王晓刚 WANG Xiao-gang；李忠洪LI Zhong-hong；赵兴昌ZHAO Xing-chang；刘副强LIU Fu-qiang；岳朝龙YUE Chao-long

（云南永昌铅锌股份有限公司，保山678307）

0 引言

勐糯铅锌矿为地下开采矿山，主要采用留矿法开采，矿体倾角55°～80°，厚度约0.5～2.5m，矿体延深距地表60～900m，矿体南北走向约10km，根据矿体赋存条件主要采用浅孔留矿法，矿块沿走向布置，一般矿块长25m，高50m，间柱宽6m左右，顶柱高4m左右，底柱高4m左右。矿体顶板岩性主要为层纹灰岩，其次为砂岩、含钙千枚岩、千枚岩；底板主要为生物碎屑灰岩、含钙石英千枚岩，其次为层纹灰岩及千枚岩，采场冒落和巷道变形严重。因此，本文通过现场位移监测数据分析结合数值模拟方法，研究矿体开采过程围岩变形特征及应力场演化规律，提出相应的地压控制措施。

1 勐糯铅锌矿地压显现特征及影响因素分析

矿体开采过程岩体应力转移和位移变化是引起地压活动的内在因素，地压活动显现主要特征有地表开裂塌陷、采空区顶板垮塌冒落、巷道变形堵塞等，在工程实践中采矿活动影响岩体稳定性的主要因素有：岩体工程地质条件、水文地质条件、岩石受力特性、采矿方法及开采深度等，勐糯铅锌矿开采地压显现特征及影响因素如下[1][2][3]。

1.1 地表开裂

勐糯矿区地表开裂最早发现在地下开采至740m中段时发生地表开裂，开裂区域主要在60#～68#勘探线出现了地表开裂，裂缝宽度30cm左右，裂缝除开裂外主要显现出东西方向的挫动。在500以下进入深部开采时，通过近两年来地表监测数据发现，并未出现明显的地表开裂裂缝的扩大现象，地表开裂现状见图1，监测地表变形值发现与采深成反比，开采深度对地表沉降的持续时间有待进一步监测。

图1 地表开裂调查图

1.2 采空区垮塌冒落

矿区现有采空区主要分布在250m标高以上，一般单个最大采空区约3000m3。统计釆空区总量约为16.8万m3，大多数采空区上盘围岩自然塌落被充满，根据现场调查，围岩自然塌落无法进入的采空区总量约为13.4万m3。而且当采场顶板存在断层时，岩体稳定性较差，其顶板暴露更易冒落。目前约80%采空区已自然塌落充满，当采空区引起地表岩移时，随回采工作面的延伸及矿脉群疏密程度而有不同表现形式。

1.3 巷道大变形

现有支护形式主要是锚喷网钢架支护，当巷道掘进地下550m中段以下时，遇到很大支护困难，多次返修，围岩的大变形特征表现强烈，表现形式如下，具体见图2：①底臌严重：据测量底臌15天500mm，底膨速度33.3mm/d；②支护锚杆变形严重，钢架压弯、扭坏，钢架装好15天，垂直方向变形约620mm，变形速度41.3mm/d；③炮孔变形严重，炮孔打好后80～120min发生变形，炮孔变成扁圆状；④巷道岩体塑性大变形，水平应力作用下巷道从两帮臌出。

图2 巷道支护变形破坏

巷道围岩表现出低强度强膨胀特性，岩层顶板为砂岩、千糜岩，具有强膨胀属性，在高应力作用下，岩体结构面发生错动，扩容等塑性大变形，巷道结露的顶板地质情况如图3，巷道侧帮地质情况如图4。节理走向与矿体走向和巷道布置方向一致，当岩体受到水平构造应力作用时，岩体临空面水平方向位移明显增大，巷道变形主要原因是岩体条件和地质构造。

图3 巷道顶部岩层走向

图4 巷道侧帮岩层走向

2 变形特征及应力场演化规律研究

2.1 问题的提出及解决方案

对于大范围开采岩体变形和应力场规律研究，目前主要采用数值模拟方法研究，因此，本文通过建立三维数值分析模型，模拟在实际采矿工艺过程中围岩变形、受力状态以及后期扰动蠕变围岩变形情况。具体研究需要解决如下问题及相应解决方案[4][5]。

2.1.1 采空区形成过程对矿区地压活动影响研究通过建立三维采空区实测模型，根据实际开采顺序模拟分析，首先模拟现状条件下地压活动影响，再根据现有采矿工艺及开采顺序，模拟后续开采对地压的活动影响，研究每个采空区稳定性情况以及采空区间相互影响关系。

2.1.2 控制地表开裂并提出现有裂缝治理措施 通过模拟矿体开采过程，分析地表开裂的主要因素及开裂时间，分析不同开采阶段对地表的变形和应力场影响，为研究地表裂缝控制及治理措施提供重要基础。

2.1.3 避免开采对巷道扰动，减少巷道返修次数 通过模拟矿体开采全过程对巷道分析其受力方向和大小，将其结果与实际调查结果进行对比验证，最终确定所有井巷受力三维模型，为支护设计提供重要基础。

2.1.4 地压措施控制措施研究 通过前述研究成果及采空区稳定性论证结果，确定顶底柱和间柱安全合理回采顺序，制定的矿体回收方案及相应的安全技术措施。

2.2 计算力学模型及岩石力学参数

2.2.1 计算力学模型的建立 本文数值模拟计算范围较大，对矿体与巷道模型精度要求更好，因此，通过井上下对照图和各中段地质平面图等实测图纸，采用SURPAC软件建立矿体、地表、巷道实体模型，然后建立细分单元的块体模型，最后导入FLAC3D形成力学计算模型如图5[6]。

图5 计算模型

2.2.2 岩体力学参数确定 岩体力学参数是依据岩石力学参数特性测试结果，并考虑了岩体的结构效应、地下水、节理裂隙等因素，对岩石力学参数按照Bieniawski的RMR岩体质量分类法修正，分别取灰岩、砂岩GSI=55、72。根据Hoek-Brown强度准则，利用Roclab1.0软件进行计算力学参数见表1所示。

表1 岩体力学参数

2.2.3 初始应力场模拟 初始应力场模拟主要考虑重力场，在FLAC3D计算模型中输入表1中岩体力学参数，模拟初始应力场结果如图6。

图6 初始应力云图

3 数值模拟结果分析

计算模型中建立了地表至深部200m中段巷道和矿体模型，模拟矿体实际开采顺序从上至下，中段内先模拟巷道开挖，后模拟矿体开采及矿柱回采，模拟最终至200中段回采结束，回采后矿体内围岩仅留沿脉巷道。模拟计算结束后巷道位移图、最大主应力图、最小主应力图、塑性区图分别如图7～图10。

图7 位移

图10 塑性区

通过对模拟结果位移与应力云图分析，地表变形开裂主要原因为600～860中段开采过程采空区顶板及上盘围岩冒落叠加效应导致的地表不均匀沉降，其次南北方向上下盘水平位移是地表水平方向挫动变形的影响因素。通过各中段水平最大位移数据做位移趋势如图11，从图中可以看出，岩体变形特征主要体现在采场顶板和巷道顶部沉降位移，其次是东西方向围岩水平位移，垂直方向沉降位移是东西水平方向位移的2～3倍，沿矿体走向南北方向岩体水平位移相对很小。500～550m中段区域岩体是上下部围岩变形的分界区域，上下盘围岩位移和顶板沉降位移在550以下中段逐渐变大。数据分析最大300m中段至450m中段处于上下盘位移最大区域，巷道主要变形发生在350～550中段巷道侧帮和底部围岩，其最大主应力1.5MPa左右，压应力释放并出现拉应力产生拉剪破坏[7]。

图8 最大主应力

图9 最小主应力

图11 各中段最大位移趋势图

4 结论

本文通过现场监测、理论分析与数值模拟等方法，研究勐糯铅锌矿开采变形特征及应力场演化规律，并提出相应地压控制措施[8]。

①勐糯铅锌矿区岩体变形特征主要体现在采场顶板和巷道顶部沉降位移，其次是东西方向围岩水平位移，垂直方向沉降位移是东西水平方向位移的2～3倍，沿矿体走向南北方向岩体水平位移相对很小；500～550m中段是上下部围岩变形的分界区域，上下盘围岩位移和顶板沉降位移在550以下中段逐渐变大。860～600中段开采过程是地表裂缝形成主要影响因素。②为控制矿体整体地压活动，在确保系统通风的条件下，采用高强度充填550中段巷道及采空区，形成上下区域50～100m隔离带，可隔离深部采动对浅部岩体的影响。③在局部地压控制方面，由于地质构造影响，实际岩体移动范围更大或地压显现更剧烈。因此，在变形更大和应力集中区域需要设计提前预留一定的采场内间柱，留一定厚度矿体做护顶层，同时须采场内锚杆支护和嗣后充填等方法控制采场局部地压活动。④巷道变形控制方面，由于目前巷道沿脉布置，变形很大，蠕变效应明显，多次返修无果，因此，在目前巷道的东边15m外掘进与之平行巷道，作为主运输巷道，采场两侧50米布置穿脉巷道，大幅度减小采动对运输巷的扰动，对现采矿巷道后退式充填，更好控制采场附近的地压活动。