黑牛洞铜矿地应力分布规律及采场结构参数优化研究

邹文

(九龙县雅砻江矿业有限责任公司， 四川 甘孜州 626201)

0 引言

随着矿山开拓、采切、回采作业等采矿工程向深部进行，不同采场结构参数下的地应力直接关系着回采作业安全，地应力分布还决定了采场布置的数量和时空关系。国内多数矿山常采用经验法参考类似矿山不同埋深、不同采场结构参数下的地应力情况[1-2]，但不同矿山的地应力分布受地质结构、岩体力学性质、矿体完整性等多因素的综合影响，直接参照同类矿山数据往往导致实际生产过程中地应力过大，采场失稳破坏，造成人员、设备安全事故及资源的浪费，因此，需要针对不同矿山的特征，科学分析、计算与之相适应的地应力数值，确保采场的稳定性，保障矿山的安全生产[2-3]。

理论分析[4-6]可以通过构建力学模型，分析采场的失稳临界点，从而确定不同采场结构参数下安全合理的地应力分布。相似试验法[7-8]通过构建相似的采场环境，设计不同结构参数采场，直接判断采场的稳定状态及破坏形式，从而给出最佳的地应力分布形态及最大地应力。现场监测法[9-10]则利用监测设备监测井下采场的顶底板沉降等关键数据，通过收集异样数据以判定采场的失稳破坏形态，给地应力规律的研究提供参考。上述方式对于采场地应力的确定起到了积极有效的作用，但由于采场结构参数不同，地应力分布也随之有较大变化，单一方式无法完全还原实际的应力环境，故本文通过3D-σ有限元法[3,11-14]，构建三维模型，模拟采场在不同埋深、不同采场结构参数下的稳固情况，判断最佳的地应力范围，进而保证回采作业中的安全。

1 工程背景

黑牛洞铜矿是川西高品位铜矿山，为典型的露头藏身的隐伏矿体，总体为倾向南西的单斜构造，走向长度约600 m，倾向长度约700 m，埋深为 200～1000 m，属于缓倾斜中厚矿体，地质条件中等[15]。

该铜矿采用房柱法进行地下开采，目前主要生产中段为2995中段、3210中段、3250中段及3295中段。矿体顶板为云母片岩，存在遇水弱化现象，实际生产过程中，由于埋深过大，加之采场结构参数选取未充分考虑地应力分布、采场稳固性差别等因素，导致多数矿房在开采过程中发生顶板及围岩冒落垮塌，造成了较为严重的安全隐患及资源的 浪费，急需探寻地应力分布特征，采取相应的安全措施。

在深部地应力较大及浅部矿体破碎带附近，自拉底巷掘进数米切割上山后，顶部即发生冒落垮塌情况，所留矿房及矿柱难以回收。通过对垮塌采场分析可知，随着埋深的加深，采场的地应力亦随之增大，加之空场法回采后的应力重分布，使得区域内存在较大的地应力，从而导致整个区域矿岩结构应力愈发复杂，继续沿用原结构参数回采将加大上盘矿岩垮塌的风险，难以保证安全作业。因此，需分析该铜矿矿岩物理力学参数，开展采场不同结构 参数下安全地应力的分布范围，确定各中段采场的布置形式，以解决现有采场难以开采的问题。

2 计算分析

本文选用3D-σ有限元分析软件，添加真实的矿岩物理力学参数，基于Hoek-Brown准则，简化构建采场有限元模型并计算，以比较不同埋深和不同采场结构参数下的地应力分布情况，为采矿决策提供依据[15-16]。

2.1 计算方案

选取重点研究矿段，建立不同埋深下的采场模型，分析其稳固性及地应力大小。原始采场结构参数为：一个矿块分为5个采场，采场垂直走向布置，矿房宽度W1为9 m，矿柱为连续条柱，宽度W2为3 m，后期视采场稳固性将条柱扩刷为点柱。基于矿体赋存特征和工程实际，建立埋深H自200～1000 m下不同矿房、矿柱宽度参数的有限元模型，具体比较方案见表1。

表1 采场结构参数数值模拟比较方案

2.2 计算参数选取

根据岩石类型(mi值)、岩体分级RMR值、岩体结构面发育程度GSI值、岩石单轴抗压强度指标 和相关的特征参数，对该铜矿的5种主要岩石进行了力学参数的弱化处理。具体数据见表2。

表2 弱化处理后的岩体力学参数

2.3 计算模型

（1）由于开采过程为采二留一，为确保分析模型的准确性，建立尺寸为开采范围4～5倍的单元模型，矿体模型走向方向为350 m，垂直矿体走向上为400 m，矿体高度为200 m，即计算模型的尺寸为400 m×350 m×200 m。

（2）模型边界约束。计算模型顶部主要受上部矿岩的均布荷载，具体大小与矿体埋深有关：σv=λ×h，λ为岩体密度，h为埋藏深度。根据矿岩的物理力学性质，分析软件可根据表1中参数自动施加侧压力，从而完成计算模型的边界约束，具体模型见图1。

图1 带约束条件的力学模型

（3）网格划分。网格的划分是保证有限元模 型计算准确的重要因素。较大网格参数往往会导致计算结果难以贴近真实情况，而过密的网格也会增加软件的计算时间，故本文采用20节点的高精度等参单元离散模型网络。整个模型共有12 017个单元，划分好的网格的单元模型见图2。

图2 有限元计算模型初始单元网格

（4）岩体力学参数及屈服准则。岩体力学参数取值见表2，采用岩土工程领域广泛使用的Drucker-prager塑性屈服准则。

（5）模型开挖。在计算模型开挖前，录入初始条件，完成初始应力的计算，然后模拟条柱间矿房的开挖，从而分析矿房采场及矿柱的应力分布和稳定情况。

3 模拟结果分析

数值模拟不仅可以模拟房柱法的整个开采过程，还能实时记录自开挖前至开挖后的应力变化，从而给出岩体各个方向应力的持续变化情况，由此判断采场失稳破坏的时刻及应力大小，提供采场失 稳破坏的具体特征及不同埋深、不同采场参数下的地应力规律。由于岩体的抗压强度＞抗剪强度＞抗拉强度，且现场调查发现，该铜矿矿房采场主要受拉破坏，选择最大抗拉强度作为矿房采场失稳的主要判断依据，最大抗压强度作为条柱的主要判断依据，并以此时的地应力作为该埋深下不同结构参数的最大地应力。

3.1 方案A-方案D数值模拟计算结果

方案A-方案D的数值模拟计算主要用于分析现有采场结构参数下采场的受力情况，验证数值模拟的数据结果与实际破坏情况是否一致。建立W1为9 m，W2为3 m的单元模型，施加埋深在200～800 m下的地应力，计算不同埋深条件下的拉应力、压应力、剪应力，计算结构见表3。根据应力分布云图，判断采场的破坏失稳位置，以验证结果的准确性。因篇幅限制，本文仅给出方案A的模拟结果，见图3。

图3 方案A（埋深200 m）模拟计算结果

各方案随埋深变化的最大拉应力、压应力曲线见图4。结合模拟数据及应力变化可以看出，随埋深增加，模型的三向应力均随之增大。

图4 现有参数下采场围岩最大压/拉应力随埋藏深度变化曲线

（1）从表3可以看出，采场埋深位于200 m时，顶板区域的拉应力大于矿石抗拉强度（0.568 MPa），采场顶板出现失稳区域，但小于围岩的抗拉强度（1.355 MPa），因此顶板拉伸破坏区域不会与围岩连接贯通，空场不会发生大面积冒落事故，局部区域采用锚网支护可以保障采场的安全开采。条柱的压应力未超过其抗压强度，故矿柱无失稳风险，为后续的扩刷等提供了较为安全的作业条件。

表3 方案A-方案D的模拟计算应力值结果/MPa

（2）采场埋深位于400 m时，空场、条柱的应力值均已超过矿岩的最大强度值，采场处于危险状态，可能会发生空区大面积冒落，支护失效，条柱会发生崩角、开裂等情况，现有结构参数下，采场地应力较大，难以安全开采400 m及以下埋深的矿体。

综上分析，选用矿房9 m宽，条柱3 m宽的采场结构参数模型，模拟结果与实际相符。同时，现有结构参数下，采场地应力分布较差，难以适用于深部的采场开采。为保证井下采场地应力分布的均匀性及采场的安全稳固，在开采200～300 m埋深的矿体时宜选用该参数，但需注意局部失稳区域，并增加该区域的支护措施。

3.2 方案E-方案H数值模拟计算结果

结合方案A-方案D的模拟结果，减小矿房采场的宽度，建立矿房宽度为7 m、矿柱宽度为3 m的单元模型，分析中上部矿段采场的稳固性情况，判断不同埋深下的地应力分布及各方案具体破坏程度，方案E-方案H的应力状况见表4。

表4 方案E-方案H的模拟计算应力值/MPa

各方案随埋深变化的最大拉应力、压应力曲线见图5。由图5可以看出，埋深超过400 m后，采场及顶底柱的应力增加趋势扩大，进一步验证埋深增加会伴随着地应力的非线性增大。

图5 中上部矿段采场围岩最大压/拉应力随埋藏深度变化曲线

（1）减小了矿房采场的宽度后，空区顶板的 拉应力小于围岩的抗拉强度，但超过了矿体的抗拉强度。与方案A类似，采场局部区域发生失稳破坏，存在冒顶情况，但由于缩小了采场宽度，采场顶部的拉应力明显小于方案A（1.213 MPa），故失稳区域较小，安全风险较低。同样的，条柱地应力分布相对较好，其压应力未超过矿石抗压强度，采场处于稳定状态。

（2）当采场埋深达到400 m时，可以看出采场拉应力（1.657 MPa）超过矿岩的最大抗拉强度，采场稳定性大幅下降。因为矿柱的压应力未超过抗压强度，此时位于400 m埋深下开采生产仍可接受，但周边地应力分布较大，需增加相应的支护措施，避免采场的大面积失稳。

（3）当采场埋深超过600 m时，采场地应力分布较差，采场顶板、矿柱所受应力均超过了失稳的临界值，空区将发生大面积垮塌，矿柱出现大裂纹，难以支撑两侧空区。

综上所述，当将矿房宽度缩短至7 m时，采场地应力有了一定的改善，但结合矿岩特性，其地应力在200～400 m范围内有较好的分布，拉应力、压应力均未超过破坏的临界值，采场可以稳定开采。局部地方岩性较好时，可以在500 m埋深下开采。中下部及深部矿体的安全开采仍需进一步调整参数，以调整地应力分布。

3.3 方案I-方案L数值模拟计算结果

根据上述分析，矿柱宽度为3 m，埋深位于400 m时，采场失稳，矿柱局部破坏情况较为明显，故将条柱宽度扩大至5 m，选用7 m宽矿房和5 m宽条柱的采场结构，以控制井下地应力。为提高研究效率，仅研究模拟分析埋深为400～1000 m的采场，具体结果见表5。

表5 方案I-方案L的模拟计算应力值/MPa

（1）由于增加了矿柱的宽度，矿房采场的应力分布有了明显的改善，当采场埋深位为400 m时，采场顶板的拉应力（1.111 MPa）虽超过了矿石的抗拉强度，但小于围岩的最大抗拉强度，仅发生局部冒落，且矿柱能较好的维持稳定。可以确定，该采场参数下的采场各应力分布相对均匀合理，采场可安全开采。

（2）当采场埋深位为600 m时，采场顶板的拉应力达到1.670 MPa，矿柱内的压应力为34.873 MPa，拉压应力均超过矿岩的极限强度，井下地应力状况较差，存在采场出现大面积破坏失稳的风险。

（3）而当采场埋深为600 m时，空场顶板及矿柱的压、拉应力均超过了矿岩的极限强度值，此时开采已经难以保证采场的稳定。特别地，当埋深超过800 m时，模型的应力分布进一步恶化，矿房7 m +矿柱5 m的采场结构将出现“即掘即垮”的现象，无法安全开采。

图6 中下部结构采场围岩最大压/拉应力随埋藏深度变化曲线

综合分析认为，设计矿房7 m +矿柱5 m的采场结构参数，其采场地应力仅允许在400～600 m埋深下进行开采活动。由于房柱法回采时，工人需暴露在空场下作业，当埋深达600 m时，上述结构参数仍会造成采场的局部失稳，对于矿岩不稳固的厚大矿段，地应力分布更差，需做好支护加固工作或更改采场结构参数。

3.4 方案M-方案P数值模拟计算结果

为高效安全地回采深部矿体，改善深部采场的地应力分布情况，进一步缩小矿房宽度，选用5 m矿房+5 m条柱的结构参数模拟深部矿体的采场开采稳定性，建立相应的有限元模型，模拟400～1000 m埋深下采场的稳固状态，具体结果见表6。

表6 方案M-方案P的模拟计算应力值/MPa

由图7可知，采场顶底板及留设的条柱所受的应力均随埋深的增加而增大，当矿体埋深超过400 m时，应力增幅扩大。由此可知，深部矿体所处地应力环境较为复杂，合理的采场结构参数是保障安全生产的重要因素。

图7 深部矿体结构采场周岩最大压/拉应力随埋藏深度变化曲线

（1）从模拟结果可知，当矿房宽度变为5 m后，矿柱支撑空区的能力大幅增加，矿体埋深位为400 m时，采场顶部未出现失稳破坏区域，此时采场处于十分稳定的状态；当增加矿体埋深至600 m时，采场应力分布情况明显优于方案J及方案K，采场顶板的拉应力略微超过矿石的最大抗拉强度，远小于围岩的抗拉强度，局部区域会因拉伸破坏而造成小范围冒落，采用普通的锚网支护能有效控制采场顶板，确保生产的安全。

（2）而当采场埋深为800 m时，采场顶部的拉应力（1.004 MPa）远高为600 m埋深时的应力（0.783 MPa）。同时，矿柱所受压应力超过矿石的单轴抗压强度（32.794 MPa），此时矿柱会发生压缩破坏，产生纵向裂缝，但由于采场顶部应力未超过围岩的极限抗拉强度，采场不会出现大面积的冒落现象，需加强失稳区域的支护工作，以保证采场的稳定性。

（4）当采场埋深为1000 m时，受矿体埋深的影响，采场及矿柱所受的地应力进一步增加，矿柱破坏情况加剧，但采场顶板抗拉强度仍未超过围岩最大抗拉强度，两侧采场稳固性进一步恶化。总体而言，采场仍处于稳固状态，但支护成本增加。

矿体埋深超过600 m后，地应力进步增加，采场面临较大的地应力，需严格控制采场的暴露空间。采用矿房5 m+矿柱5 m的采场结构后，采场地应力分布大为改善，拉、压应力值明显优于7 m及9 m的采场结构方案。

4 结论

综上分析，采场安全开采的影响因素众多，其中最为重要的为矿体的埋藏深度。埋深的大小直接影响矿体周边的应力环境，不同采场结构参数下，其能承受的地应力大小也不尽相同，数值模拟分析，结果表明，随着埋深的增加，采场的最大拉压应力等关键数据均随之增大。具体结论如下：

（1）大矿房小矿柱结构参数所能承受的地应力较小，以矿岩的最大抗拉强度为破坏标准，矿体埋深小于200 m时，9 m+3 m的采场结构参数较为合理，采场可安全回采；

（2）当矿体埋深介于200～400 m时，矿体地应力增加，7 m+3 m的采场结构在能承受地应力的同时，可最大限度地开采矿石；

（3）埋深超过400 m后，地应力进一步增加，此时需进一步增加矿柱宽度，7 m+5 m的采场结构较为适宜于中下部矿段的开采；

（4）矿体向深部延伸时，采场地应力较大，较小的采场参数难以保证矿石的安全开采，针对其地应力特征，宜选用5 m+5 m的采场结构，为避免地应力过大而发生采场失稳破坏，需严格控制采场暴露空间，加强顶板管理，以控制地应力，达到安全开采的目的。