丁子晨

(内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院, 内蒙古 包头市 014010)

井筒对于矿山而言是极其重要的构筑物,一般会服务于矿山的整个生命周期,是矿山诸多生产活动的必经之路,井筒的稳定关乎矿山提升矿石、运送人员和设备、通风、排水等作业。然而,在深部开采过程中,由于深部矿块回采时常导致井筒变形破裂,给矿山企业造成了不可挽回的经济损失和人员伤亡。因此,分析研究深部开采对井筒稳定性的影响对保障矿山安全生产具有重要意义。

本文以内蒙古某金矿为工程研究背景,通过建立矿山三维数值模型、测定矿山岩体物理力学参数,釆用数值模拟软件FLAC3D模拟矿山32号矿体动态开采过程,分析32号矿体开采对下盘竖井稳定性造成的影响,研究成果对于矿山安全生产和下盘竖井的稳定性评价具有重要指导意义。

1 数值模拟

某金矿位于内蒙古自治区包头市九原区,32号矿体分布于该矿区中部,分布在103#至32#勘探线之间,32号矿体是矿区内的主要开采矿体,32号矿体呈北西走向、南西倾向,矿体长为1750 m,矿体延深大,从地表延深至地下-300 m标高,共延深1100 m,浅部矿体倾角缓,深部矿体逐渐变陡,矿体平均厚度为1.82 m,矿体厚度稳定,平均倾向为215°,倾角由西向东逐渐变陡,平均倾角为50°,矿体和围岩质量良好,矿区岩体较稳定,矿体呈大脉状—似层状产出,矿区工程地质类型属于以半坚硬—坚硬块状岩类为主的中等类型。

该矿山采用平硐-上盘竖井-下盘竖井联合开拓,其中下盘竖井井口标高为＋698 m,井底标高为＋188 m,井深510 m,服务于下部开采中段,下盘竖井设计采用圆形断面,井筒直径为5 m,净断面为19.63 m2,下盘竖井在向下延伸时穿过32号矿体,与32号矿体相交。32号矿体的开采会造成覆岩的塌陷或移动,进而对下盘竖井的稳定性造成影响,因此,本文主要分析研究32号矿体开采对下盘竖井稳定性的影响。

1.1 数值模型

圈定103#至32#勘探线之间的矿体作为本次数值模拟的研究范围,结合矿山工程地质条件、矿体的走向、倾向、延伸、厚度以及采场结构参数等实际情况,并根据井筒和矿体的实际坐标、深度以及相对空间位置关系,运用3DMine-Rhino-FLAC3D耦合建模的方法建立了与该矿地表形态、矿体开采现状、矿体产状相一致的三维矿山模型,并利用Griddle插件对模型进行了细致的网格划分,建立好的矿山三维数值计算模型如图1所示,模型沿Y轴方向长度为1100 m,沿X轴方向长度为1200 m,沿Z轴方向高度为1600 m,模型共有862 616个节点、1 427 207个单元。

图1 矿山三维数值计算模型

1.2 模型边界条件及模拟条件假设

本次模拟将模型的前后两个面设置为Y方向的位移为0,将模型的左右两个面设置为X方向的位移为0,将模型下边界设置为固定边界,将模型地表设置为自由边界,约束好模型边界条件后执行初始应力场平衡,最后清除模型的速度场和位移场[1]。

因为该金矿的岩体是一种弹塑性材料,因此,给矿山三维模型赋予Mohr-Coulomb(摩尔库伦)本构模型关系,将模型中的矿体、围岩均定义为连续的均匀性介质,即各向同性的介质,在数值模拟过程中假设自重力为主要的地应力[2]。

1.3 岩体物理力学参数的确定

合理的岩体力学参数是确保数值模拟计算结果准确的基础,通过室内各项岩石力学试验测定了该金矿各类岩石的各项物理力学参数,再利用广义Hoek-Brown强度准则对室内试验得到的参数进行修正折减,综合分析后得出本次数值模拟计算所需的各项岩体物理力学参数,见表1。

表1 岩体力学参数

1.4 模拟过程

该金矿目前的开采方法为分段空场法,自上而下分中段进行开采,所以结合矿山实际生产方式,模拟矿山分段空场法自上而下开挖188～-300 m之间的32号矿体,共分13步,模拟开挖步骤见表2。

表2 32号矿体开挖步骤

1.5 监测点布置

在下盘竖井周边每个中段布置1个位移监测点,共布置13个竖井位移监测点,测点坐标及编号见表3。

表3 下盘竖井监测点布置

2 数值模拟结果分析

为了分析32号矿体188～-300 m开采对下盘竖井稳定性的影响,利用模拟软件FLAC3D模拟矿山32号矿体动态开挖过程,并根据模拟得到的下盘竖井围岩变形量、应力集中情况和塑性区分布特征,对下盘竖井的稳定性做出评价。

2.1 应力分析

矿山地下开采作业破坏了原岩原始应力场,产生了新的次生应力场[3],当32号矿体188～-300 m开采完成后,下盘竖井围岩的最大主应力、最小主应力分布如图2和图3所示。由图2和图3可以看出,当32号矿体188～-300 m开采完成后,下盘竖井围岩中应力集中现象明显,下盘竖井围岩中应力集中情况由近及远逐渐减小,在远离下盘竖井的地方逐渐恢复原岩原始应力状态。下盘竖井围岩主要受压应力作用,且最大压应力值为118.3 MPa,大于围岩的抗压强度104.7 MPa,证明在开采过程中下盘竖井受开采扰动影响大,围岩稳固性差,易发生变形破坏。

图2 188～-300 m开采后下盘竖井最大主应力云图

图3 188～-300 m开采后下盘竖井最小主应力云图

2.2 塑性区分析

当竖井围岩受力变形超过其自身弹性极限时,就会发生不可恢复的变形,进而形成塑性破坏区,塑性破坏区分布大小反映了竖井围岩的完整性[4],因此,可以将竖井围岩中塑性区的分布大小作为判断竖井稳定性的依据。

当32号矿体188～-300 m开采完成后,下盘竖井围岩中塑性区分布情况如图4所示,根据图4可知,下盘竖井围岩中主要发生了剪切破坏,且范围较大,表明32号矿体188～-300 m开采完成后,下盘竖井围岩完整性差,处于不稳定的状态。

图4 下盘竖井塑性区分布云图

2.3 位移分析

根据《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)中的规定,建(构)筑物的变形量应满足表4中的变形允许值[5]。该金矿下盘竖井属于Ⅰ级保护建(构)筑物,按规定下盘竖井的水平变形量不应超过±2 mm/m倾斜变形量不应超过±3 mm/m,该金矿竖井的直径为5 m,故该金矿竖井的水平变形量不应超过±10 mm,倾斜变形不应超过±15 mm。

表4 建(构)筑物位移与变形的允许值

32号矿体开采过程中下盘竖井水平变形情况如图5所示,由图5可知,32号矿体深部开采过程中,下盘竖井发生较大水平变形,从上往下水平变形量越来越大。下盘竖井698～278 m之间的水平变形小于-2 mm/m,而278 m以下部位水平变形大于-2 mm/m,下盘竖井最大水平变形位于188 m中段,最大水平变形为-2.4 mm/m,超过了规定的下盘竖井水平变形安全许可范围。

图5 下盘竖井水平变形

由图6可知,32号矿体188～-300 m开采过程中,下盘竖井发生倾斜变形的量很小,下盘竖井倾斜变形量在-0.1 mm/m～0.3 mm/m之间,下盘竖井最大倾斜变形量位于698 m中段,整体而言下盘竖井倾斜变形量没有超过规定的倾斜变形安全许可范围。

图6 下盘竖井倾斜变形

如图7所示,在前期的开采中,下盘竖井的变形速率较为平缓,变形量较低,当32号矿体开挖至58 m中段时,下盘竖井的最大变形量位于698 m中段,且最大变形量为-0.55 c m,接下来随着开采深度的增大,下盘竖井的变形速率也逐渐增大,当32号矿体-22 m中段开挖完成后,下盘竖井的最大变形量位于698 m中段,最大变形量为-1.33 c m,当32号矿体-62 m中段开挖完成后,下盘竖井698 m中段和658 m中段最大变形量为-1.53 c m,根据《有色金属采矿设计规范》的规定,下盘竖井最大变形不得超过1～1.5 c m,证明32号矿体开挖至-62 m中段时,下盘竖井的变形量就已经超过规定的安全范围,当32号矿体188～-300 m开采完成后,下盘竖井的最大变形量位于378 m中段,且最大变形值为-3 c m。

图7 下盘竖井位移监测

随着32号矿体开采深度的增加,下盘竖井的变形速率和变形量都不断增加,且超过了安全许可范围,证明32号矿体开采对下盘竖井的稳定性影响较大,下盘竖井稳定性差,易发生失稳变形。

3 结论

(1)下盘竖井围岩中应力集中明显,所受到的最大压应力大于围岩的抗压强度,围岩稳固性差。

(2)从塑性区分布情况来看,在32号矿体开采过程中,下盘竖井围岩发生了较大范围的剪切破坏,下盘竖井处于不稳定的状态。

(3)在32号矿体开采过程中,虽然下盘竖井的倾斜变形量没有超过安全许可范围,但下盘竖井水平变形量超过了规定的安全许可范围,且在开采过程中逐渐变大,下盘竖井的最大变形量位于378 m中段,最大变形值为-3 c m,超过了规定的安全许可范围。