采场开采顺序与采场稳定性研究

2021-12-27夏长念

世界有色金属 2021年18期

夏长念

（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

随着我国采矿技术的发展和探矿工作的重大突破，一大批大规模的地下矿山进入了实质性开发阶段。为有效保护环境，大多数矿山均采用了充填法开采，为了提高产能，降低生产成本，矿山均优先选用大直径深孔采矿法[1-3]。但该方法同时也会因为更大空间的暴露，易导致空区失稳引起较大的生产和安全事故[4-5]。因此，开展开采过程中的采空区稳定性分析、加强采空区管理十分重要。

当前数值计算方法成为了研究采空区稳定问题的主要方法。可以通过输入矿岩体物理力学参数、地应力参数和开采条件等，通过数值模拟软件能够进行直观进行应力场、位移场分析，从而对前期推荐的开采参数进行验证分析，得到围岩变形破坏的分析结果[6]。

1 项目简介

该矿的成矿岩体为花岗斑岩，具有典型的斑状结构。该矿床主矿体只有一个，是本矿床中规模最大的矿体，占总金属资源量的99%。设计采用主井、副井+辅助斜坡道的开拓系统，生产规模为1000万吨/年，采矿方法为大直径深孔空场嗣后充填法，采场空区采用全尾砂高浓度胶结充填，首采中段为-450m中段，距地表深度约800m。

2 原岩应力测量

2.1 主井工勘钻孔地应力测量

主井工勘钻孔孔口标高为+378.14m，孔底标高为-650.15m，钻孔深度为1028.19m。现场对获得的9段有效压裂曲线进行了初步分析和筛选，选取了4个压裂段进行印模试验，以确定钻孔最大水平主应力方位。4个印模试验段深度分别为：464.00m、494.45m、502.00m和565.00m。主井钻孔水压致裂地应力测量压裂参数和主应力值计算结果见表1。

表1 主井工勘钻孔地应力测量主要参数及计算结果

2.2 1#进风井工勘钻孔地应力测量

1#进风井工勘钻孔孔口坐标为397.012m，孔底坐标为-490.038m，孔深887.05m。根据钻孔岩芯观察结果，选择了20个深度段作为水压致裂测试的预选段。现场测试工作自上而下依次进行。总计获得了8个测段的有效测试数据，具体测段深度及测试结果见表2。

表2 1#进风井工勘钻孔水压致裂地应力测量结果表

2.3 2#进风井工勘钻孔地应力测量

2#进风井工勘钻孔孔口坐标为+283.226m，孔底坐标为-456.314m，孔深739.54m。通过试验，累计在该钻孔458m深度以上进行了压裂试验13次，获得有效测量曲线12段，为确定该孔主应力大小提供了翔实可靠的基础数据。2#进风井钻孔水压致裂地应力测量压裂参数和主应力值计算结果见表3。

表3 2#进风井钻孔水压致裂地应力测量结果

3 岩石力学性质

顶部围岩覆于矿体之上，矿体中心部位厚度较小，一般200m～350m，最小地段不足200m，向四周厚度渐增，至矿体外围与底部围岩连为一体，没有明确的分界线。岩性为黄铁绢英岩化正长岩及蚀变较强二长花岗岩等。岩石破碎，性脆，裂隙较发育，尤其闭合状隐形细裂纹发育，锤击易碎裂。钻孔RQD值4.7%～78%不等，平均48.6%。岩石单轴天然抗压强度81.6～183.1MPa，平均为106MPa。岩石完整性稳定性均较差，变化较大，与矿体直接接触构成矿体直接顶板。对矿山开采有较大的不利影响。

含矿带为蚀变正长岩及花岗岩，总体呈筒状，埋藏较浅的矿体裂隙发育，破碎，完整性稳固性较差。随埋藏深度的增加矿石完整性越来越好，深部矿石裂隙被后期蚀变矿物充填愈合程度很高，RQD值46.0%～94.2%，平均RQD为80.6%。矿石单轴天然抗压强度97.7～166.4MPa,平均为141.5MPa，属坚硬岩石，矿体的完整性、稳定性总体较好。

由于埋藏深度较大，岩石裂隙多被充填愈合，RQD值一般大于80%，钻孔平均RQD值为90.3%，岩石质量属极好的。矿石单轴天然抗压强度84.2～165.5MPa,平均为128.8MPa，属坚硬岩石，岩石完整性、稳固性均很好。

矿岩石及岩体质量分级见表4所示。

表4 岩石及岩体质量分级表

4 模型建立

建模范围：走向长1200m，垂直走向600m，高度700m，模型参数及开采范围见表5，模型见图1。

表5 模型参数表

图1 开采数值模拟模型

5 计算参数

本次数值模拟的参数主要依据地质报告并参考其他矿山选取，计算中采用的矿岩力学参数见表6。

表6 计算中采用的岩体力学参数表

计算中原岩应力根据地应力测量研究报告成果选取，其规律如下：

6 计算方案及结果

6.1 计算方案

按照采矿工艺方案进行模拟开挖，开挖的矿房高度为100m，矿房大小为40m×40m。模型开挖顺序见图2。

图2 采场回采步骤示意图

6.2 计算结果

为了方便了解每步开采后围岩的应力及塑性区拉应力区状态，计算中选取了三个垂直剖面I-I、II-II、III-III及一个-400m水平面，垂直剖面位置见图2。

（1）第一步采场开挖

开采第一步采场后，II-II剖面最大、最小主应力分布见图3和图4，塑性区拉应力区分布见图5。图3中浅蓝色区域为应力增大区域，主要分布在顶、底板应力释放区后部，最大主应力为35MPa。图4最小主应力分布中黄色区域为应力释放区，最小主应力为-0.178MPa，在该剖面上没有出现拉应力。图5反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区。

图3 开采第一步采场II-II剖面最大主应力分布

图4 开采第一步采场II-II剖面最小主应力分布

图5 开采第一步采场II-II剖面塑性区拉应力区分布

开采第一步采场后，采场中部-400m平面最大、最小主应力分布见图6和图7，塑性区拉应力区分布见图8。图6中浅蓝色区域为应力增大区域，两边的采场应力集中区域分布在角落处，中间采场应力集中区分布在应力释放区后部，此剖面上最大主应力为37.98MPa。在图7最小主应力分布中，采场周围应力释放区很明显，在中间的采场侧壁有个别单元出现拉应力（图7中浅黄色区域），最大拉应力为0.059MPa。图8反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区。

图6 开采第一步采场-400m平面最大主应力分布图

图7 开采第一步采场-400m平面最小主应力分布图

图8 开采第一步采场-400m平面塑性区拉应力区分布图

（2）第二步采场开挖

开采第二步采场后，II-II剖面最大、最小主应力分布见图9和图10，塑性区拉应力区分布见图11。图9中浅蓝色区域为应力增大区域，主要分布在采场的四个角落处，最大主应力为35.4MPa。图10最小主应力分布中局部单元出现拉应力，最大拉应力为0.03MPa。图11反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区。

图9 开采第二步采场II-II剖面最大主应力分布图

图10 开采第二步采场II-II剖面最小主应力分布图

图11 开采第二步采场II-II剖面塑性区拉应力区分布图

开采第二步采场后，采场中部-400m平面最大、最小主应力分布见图12和图13，塑性区拉应力区分布见图14。图12中浅蓝色区域为应力集中区域，采场应力集中区域分布在角落处，此剖面上最大主应力为35.77MPa。在图13最小主应力分布中，采场周围应力释放区很明显，在采场侧壁有个别单元出现拉应力（图13中浅黄色区域），最大拉应力为0.374MPa。图14反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区。

图12 开采第二步采场-400m平面最大主应力分布图

图13 开采第二步采场-400m平面最小主应力分布图

图14 开采第二步采场-400m平面塑性区拉应力区分布图

（3）第三步采场开挖

开采第三步采场后，I-I剖面最大、最小主应力分布见图15和图16，塑性区拉应力区分布见图17。图15中浅蓝色区域为应力增大区域，主要分布在采场的四个角落处，最大主应力为37.7MPa。图16最小主应力分布中采场侧壁局部单元出现拉应力（图中浅黄色部分），最大拉应力为0.305MPa。图17反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区，浅绿色区域为曾经出现拉应力的区域。

图15 开采第三步采场I-I剖面最大主应力分布图

图16 开采第三步采场I-I剖面最小主应力分布图

图17 开采第三步采场I-I剖面塑性区拉应力区分布图

开采第三步采场后，采场中部-400m平面最大、最小主应力分布见图18和图19，塑性区拉应力区分布见图20。图18中浅蓝色区域为应力集中区域，采场应力集中区域分布在采场原岩的角落处，此剖面上最大主应力为38.68MPa。在图19最小主应力分布中，采场周围应力释放区很明显，在采场侧壁有个别单元出现拉应力（图19中浅黄色区域），最大拉应力为0.599MPa。图20反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区，浅绿色区域为曾经出现拉应力的区域。

图18 开采第三步采场-400m平面最大主应力分布图

图19 开采第三步采场-400m平面最小主应力分布图

图20 开采第三步采场-400m平面塑性区拉应力区分布图

（4）第四步采场开挖

开采第四步采场后，III-III剖面最大、最小主应力分布见图21和图22，塑性区拉应力区分布见图23。图21中浅蓝色区域为应力增大区域，主要分布在采场侧壁角落处及底板角落，最大主应力为39.21MPa。图22最小主应力分布中浅黄色部分为最大的应力释放区，在此剖面上没有出现拉应力。图23反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区。

图23 开采第四步采场III-III剖面塑性区拉应力区分布图

开采第四步采场后，采场中部-400m平面最大、最小主应力分布见图24和图25，塑性区拉应力区分布见图26。图24中浅蓝色区域为应力集中区域，采场应力集中区域分布在采场的四个角落处，此剖面上最大主应力为37.62MPa。在图25最小主应力分布中，采场周围应力释放区很明显，在采场侧壁有个别单元出现拉应力（图25中浅黄色区域），最大拉应力为0.193MPa。图26反映了采场周围的塑性区拉应力区分布，图中浅蓝色区域为最终的剪切塑性区，仅出现在第四步开采角落的二个采场围岩中。