某矿井下开采地压分布规律研究

王辉林，李艳刚，马鸿录，黄生福，欧任泽

(1.西部矿业股份有限公司， 青海 西宁 810000；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

0 引言

工程采动必将影响到围岩体及地表的变形，造成地压分布的改变，在开采活动过程中，地压不断循环“转移—重分布”演化过程[1-3]。采场地压不同于隧道、水电、铁路等地下工程开挖后产生的地压现象，采场地压具有显现剧烈，波及范围大，活动规律难于认识等突出特点。矿山生产过程中，由于井下开采范围不断扩大，开采空间形态极其复杂，随着开采工作的进行，空区规模和形态又不断变化，岩体受到多次重复扰动，原岩应力重分布，部分区域应力集中，呈现出极其复杂的受力状态[4]。采场地压活动从显现区域和影响范围上一般可分为大面积地压活动和局部地压活动两种。大面积地压活动发生时，影响区域和危害性极大，可以影响矿区大部分区域或整个矿区，甚至波及地表，严重破坏生产系统。局部地压活动影响范围小，可能是个别采场或几个采场，也可能是巷道的某一地段，多发生在应力集中区域、矿体转折区段、未处理的采空区及空区周边小区域[5-8]。

由某矿山地质情况可知，矿区内存在断裂构造，且存在滑移，表明矿山存在构造应力作用。因此，矿山的地应力由自重应力场与构造应力场耦合形成。矿山目前未开展地应力测量工作，具体的地应力方向与大小尚不明确。为了解矿山地压的分布情况，本文采用数值模拟方法进行研究，为了使数值模拟结果贴近实际情况，采用数值反演的方法来开展数值模拟。

1 工程概况

1.1 井下开采现状

井下开采为平硐-斜坡道-溜井开拓，开采对象为4～23线1884 m水平以上1号矿体的I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿段，以 11线为界划分为东西两个采区。中段高度为 60 m，具体划分为 2124，2064，2004，1944，1884 m共5个中段，西部采用底柱分段崩落法开采，东部采用充填法开采。

（1）西部开采现状。西部主要采矿地点在2004，1992 m 及 1980 m 三个水平，以 2004 m与1992 m为主要采矿水平。1980 m水平为底部结构，底部结构工程已基本施工完毕，准备施工切割槽；1968 m水平、1956 m水平脉外巷、穿脉基本施工完成，尚未施工凿岩巷；1944 m水平17～19线采用充填法回采了部分高品位矿石；1932 m水平脉外巷及穿脉施工结束，17～19线施工了部分凿岩巷；1920 m水平正在施工脉外巷及穿脉，1920 m水平以下西部无工程。

（2）东部开采现状。东部主要开采中段为1884，1944 m 及 2004 m 三个中段。1884 m 中段目前有 1896 m 水平 3～5线Ⅱ矿体、1920 m 水平 3～7线3#进路及1932 m水平7～9线7-1#穿脉、7-2#穿脉、5-7线+1#、+2#，1～0线Ⅱ矿体未回采，其余矿体基本回采结束。1944 m中段目前有1944 m水平3～5线1#进路至0～5线新沿脉之间的Ⅲ矿体、0～2线Ⅱ矿体、1956 m水平、1968 m水平的穿脉矿柱、1980 m水平3～5线2#矿体及1992 m水平的5～7线Ⅲ部分矿体未回采，其余已全部回采结束。2004 m中段受前期开采、工程布置及民采影响，矿体完整性较差，除2004 m水平7～11线V低品位矿体、2022 m水平7～11线V低品位矿体、1～5线靠近露天边坡Ⅲ矿体、2034 m水平1～5线Ⅲ、V低品位矿体及2046 m水平1～3线少部分矿体未回采外，其余基本回采结束或无法回采。

1.2 现场地压情况

根据现场调查及工程地质资料可知，矿体与围岩原生结构面发育，按照ISRM节理间距的分类方法，矿区白云岩、黑破岩、砂岩和含矿白云岩节理的平均间距均在6～20 cm之间，其发育程度属于密集。随着回采活动的进行，采空区逐渐扩大，在采空区顶板及侧帮岩体的原生结构面普遍出现张开度增大、结构面相互贯通等情况，对采空区稳定性十分不利。目前在2034 m水平的11～13线，2022 m水平的11～13 线，2004 m 水平的 13～15 线，1992 m水平的9线穿脉，1980 m水平的5线穿脉，1968 m与1956 m水平的5与9线穿脉，1944 m水平的3～5线，1932 m水平的7～9线之间的矿岩体地压显现较为明显。为进一步了解开采后的地压分布及发展规律，采用FLAC3D数值模拟软件进行分析研究。

2 地应力数值模拟研究

2.1 建立模型

根据岩体力学参数（见表1）及矿体资料，建立包含矿体、多种岩层与断层的三维数值分析模型，模拟约定拉应力为正，压应力为负，设置X、Y边界及底部边界速度为 0，模型长 1152.43 m，宽886.88 m，高 395.65～1065.10 m。共 1332239 个单元，521062个节点，模型如图1、图2所示，模型中的“byy”代表白云岩，“hp”代表黑破岩，“sy”代表砂岩，“kt”代表含矿白云岩。

表1 岩体力学参数

图1 计算模型

图2 矿体模型

2.2 数值模拟计算结果分析

2.2.1 数值模拟验证

为了解矿体开采过程中地应力转移与重分布的过程，模拟与实际情况相符合的各个水平矿体开采，最终得到地应力集中的区域，为后期矿体安全开采与巷道支护设计提供依据。

图3为最大主应力分布云图及地表变形云图，由图3可知，主应力在地表主要沿着F15断层分布（图中红色长条区域）。由于西部井下采用无底柱崩落法开采矿体，导致上覆岩体垮塌崩落，牵引F15断层西南侧的岩体往西部移动，导致露天坑北部边坡2064台阶在F15断层处错台2.1 m左右。由图4可知，随着井下矿体的开采，地表发生变形、垮塌、崩落及上覆岩土体发生滑坡等现象。上述模拟显现的现象与矿山实际情况相符合，说明数值模拟结果是可靠的，可以依托数值模拟来模拟出此矿山地压分布的规律。

图3 矿山最大主应力分布云图

图4 矿山地表变形区

2.2.2 地应力模拟分析

据现场调查统计，得出了井下巷道、采场严重破碎区域的分布情况，见表2。由于井下矿体的开采，导致地应力发生转移-重分布的演化过程，在井下最直观的体现在巷道片帮、冒顶、挤压变形、采场冒顶、矿柱垮塌等现象。但由于观察区域有限，不能反应矿山整体的地应力分布情况，故采用数值模拟的手段进行分析。图5为最大主应力云图，图中红色区域为井下地应力分布区域，此区域包含了表2统计的部分及更大的地应力分布区域范围，说明地压显现区域分布的基本规律可以通过数值模拟获得。

表2 井下巷道、采场严重破碎的区域

图5 最大主应力云图

由图5及表2可知，红色区域主要受拉应力，其他区域主要受压应力，矿区中最大拉应力为0.79 MPa，最大压应力为6～8 MPa。对比岩体的抗拉与抗压强度可知，白云岩基本不会发生拉压破坏，而黑破岩、砂岩及含矿白云岩岩体很可能发生拉压破坏，尤其黑破岩的抗拉压强度较低，很容易发生破坏，这与井下现场调查的结果相符合。由于黑破岩不能够像白云岩一样承受地应力的作用，容易在临空面发生破碎、垮塌，造成在黑破岩中的巷道很难支护。

由图5与表2可知，现状条件下地应力可能会在以下区域显现：3～5线的1932～2004 m水平、5～9线的1968～2004 m水平及11～15线 2004～2064 m水平。本次模拟针对1992，1980，1968，1956，1944 m及1932 m水平进行地应力模拟分析。

在现状模拟的基础上，开展了后期阶段矿体开采的井下地应力分布规律研究工作。图6为 1992水平开采后地应力云图。由图6可知：整个模型中在采空区附近产生应力集中现象，浅层围岩体以承受拉应力为主，尤其在断层F15附近的岩体以受拉应力破坏为主。应力随深度的增加而增大，开挖之后的空区附近应力变大；受岩性条件影响，在岩层交接部位，应力的扰动较大。地应力可能会在以下区域显现：5～9线的1992～2004 m水平、11～15线1992～2064 m水平及17～19线的2034～2064 m水平。

图6 1992水平开采后地应力云图

图7为1992 m水平开采后1980 m水平矿体地应力分布云图。由图7可知，浅层的围岩体以承受拉应力为主，尤其在断层F15附近的岩体以受拉应力破坏为主。应力随深度的增加而增大，开挖之后在空区附近的应力变大。受岩性条件影响，在岩层交接部位，应力的扰动较大。地应力可能会在以下区域显现：5～9线的 1980～2004 m 水平、9～11线的 1980～2004 m 水平、11～15 线 1980～2064 m水平及17～19线的1980～2064 m水平。

图7 1980水平开采后地应力云图

图8为1980 m水平开采后1968 m水平矿体地应力分布云图，由图8可知，浅层的围岩体以承受拉应力为主，尤其在断层F15附近的岩体以受拉应力破坏为主。应力随深度的增加而增大，开挖之后在空区附近的应力变大。受岩性条件影响，在岩层交接部位应力的扰动较大。地应力可能会在以下区域显现：5～9线的1968～2004 m水平、9～11线的 1980～2004 m 水平、11～15 线 1968～2064 m 水平及17～19线的1968～2064 m水平。

图8 1968水平开采后地应力云图

图9为1968 m水平开采后1956 m水平矿体地应力分布云图。由图9可知，浅层的围岩体以承受拉应力为主，尤其在断层F15附近的岩体以受拉应力破坏为主。应力随深度的增加而增大，开挖之后在空区附近的应力变大。受岩性条件影响，在岩层交接部位、应力的扰动较大。地应力可能会在以下区域显现：5～9线的 1956～2004 m 水平、9～11线的 1980～2004 m 水平、11～15 线 1980～2064 m水平、15～17线的1956～2046 m水平及17～19线的 1956～2064 m 水平。

图9 1956水平开采后地应力云图

图10为1956 m水平开采后开展的1944 m水平矿体地应力分布云图。由图10可知：浅层的围岩体以承受拉应力为主，尤其在断层F15附近的岩体以受拉应力破坏为主。应力随深度的增加而增大，开挖之后采在空区附近的应力变大。受岩性条件影响，在岩层交接部位，应力的扰动较大。地应力可能会在以下区域显现：5～9线的1956～2004 m水平、9～11线的1980～2004 m水平、11～15线1980～2064 m 水平、15～17 线的 1956～2046 m 水平及17～19线的1956～2064 m水平。

图10 1944水平开采后地应力云图

图11为1944 m水平开采后1932 m水平矿体地应力分布云图。由图11可知：浅层的围岩体以承受拉应力为主，尤其在断层F15附近的岩体以受拉应力破坏为主。应力随深度的增加而增大，开挖之后在空区附近的应力变大。受岩性条件影响，在岩层交接部位，应力的扰动较大。地应力可能会在以下区域显现：5～9线的1932～2004 m水平、9～11 线的 1980～2004 m 水平、11～15 线 1980～2064 m水平、15～17线的1932～2046 m水平及17～19线的1932～2064 m水平。

图11 1932水平开采后地应力云图

根据上述各水平开采后的地应力分布分析，矿山在开采过程中应采取以下地压控制措施：严格按照采矿设计进行开采；合理布置巷道及采场；选择合理的回采顺序；减少爆破振动效应；合理规划采矿周期；加强对地压活动的监测；加强采空区治理；加强现场管理工作。

3 结论

（1）数值模拟显示主应力在地表主要沿着F15断层分布，随着井下矿体的开采，地表发生变形、垮塌、崩落及上覆岩土体滑坡等现象，与矿山实际情况一致，说明模拟结果是可靠的。

（2）数值模拟显示矿区中最大拉应力为 0.79 MPa，最大压应力为6～8 MPa，说明白云岩基本不会发生拉压破坏，而黑破岩、砂岩及含矿白云岩岩体很可能发生拉压破坏，尤其黑破岩的抗拉压强度较低，很容易发生破坏，容易在临空面发生破碎、垮塌，造成在黑破岩中的巷道支护困难。

（3）具体分析了各水平开挖后的地应力显现区域，在上水平开采后应严格进行地压控制，建议后期矿山开展地应力测量，完善地应力分布规律的研究工作。