某铜矿水平矿柱开采力学效应研究

周德照 熊睿

（①温州东泰建设工程有限公司温州325000 ②江西铜业集团东同矿业有限责任公司东乡 331800）

1 概述

某铜矿-385m～-400m 的水平矿柱，是一种临时结构物，在其涉及到的相关采矿工程结构体系中，属于重要的临时结构体，关系到矿山的整体稳定性。水平矿柱自身的稳定性又是一个潜在的安全隐患源，一旦水平矿柱突然失稳，势必造成采场地压剧烈显现，采空区上下盘围岩急剧移动变形，影响水平矿柱的安全回收，甚至可能影响到矿区的整体稳定性，且剩余的矿体将无法回收。通过研究矿体的回采过程，分析开采累积扰动对水平矿柱的力学参数影响变化，水平矿柱与充填体的共同作用力学效应的变化规律，从而对水平矿柱自身稳定性的科学评估判断和矿柱回采方案研究的提供重要的依据。研究矿体历史累计回采过程中，分析水平矿柱的力学效应显现规律，对矿山的稳定性起至关重要的影响。

2 数值模拟模型及力学参数

2.1 计算模型的建立

通过某铜矿各矿体资料的收集与分析，将所得各中段平面图及地质剖面图CAD格式的资料进行预处理后，通过一系列的坐标转换成实际坐标后导入Surpac 形成线串文件，在此建立该区域的数值计算矿段模型。

为了便于块体单元之间的衔接，兼顾FLAC3D几何模型的单元尺寸，整个模型用统一的块体模型来拟合，块体模型最小单元尺寸为5m×5m×5m。同时，为了数据导出方便，将矿体旋转一个角度，并带基点移动到坐标零点，再通过建立块体约束文件来区分围岩的上下盘，并对上下盘围岩赋值岩性等属性，安庆铜矿各矿体计算模型如下图1所示。

图1 矿体计算模型

2.2 模型介质力学参数

参与计算的岩体主要有四种：大理岩、闪长岩、矽卡岩和矿石，矿体上盘围岩为角砾状大理石，矿体下盘围岩为矽卡岩、蚀变闪长岩，轻变质粉砂岩石和钙质角页岩。其中矽卡岩分布相对较少，其力学参数与闪长岩相近，为避免繁琐，故在赋参数时将其归至闪长岩一类。模型中采场的充填体有2 种：（1）作为采场假底和一步骤回采矿房的高配比尾砂胶结充填体；（2）二步骤矿柱回采后的非胶结尾砂充填体。计算模型中的岩体力学参数由岩石力学参数折减而来，各种介质的物理力学参数取值列于表1。

表1 计算模型中各种介质的力学参数

3 水平矿柱力学效应显现

3.1 水平位移

原有采矿累积活动在-400m 水平X 方向位移空间分布如图2所示。

由图可知，原有采矿活动在-400m水平X方向位移分布特征是：

图2 原有采矿活动在-400m水平X方向位移云图

原有累积采矿活动在-385m～-400m 水平矿柱产生X方向向左移动与向右移动区域存在一个北偏东45°角的明显分界限。在2线以西斜下方呈向右移动趋势，2线以东斜上方呈向左移动趋势。这是由于水平矿柱受上部充填体压力及水平应力共同作用造成的，这表明水平矿柱有产生两端向中间压缩的趋势；水平矿柱在15m厚度方向上，水平位移变形规律近似一致，不同高度上未发生明显变化；最大向左位移区域形态近似椭圆形分布，位以1线以西下盘边缘区域，最大向右移位于西部厚大矿体2线上盘边缘区域及8线下盘边缘区域；水平向左位移量最大位移值为-9.22mm左右，向右位移量最大为9.59mm，两者最大位移量区域都分别集中于间厚大矿体区域上下盘，主要是因为厚大矿体回采之后造成采空区面积较大，造成位移量较大；总体上原有采矿活动引起水平矿柱的水平变形位移值较小，说明原有采矿活动开采对水平矿柱稳定性影响不大。

3.2 最小主应力

原有累积采矿在-400m楼板水平剖面最小主应力分布云图如图3所示。

图3 原有采矿活动在-400m水平最小主应力等值线云图

由图可知，-400m 水平剖面的原岩的最小主应力约为-17.00Mpa。随着矿体的开采，采区跨度逐步扩大，水平矿柱应力将逐渐转移到采区上、下盘等四周围岩上，诱发形成采空区围岩新次一级应力场，最小主应力的空间分布在具体演变过程中，均表现出一定的规律性；在原有采矿活动后，所对应的水平矿柱矿体区域，形成明显的最小主应力降低区，在色谱图中产生为红色区域代表的应力降低区，该区域位于4 线以东，尤其明显于8 线附近，其最小主应力值为-8.51Mpa；在4 线以西较厚大矿体区域，采区范围所对应的水平矿柱上下盘围岩等接触处存在明显的应力集中现象，即沿采区上、下盘边界等产出的近似连续的蓝色条带代表的高应力（或应力集中）区，尤其以1 线以西较为明显，其最小主应力值为-31.82Mpa；在矿体走向的水平矿柱的两侧围岩应力集中区域范围较其它边界区域面积大，下盘应力集中区域比上盘大。

3.3 最大主应力

原有累积采矿在水平矿柱-400m剖面最大主应力分布云图如图4所示。

与原岩地应力场的最大主应力（最大主应力背景值：-10.00Mpa）分布相比，由图4 知，在水平矿柱-400m剖面上，最大主应力在空间分布上表现出一定的规律性：

在水平矿柱矿体中及上下盘围岩附近存在最大主应力明显降低区，应力降低区域的空间分布形态受原有采矿的影响；受累计回采影响，水平矿柱岩体3线至0线之间及4线以东的最大主应力值与原岩应力值相比，降低极为明显，顶板的最大主应力值为0.45Mpa；-400m 水平矿柱两端盘围岩及2 线上盘围岩等接触处存在最大主应力升高区，或者最大主应力轻度集中区，其最大主应力值为-11.37Mpa；-400m水平矿柱矿体中出现拉应力现象，但出现的区域及拉应力值较小，楼板在稳定性范围以内。

4 结论

通过对某铜矿矿体开采过程的数值模拟，分析了-385～-400m 水平矿柱周边岩体岩移和地压活动区域，可以得到以下结论：

⑴水平矿柱上下盘围岩应力集中区域增大，主要集中在4 线以西，尤以2 线附近较为明显，采场充填后，水平矿柱应力集中现象得到缓解；

⑵水平矿柱在本年度有下沉的趋势，最大下沉变形区域的最大位移值为-9.93mm，最大上升变形区域的最大位移值为3.19mm；

⑶建议矿山在采场出矿完毕后及时进行充填工作，以缓解水平矿柱的下沉和围岩的应力集中现象。