某铅锌矿地压活动数值模拟及防控措施

张 贤 袁子清 李 旺 于世波 王 平

（1.驰宏科技工程股份有限公司；2.矿冶科技集团有限公司；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心）

随着矿山开采逐渐向深部延伸，将面临高应力、大变形等一系列地压问题，这些问题是造成深部开采动力灾害的主要原因［1-3］。因此，对深井开采地压活动规律的监测与研究显得尤为必要。许多学者在矿山地压灾害监测与防控方面开展了大量研究，并取得了一定的成果［4-6］。但当前不少地压监测系统在建设过程中，存在监测点布置随意性较大、监测重点不突出的问题，主要原因是没有事先分析与掌握井下开采过程中的地压变化规律，导致地压监测系统建设缺乏针对性，监测效果不太理想。针对该问题，本研究以某铅锌矿为研究背景，基于矿山开采技术条件与现场地压活动情况，选取矿山典型地质剖面进行二维数值模拟与分析，研究现有开采工艺下的围岩应力分布规律与变形特征，为矿山未来地压监测系统建设及地压灾害防控提供参考。

1 矿山概况

1.1 开采技术条件

某铅锌矿矿体赋存于石门坎背斜倾伏端西翼石炭系和泥盆系层间裂隙中，矿区构造破碎发育。矿区共分I#、II#、III#矿体，其中I#为主矿体，下分I-6#～I-15+#矿体，矿体倾向南东，倾角为60°～85°，矿体平均厚度为9 m，矿体赋存标高为900～-20 m。顶底板围岩多为浅灰色中厚层状细—粗晶白云岩，岩性比较单一。矿床属于水文地质条件复杂型的岩溶裂隙水直接充水矿床。地下水系统结构复杂，主要充水水层为石炭系和泥盆系碳酸盐岩裂隙含水层，富水性、透水性中等—弱，补给条件好，且具较高水压，深部实测最大涌水压力达2 MPa。同时，经现场实测，最大主应力方向近乎水平，在610 m 中段测试最大主应力约为15 MPa，在深部430 m 及以下中段，地应力呈明显增强趋势。目前，矿山采用下向水平分层进路胶结充填采矿法。

1.2 地压活动

根据矿方反馈，近年来，井下发生的地压显现主要为巷道局部或大面积的变形、底鼓以及垮落灾害，该类灾害主要发生在C11 地层，尤其在370，430 和490 m 等深部中段表现明显。经现场调查分析，巷道两帮挤压变形与底鼓现象主要发生在与主地应力方向垂直的巷道段；而全断面变形破坏的现象则主要受岩性与结构面控制，在II#矿体分布较多。此外，根据现场反馈，近期地表出现数次有震感的矿震，但其发生地点与原因当前仍未查明。图1～图3 为各种类型典型破坏的现场情况。

从现场调查情况来看，I#矿体围岩当前稳定性相对较好，II#、III#矿体围岩较破碎，是未来地压监测的主要区域。此外，在深度上，670 m 以下深部巷道变形破坏的情况相对较多，例如490，430 m 水平沿脉巷道，且多发生在C11地层，主要受岩性、结构面及构造控制。

2 模型建立

2.1 分析对象及目的

考虑到矿体走向长度近2 km，且矿体数量较多，若采用整体三维建模数值计算，计算速度将受到计算机条件的限制。鉴于矿山当前及未来主要开采I#矿体下的I-6#、I-8#及I-14#矿体，且这些矿体赋存标高为900～-100 m，因此，本研究选择96线剖面进行二维数值建模分析，该地质剖面同时包括了上述3个矿体，具有很好的代表性。模拟旨在掌握动态开采过程中的围岩变形破坏特征及地压演化规律，为下一步地压监测系统建设与地压灾害防控提供参考。

2.2 模型建立

研究采用PHASE26.0 软件进行数值计算，使用其内嵌的Mohr-Coulomb 模块，计算过程中考虑了岩体重力作用和构造应力的影响。计算模型顶面设为自由边界，底部与两侧设为单向固定约束边界。模拟步骤：先采用CAD 圈出矿岩轮廓，然后将其导入PHASE26.0 软件中，进行相应的参数设置、地应力场施加。模型宽度为1 000 m，覆盖了-100 m 以上的所有地层和矿体，以及上部自然地表边界。模型共有11 402 个单元、5 831 个节点。模型中矿岩的物理力学参数见表1，工程地质力学模型如图4所示。

2.3 模拟开挖步骤

根据矿山从上往下的开采顺序，以实际生产中单个分段的开采为一个开挖步序，开挖后对空区进行充填，依次完成整个模拟开采过程。模型中每个分段高度为12 m，每个中段分为5 个分段，从上往下共有34 个分段。从而获得+20 m 水平以上采矿全过程中的应力、变形情况。

3 模拟结果分析

3.1 应力场分析

为了解矿体间天然隔离矿柱以及顶底板在开采过程中的应力变化情况，在模型中I-8#矿体的顶、底板以及矿柱位置设置虚拟应力监测点，测点编号分别为1#～3#，图5为各测点在分步模拟开挖时的偏应力值变化曲线。偏应力是最大、最小主应力的差值，用以判断地压或岩爆灾害倾向性的强弱，数值越大表示倾向性越强。I-8#矿体顶、底板围岩分别在开挖至18 步序（图5（a））与26 步序（图5（b））时出现应力急剧增大，且后续没有出现下降，应力集中现象明显；矿体间天然矿柱在开挖至22 步序（图5（c））时，监测点出现了应力急剧增大再突然消失的现象，说明该开采步序下矿柱区域出现破坏的可能性很高，且属于典型的动态孕震区，将来应重点关注。同时，应力集中区域与断层分布位置相近，说明断层活化产生的破坏也是需要重点关注的问题。

为进一步了解模拟开挖过程中岩体的应力集中情况，提取了第22步序偏应力分布云图（图6）。可以看出，该开挖分层周边围岩与该矿体上部顶板围岩处的偏应力值较大，说明其发生较大地压灾害的风险较大。同时，也说明了充填体顶部与围岩接触带是应力集中的重点区域，未来应注意充填接顶的质量。

为了解矿体开采及充填完成后的整体应力变化情况，提取了最后开采步序完成后的最大主应力分布云图（图7）。可以看出，开采引起应力场的明显变化主要集中在含矿地层宰格组第三段的第二亚段中，即矿体赋存地层是采动诱导应力显现最明显的区段。此外，应力集中现象基本分布在上下矿体之间的天然隔离矿柱区域，这些区域将是开采过程中典型的孕震区，在实际生产中应予以关注。

3.2 变形场分析

为了解开挖过程中上盘围岩的变形情况，在主矿体I-8#上盘围岩处设置位移监测点，并提取了不同开采步序下的围岩变形曲线图（图8）。可以看出，采动引起的变形具有明显的分区和阶段性特点，在开挖至21步序（对应5中段第1分层）时，变形值急剧升高。

为进一步了解开采完成后围岩的变形情况，提取了第34 步序整体位移矢量分布图（图9），可以看出，I-8#矿体上盘围岩变形最为集中，变形方向朝向开采区域。所以，上盘顶板容易发生较大的拉伸破坏。而下盘围岩变形主要以水平位移为主，未来下盘巷道在软弱地层处有发生底鼓破坏的风险。

4 地压灾害防治措施

4.1 高应力卸荷与柔性支护

高应力卸荷与柔性支护是典型的卸压与支护相配合的巷道维护方法。现场实施时，一般在巷道顶部超前工作面钻卸压孔，通过卸压爆破将待掘巷道或采场与相邻巷道或采场空间隔离，切断开采扰动应力传递路径，形成局部卸压环境，降低岩爆风险。之后采用锚杆、锚网、喷射混凝土及联合支护的方式，确保采场与主要行人通道的安全。

4.2 井下工程布置优化

根据井下地应力测量结果，矿区最大主应力以水平应力为主，方位是北西向，平均走向为N62.1°W，与区域构造应力场的方向一致。因此，矿区在主要巷道和采场的设计中，要充分考虑最大主应力方位与巷道间的夹角。尤其是岩体节理较发育的区域，巷道或采场尽量与最大主应力方向一致。

4.3 综合地压在线监测技术

根据上述模拟分析得到的应力分布情况及变形特征，建议对深部区域开展综合地压在线监测，监测重点在610 m 水平以下，尤其需要关注各相邻矿体间的围岩变形、断层活化导致的地压灾害。

5 结语

（1）不同矿体之间的天然隔离矿柱是应力集中最为明显的区域，是典型的孕震区，实际生产中应予以重点关注。

（2）下向进路开采过程中，应力集中区域位于底板下部约2 个分段高度的范围；由于岩体较破碎，对于高应力集中形成的应变能储存能力有限，在进行地压监测时，应重点关注各相邻矿体间的围岩变形、断层活化导致的地压灾害。

（3）模拟结果显示，开采后岩层移动主要以竖向和水平变形为主，其中以上盘下向45°方向的移动变形最为典型，是地压监测的重点关注部位；采动引起的变形量具有明显的分区与阶段性特点。