，开采导致竖井周边应力集中，并可以进一步导致竖井发生崩塌、破坏［3］。为了减小采矿对竖井的影响，在矿体距离竖井很近的情况下，一般要按照一定的岩石移动角圈定竖井保安矿柱［4-5］。然而，在当前采矿工程重心逐渐向深部转移的背景下，根据传统的岩石移动角圈定保安矿柱的方法致使压矿量较大［6］，将造成较高的资源浪费，特别是对于贵金属一类的矿产资源。因此，当竖井深度超过2 500～3 000 m 这一深度范围时，南非则不允许留设竖井保安矿柱［7］。

金属矿山一般属于硬岩矿床，其竖井的破坏模式受到构造应力以及断层、断裂带的影响比较显著。金川镍矿二矿区的14行风井是以穿过井筒的断层出现活化为破坏模式，高地应力、矿体与断层的较大倾角是岩层移动的主要诱因［8-10］，其三矿区主竖井也因为高地应力的作用导致衬砌发生严重变形［11］；澳大利亚的Mount Isa 铜矿X41 竖井同样是由于受到采动影响，导致其穿过的断层部分出现滑移错动，井筒衬砌发生开裂破坏［12-13］；程潮铁矿的地表及竖井变形案例表明，当地下采空区和地表塌坑形成一定规模后，在矿区不同方向水平构造应力的释放和挤压作用下，被地质结构剖分为柱状结构的围岩向塌坑方向产生倾倒，引起了井区地表变形，且变形规律呈现出“S”型［14-16］。近年来，随着采矿技术的进步，国内外许多矿山在回收竖井保安矿柱方面取得了良好效果，例如，广东馆坑钨矿竖井保安矿柱的回收至竖井仅10 m［17］；辽宁红透山铜矿根据安全深度概念重新划定保安矿柱，大大增加了采矿量［6］；美国Homestake矿竖井保安矿柱成功回收［18］等。地下矿山竖井工程的稳定性根本上涉及到岩体在采矿扰动下的变形与移动。而竖井的特殊性主要体现在涉及的岩层范围广、工程时效性要求长、工程可替代性差、工程环境逐渐劣化等方面。

要在确保竖井安全运营的前提下更多地回采矿石，则需要同时考虑到矿山地质与地应力条件。本研究首先阐释了地下矿山竖井工程的特殊性，并建立了简化的概念模型，研究不同水平构造应力状态下开挖竖井周边矿体对竖井的影响；其次，以新城金矿竖井周边矿体回采为研究对象，建立了竖井与矿体的大尺度数值计算模型，对比分析圆形保安矿柱与考虑水平应力条件的椭圆形保安矿柱方案；最后，优选出适用于新城金矿地质条件的竖井保安矿柱。

1 新城金矿竖井工程概况

山东黄金矿业股份有限公司新城金矿是我国大型黄金矿山之一，新城金矿现开采区域主要包括XI#和V#两块矿体，其中V#矿体位于-430～-732 m 标高；XI#矿体是近些年新发现的矿体，随着相关探矿及回采工程的揭露，XI#矿体的矿界逐渐变得清晰和明确。XI#矿体主矿脉位于主竖井两侧，目前探测的矿体位于-405～-330 m 以及-530～-430 m 标高，如图1 所示。随着井下探矿工程的进一步揭露，矿量从最初推测的169 万t增加到317 万t，将导致采空区范围大幅增加。因此，竖井的稳定性也需要基于最新的地质模型开展评估。

目前，新城主竖井为该矿山唯一的矿石提升井，竖井上部地表需要保护的对象有井架、卷扬机房、选矿车间等。新城金矿竖井工程的特殊性在于，竖井周边的XI#矿体回采并不是残采阶段，该竖井还要保证相当一段时期内V#矿体的矿石提升。在新的主竖井开掘完成之前，该竖井是当前新城金矿唯一的矿石提升井，其安全运行直接关系到矿山的持续稳定生产。

2 竖井周边回采矿体的概念模型

2.1 模型建立及参数赋值

根据新城金矿竖井地质条件建立了竖井周边矿体开挖的概念模型，如图2 所示。模型尺寸为200 m×100 m×20 m（长×宽×高），模拟地下-500 m 中段矿岩的地应力条件，在模型正中间为直径5 m 的竖井。将岩体上覆岩层的自重应力设置为中间主应力（第二主应力），即σ2=13.25 MPa，并作为面力均匀施加在模型上表面，模型侧面施加应力边界，侧应力系数λ 分别取值0.5、1.0 和1.5，不同工况下的应力取值如表1所示。此外，数值模型底部为位移约束。在竖井两侧距竖井中心17.5 m 处同时开挖半径的为5 m的矿体，模拟采空区。模型参数根据新城金矿相关地层岩体参数选取（表2），模拟计算采用Mohr-Coulomb屈服准则，公式为

式中，σ1，σ3分别为第一和第三主应力，MPa；σc，σt分别为材料抗压强度和抗拉强度，MPa；c 为黏聚力，MPa；φ 为内摩擦角，（°）。

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2.2 模拟回采结果分析

模型开挖前后的位移变化对比如图3 所示。由图3 可知：在σ1=σ3（工况1）的加载条件下，模型的初始位移较小，当矿石回采形成采空区后，整个模型的最大变形量为9.01 mm，主要发生在采空区周围，而竖井周边的最大变形量为2.38 mm；在σ1=3σ3（工况2）的地应力条件下，开挖后整个模型的最大变形量为9.24 mm，主要位于最大主应力方向上，竖井周边最大变形仅为1.38 mm；在3σ1=σ3（工况3）加载条件下，且σ1沿Y 轴方向，模型的最大变形量为9.23 mm，竖井周边的最大变形量为3.27 mm。对比分析上述结果可知：当采空区处在最大主应力方向时，竖井变形量最小，此时采空区起到了卸压作用；当采空区处于最小主应力方向时，竖井变形量反而增加，竖井周边成为了主要承压区。由此可见，竖井变形与采空区及地应力条件均紧密关联。圈定竖井保安矿柱，不仅需要考虑采空区与竖井的距离，还需要顾及水平构造应力条件。

图4 为3 种地应力条件下，竖井及采场周边的最大主应力分布情况。分析该图可知：在采空区与最小主应力方向一致时，开挖会导致竖井周边应力集中；当采空区与最小主应力方向一致时，采空区的卸压效果显著，可以较大程度地保护竖井。

采空区周边的应力与变形统计情况如图5所示，其中图5（a）与图5（c）中开挖后的应力或位移曲线断开处表示采空区。图5（a）和图5（b）显示，当采空区在竖井的σ1方向时（工况2），开挖后其周边应力显著降低，特别是在σ1方向上最大主应力降低66.7%，同时对竖井周边的卸压效果也比较明显，降低30.5%；当采空区在竖井的σ3加载方向时（工况3），采空区周围应力剧增147.1%，导致竖井周边应力也较高，增高22.2%。图5（c）和图5（d）表明，当采空区在竖井的σ1方向上时（工况2），围岩向采空区的挤压效果最为显著，也会导致竖井周边变形明显。同时，由于采空区的存在，竖井的变形方向发生了改变，竖井围岩变形方向从朝向竖井（1.25 mm）转变为背离竖井（1.53 mm），但总体变形量不大。当采空区在竖井的σ3方向上时（工况3），竖井围岩呈现出整体向井筒内部挤压变形的趋势。考虑到工况2卸压效果明显、变形控制合理，因此，采空区分布在最大主应力方向上有利于竖井稳定。

3 新城金矿竖井周边矿体模拟回采

3.1 新城金矿数值计算模型建立

新城金矿计算模型通过3DMine-Rhinoceros 5-Griddle 1.0-FLAC3D耦合建模方式构建，如图6 所示。考虑到竖井衬砌变形是周边岩体移动的结果，且在区域大模型构建中衬砌单元与其他单元大小相差悬殊，极易导致计算错误，故将其省略，模拟主要关注于竖井围岩的变形。研究区域内的河西断裂带、焦家断裂带、侯家断裂带通过弱化岩性参数方法加以区分。数值模拟采用Mohr-Coulomb 屈服准则（式（1））计算。

根据新城金矿最新地应力测试结果，该矿最大主应力垂直于矿体走向方向，最小主应力沿矿体走向方向，重力为中间主应力。数值模型同样采用面力边界进行加载，其地应力随深度的回归方程为［19］

式中，σh,max、σh,min和σv分别为最大、最小和垂直主应力，MPa；H 为埋深，m。

本研究采用面力调整的方法获得FLAC3D模型的初始应力场［20］，通过岩体参数反映不同地层岩性的初始应力状态，各地层的岩体参数参考文献［21］取值，回采前的地应力场如图7 所示。由图7 可知：在-380 m 和-530 m 水平矿体回采之前，竖井穿过的各岩层强度越高应力越大，由于地表主要为第四纪土层，该区域岩层参数较小，因此出现了明显的应力降低区。

3.2 两种竖井保安矿柱留设方案

本研究在新城金矿XI#矿体数值模拟开挖过程中，模拟分析了两类竖井保安矿柱留设方案，分别为圆形矿柱和椭圆形矿柱，如图8 所示。其中，圆形矿柱留设方案以竖井为中心，圈定半径分别为200、150、100 m，第1 步回采半径为200 m 的圆外矿体，第2 步 为200～150 m，第3 步为150～100 m，第4 步 将100 m 内的所有矿体一步开挖。在椭圆形矿柱留设方案中，也分4 步完成，椭圆形矿柱3 个短轴半径分别为200、150、100 m，长短轴比为1.57∶1（依据最新地应力测量结果，最大主应力与最小主应力梯度比值为1.57∶1），回采过程与圆形矿柱类似，如图8（b）所示。在该数值计算模型中，竖井中心与模型的原点重合，竖井净半径为2.5 m，从地表井口+33 m 水平向下每隔50 m 设置一个变形取值点，用以监测模拟开挖过程中的竖井变形。

3.3 不同竖井保安矿柱模拟结果对比

竖井在X、Y、Z 3 个方向上的变形随矿体回采的变化曲线如图9所示。图9（a）显示，竖井变形随着埋深增加，变形量有变大趋势，与埋深增加地应力加大的现象一致，与竖井底部的河西破碎带影响密切相关。圆形矿柱方案二、方案三与椭圆形矿柱方案二、方案三等4条曲线对比发现，椭圆形开挖方案回采的矿量更多，同时竖井的变形量也更大。虽然竖井总体变形量均控制在8 mm 以内，但竖井100 m 范围内矿体回采将导致竖井变形量增加显著，不利于竖井稳定。竖井变形的侧向偏斜量比其在竖直方向上的变形更显著。在走向（X 方向）和倾向（Y 方向）上，竖井都表现出了比较强烈的扭曲现象，且竖井变形最大的方向为矿体倾向方向，与最大主应力方向一致。在竖直变形方面，受矿体开采影响，竖井整体上表现为向下沉降，在采空区周边表现得尤为明显。

本研究采用优采度指标（分步回采矿量百分比与变形增量百分比的比值）［22］来评估矿体最优的回采方案，椭圆形回采方案和圆形回采方案的优采度指标值如表3所示。

由表3分析可知：整体矿量的优采度指标值为1，优采度指标值大于1，表明回采条件相对优良，即表示回采相同的矿石量对竖井变形影响更小，或表示在引起竖井相同变形量的条件下可以回采更多的矿石；优采度指标值小于1，表明回采条件较差，即表示回采相同矿石量对竖井变形影响大，或表示在引起竖井相同变形量的条件下可以回采的矿石更少。无论是椭圆形矿柱还是圆形矿柱留设方案，随着回采逐渐接近竖井、回采矿量逐渐增加，优采度指标值都趋于下降。

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两种矿柱留设方案分析表明，竖井100 m 范围内矿体不宜回采，采矿量小但其引起的竖井变形剧烈。对比圆形与椭圆形矿柱方案三，椭圆形矿柱虽然可以少量增加采矿量，但其导致优采度指标略小于1。考虑到新城金矿竖井关乎全矿生产的连续性，现阶段应采取相对保守的回采方案，宜采用圆形保安矿柱方案三，即保留竖井100 m范围内的矿体不回采。

4 结 论

（1）简化的采矿概念模型模拟结果表明，回采竖井最大主应力方向上的矿体对竖井围岩具有卸压作用，竖井围岩变形也有向采空区方向发展的趋势；反之，回采最小主应力方向上的矿体将导致竖井周边应力集中、竖井整体向井筒内部挤压变形，增加了竖井围岩的失稳风险。

（2）提出了考虑水平构造应力比的椭圆形竖井保安矿柱概念。由于新城金矿的矿体恰好处于最小主应力方向上，根据数值模拟结果仍然建议保留竖井周边100 m 的圆形保安矿柱。尽管如此，在其他水平构造应力显著的矿山，椭圆形竖井保安矿柱依然有进一步研究的价值。