银山矿千枚岩破坏特征及地压分布规律分析

李红鹏 陈秋松

摘要： 在地下回采作业中，掌握采场地压活动规律，采取有效措施控制地压活动，是实现安全高效开采的重要保障。银山矿采用分段空场上向中深孔落矿采矿法回采，根据现有采矿方法及矿（岩）体禀赋状态，利用RFPA2D-SRM强度折减有限元软件对千枚岩的破坏形式进行模拟，结果显示：银山矿千枚岩破坏的主要形式为片理状千枚岩的溃屈破坏。同时，结合现场监测数据，得到原岩地应力分布规律方程，并提出对应的地压控制措施。研究成果为类似矿山的应力分布规律研究提供一定的理论支持和工程借鉴经验。

关键词： 千枚岩;数值模拟;地压控制;破坏机理;溃屈破坏;地压分布规律

    中图分类号：TD321 文献标志码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）09-0047-05 doi：10.11792/hj20210908

    引 言

在地下开采过程中，由于地压作用而导致巷道出现变形、支护困难甚至冒顶片帮等现象，造成经济上支护成本增加、技术上采准巷道破坏、生产上进度受限且矿石贫化率增加等难题，严重影响矿山的安全生产[1-3]。显然，采场受地压破坏已成为众多矿山企业的生产难题，在未来进一步向深处开采过程中， 地压控制的重要性日渐凸显，认清地压活动规律，采取相应的防控措施，经济有效地控制地压活动，将是地下开采矿山的共性需求[4-5]。为此，研究地压显现规律，寻求地压显现动因，精确控制与有效预防地压破坏活动，是保障矿床安全高效开采的首要条件。

针对每类地压显现特征，通过制定合理的采场断面形状、矿房参数、矿柱参数及支护措施等一系列利用免压拱解除采场地压等地压防控方法，在地压预测与控制方面起到了一定的作用[6-9]。 但是，在矿山实际生产中，地压显现形式极为多变，同一矿山往往因不同地点及开采进程出现很大差异[10]，以上所述方法大多为未考虑地质构造因素或仅侧重于采场局部的单一方法，难以用来指导现场实际生产作业。因此，为增强矿山不同部位地压防护措施的针对性，需要面对开采矿床的整个地质体，研究地压的来源，据此预测高应力部位，并根据巷道变形与破坏的可能性，制定相应的控制措施，以便更好地指导生产。

1 工程背景

江西铜业集团银山矿业有限责任公司（下称“银山矿”）位于江西省德兴市银城镇，距上饶市125 km，是江西铜业集团有限公司旗下主力矿山之一，为露天、地下联合开采多金属矿山，主要生产铜精矿、铅锌精矿、硫精矿及金和银。银山矿由北山区、九龙上天区、银山区、九区、西山区及银山西区等组成。露天开采对象为九区的铜金矿体，设计生产能力5 000 t/d;地下开采对象为九龙上天区、银山区及银山西区的铜矿体，以及北山区的铅锌银矿体，当前生产能力为8 500 t/d。

银山矿采用分段空场上向中深孔落矿采矿法回采，当矿体脉幅小于6 m时， 在矿体下盘围岩中掘进脉外运输巷道，采场沿矿体走向布置，竖直方向每15 m在矿体内布置分段凿岩巷道， 凿岩设备在分段凿岩巷道内施工上向平行中深孔对矿体进行回采，底部结构为平底结构，铲运机在出矿进路出矿。

本文将地压活动较为频发的北山区作为研究对象，重点研究其地压显现规律。该矿体长约1 580 m，厚1～6 m，倾角61°～86°，倾向以北北西向为主，整体呈从上到下逐渐变薄的形态。由于矿体围岩为千枚岩，岩体本身抗压强度低且节理较为发育，从而导致在回采过程中，支护效果不理想、巷道变形突出等一系列问题。同时，根据国内矿山开采的现场经验，结合银山矿北山区实际工况，认为在该矿体赋存深度下开采时属于中等应力状态。

根据矿山地质资料，该矿山地下工程岩组的分类可以按照其数量、稳定性等分为4类。而其中对矿体回采稳定性起关键性作用的主要为千枚岩，同时千枚岩又分为片理状千枚岩及砂质千枚岩。因此，本文主要从该类工程岩组着手，依据现场围岩实际破坏形式，厘清2种千枚岩对围岩破坏的影响，从而确定围岩破坏的直接原因。

2 千枚岩破坏形式分析

2.1 围岩主要破坏形式

千枚岩是变质较浅的岩石，岩石性脆，属于片理  状岩类，是一种特殊的层状岩体结构类型，其特殊性主要表现在岩体往往呈现结构性破壞而非材料本身破坏[11-13]。千枚岩破坏机理与板裂介质理论相符，而根据板裂介质理论，板裂结构即使在应力较低（小于结构本身的抗压强度）时，也会由于失稳而发生溃屈破坏。因此，可以认定千枚岩为典型的板裂结构， 在地应力并未太大的巷道出现冒顶片帮等事故是千枚岩围岩作为板裂结构破坏的外在表现形式，从而得出千枚岩或巷道的理论破坏形式为溃屈破坏（见图1）。

虽然根据理论分析得出了千枚岩的破坏形式，但需要依据现场实际工况对其进行验证。根据井下现场的实际勘察，结合工程地质岩组的分类可以看出，银山矿北山区巷道（围岩）的实际破坏形式为片理状千枚岩的溃屈破坏（见图2）。

2.2 千枚岩破坏数值模型

理论分析和现场调研均表明，上述溃屈破坏理论模型对银山矿脆性片理状千枚岩的破坏机制具有较好的适应性。为进一步揭示银山矿千枚岩破坏机理，采用专业软件RFPA2D-SRM强度折减有限元软件对其破坏过程进行了模拟。RFPA2D-SRM 强度折减有限元软件充分考虑岩石破坏过程中的各向异性、非线性及非均匀性等特点，并以基元的破坏个数作为岩石宏观破坏判据，具有结果可视化呈现、建模赋值方便快捷、求解过程准确等特点。

由于矿体与围岩平行，且倾角一般在60°～90°， 首先进行了层理倾角为90°的岩层破坏过程数值模拟，对上述溃屈破坏理论在银山矿脆性片理状千枚岩的适应性进行验证。同时，进行了层理倾角为60°的岩层破坏过程数值模拟，以便对倾角稍缓的片理状千枚岩的破坏机理进行分析。

根据建模规则， 模型整体尺寸为研究单元的10倍左右，因此取其尺寸为20 m×20 m。开挖巷道则根据现场实际生产工况，采用高度及跨度均为2 m的直墙半圆拱形巷道，巷道长度为矿体宽度， 层理间宽度为1 m。由此得到层理倾角为90°（见图3-a））及层理倾角为60°（见图3-b））的围岩数值模型。模拟过程为：①分别设置水平及垂直均布载荷为1.0 MPa、0.2 MPa;②载荷设置完成后，平衡岩体模型的初始应力;③设置模型边界约束条件为底部位移约束，其余方向为应力约束;④按照巷道的规格进行开采模拟，同时为了与实际工况相符，每次均将岩体的力学强度折减1 %，直至破坏，统计模拟结果。

2.3 模拟结果及分析

根据以上模型及模拟步骤，分别得到层理倾角为90°（见图4）及层理倾角为60°（见图5）时银山矿巷道围岩的典型破坏过程。由图4、图5可以看出，不同层理倾角时，破坏发生过程基本相似。换言之，随着围岩力学强度的不断折减，应力最先向与巷道相邻的层理面集中。然后，随着应力集中点的层理面发生破坏，高应力得以释放，应力集中区域转移至巷道两侧，造成巷道边帮发生典型溃屈破坏，进一步诱使顶板围岩因失去边帮的支撑而发生坍塌。

同时由图4、图5也可以看出：在层理倾角为90°时， 巷道围岩的破坏最终是坍塌式的下拉破坏，并未对底板造成影响。而当层理倾角为60°时，巷道围岩受层理倾角影响，两侧边帮表现为一边高一边低的一侧拉伸一侧剪切式破坏，最终造成巷道整体结构性破坏。

因此，通过以上数值模拟结果得出并进一步验证了上文所述千枚岩的破坏形式，即溃屈破坏是银山矿脆性片理状千枚岩主要的破坏形式。

3 采场地压显现规律及破坏机理

通过数值模拟进一步得到及验证了银山矿巷道围岩破坏的主要原因是脆性片理状千枚岩的溃屈破坏。为正确分析采场地压显现规律与破坏机理，需建立合理的围岩稳定性计算分析模型，为地压防治提供理论支撑。

3.1 原岩地应力监测及规律分析

根据银山矿原岩地应力监测结果（见表1），最大水平主应力（σhmax）、最小水平主应力（σhmin）及垂直方向主应力（σv）与深度（h）的关系见图6。

σhmax=-0.058 1h+0.275 7  （1）

σhmin=-0.021 8h+0.072 9  （2）

σv=-0.048 3h-1.232 5  （3）

监测结果表明，银山矿以水平构造应力为主，所有应力均为压应力，垂直方向主应力与自重应力接近。主应力随深度的增加而增加，尤其是最大水平主应力与深度的线性关系良好。由于北山区矿脉走向近似于东西向，千枚岩片理与矿脉近似一致，这就意味着最大水平主应力与千枚岩片理斜交，这是导致采场、巷道地压显现的最重要因素之一。

3.2 基于现场监测及数值模拟的破坏机理分析

分段巷道与脉外出矿巷道均与围岩片理平行，由于长时间暴露（分段巷道服务年限普遍超过5.0 a，脉外出矿巷道超过1.5 a），再加上千枚岩是变质较浅的岩石，岩石性脆，在如此高的原岩地应力作用下，这种脆性千枚岩片理结构极易发生两帮断裂的溃屈破坏（见图7）。

保护墩暴露时间普遍超过1.0 a，两侧均为出矿进路，保护墩在顶底板的高压应力作用下出现应力集中，脆性千枚岩结构在高原岩地应力作用下，极易发生压杆失稳破坏（见图8）。

3.3 地压控制措施

根据以上数值模拟分析及现场实测结果，适用于银山矿实际工况的地压控制措施为：

1）通过切割天井二次圈定矿体，进一步明确矿岩分界线，在进一步提高矿石储量精度的同时，又可使回采过程中中深孔采切工程的布置更为准确合理。

2）加强采场地压控制，尽量保证上盘围岩的完好与不受破坏。由于矿山围岩为千枚岩，为片理状结构，在回采过程中存在大面积空场，上盘侧极易发生溃屈破坏，如果出现该情况可以考虑在分段巷道内采用锚杆加锚索联合支护加固上盘，使其形成条状加固带，提高矿体上盘的稳定性，避免回采期间大面积垮落，从而降低回采过程的矿石贫化率。

3）加强出矿管理。由于中深孔爆破，采场内无法进行有效支护，因此应及时回收采场内矿石，避免采场内壁出现大面积地压显现造成废石混入采场，导致大量贫化。

4 结 论

1）利用RFPA2D-SRM强度折减有限元软件对银山矿北山区片理状千枚岩破坏机理进行分析，得出溃屈破坏是银山矿脆性片理状千枚岩主要的破坏形式。

2）正确分析采场地压显现规律与破坏机理，建立合理的围岩稳定性计算分析模型，针对银山矿北山区井下不同用途的巷道采场地压显现规律及破坏机理进行了细致分析。

3）针对银山矿北山区原岩地应力变化规律和破坏机理，提出在井下分段巷道上盘进行锚杆加锚索联合支护加固的支护方式，使其形成条状加固带，提高矿体上盘的稳定性。

[参 考 文 献]

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Analysis on failure characteristics and ground

pressure distribution rule of phyllite in Yinshan Mine

Li Hongpeng1，Chen Qiusong2

（ 1.Yinshan Mining Co. ，Ltd. ，Jiangxi Copper Corporation Limited ;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University ）

Abstract： In underground mining，it ensures safe and effective mining to master ground pressure activity rules in the stope and adopt effective measures of controlling the ground pressure activity.Yinshan Mine adopted sublevel open stope upward medium-long hole caving mining method for stoping.According to the current mining method and ore rock mass occurrence status，RFPA2D-SRM strength reduction finite element software was used to simulate the failure forms of phyllite.The results show that buckling failure is the main form of phyllite failure.At the same time，based on field monitoring data，primary rock stress distribution rule formula was obtained and corresponding ground pressure control measures were put forward.The research results can provide theoretical support and engineering references for the study of stress distribution rules in similar mines.

Keywords： phyllite;numerical simulation;ground pressure control;failure mechanism;buckling failure;ground pressure distribution rule