勐糯铅锌矿采动围岩形变规律与顶板控制数值模拟研究

赵兴昌 凌育丽

摘要：勐糯铅锌矿随着地表资源的日益枯竭，深部开采及复杂矿体的开采成为制约矿山可持续发展的重要因素。并且受上部矿石回采形成空区，破坏原来的平衡应力场。提出勐糯铅锌矿采动围岩形变规律与顶板控制数值模拟研究，对深部回采具有一定的指导意义。

关键词：围岩；稳定性；应力

引言

在金属矿山地下开采中，随着浅地表资源的日益枯竭，深部开采及复杂矿体的开采成为制约矿山可持续发展的重要因素。在矿体采出后岩体内部形成空区，破坏原来的平衡应力场。因此，不平衡的应力必然进行传递和调整，其传递和调整的结果，可能导致围岩应力场的再次处于平衡状态（这正是我们所期望的状态）；另一种可能，由于采动的影响，导致围岩强度降低和松动导致围岩大范围破坏，整体结构失稳。矿体回采后，由于空区的形成，将会破坏原来平衡状态。在采空区周围应力得到释放，下盘紧邻采空区的边界，应力降低。上盘主要为拉应力，上盘围岩的破坏主要受拉应力所致，采空区顶板出现应力集中。

1 中段开采后围岩移动规律

1.1 位移场分析

随着600中段向300中段持续开采，采空区围岩的最大位移值逐渐增大，最大位移点位于紧邻采空区中心的上下盘围岩中，上盘垂直围移分布似鸡蛋形，呈拱形分布向上逐渐减小。矿体底板和紧邻底板的采空区下盘受应力集中的影响，产生一定范围向上位移，最大位移等值线沿着远离采空区的方向呈递减趋势。采空区围岩的水平移动值小于垂直移动值。采空区周围岩体的移动均指向采空区。随着500中段向深部开采，在采空区上下盘围岩中一定范围内产生了大免压拱。

1.2 间柱及顶底柱稳定性分析

由图2-2间柱及顶底柱计算结果图，分析可知：随着600中段开采至300中段，最大位移出现在300中段顶柱部位，最大位移值为3.22cm。从应力分布模拟结果看，开采后最大主应力主要出现在开挖体与间柱、顶底柱接触部位，最大压应力为25 。在间柱与顶底柱连接部位，局部出现拉应力，最大拉应力为2.5 。

从塑性区分布结果来看，随着600中段向深部300中段开采的过程中，上部中段的塑性区开始逐渐往深部转移，在仅留顶底柱及间柱的情况下，下部中段顶底柱及间柱塑性破坏范围较大，因此，在实际生产过程中，最好在采场中根据顶板围岩情况，留不规则点柱，或者采用木垛支护。

（1）最大位移云图 （2）塑性区分布图

（3）最大主应力云图 （4）最小主应力云图

2 留点柱控顶方案采场稳定性分析

勐兴铅锌矿在实际开采过程中仅在采场之间留间柱和各中段间留顶底柱，为了提高模拟精度，在建立模型时考虑了从600中段到300中段，共7个中段作为研究对象，在实际计算时，将网格划分的较密，有利于提高模拟精度，并提出三个方案进行模拟。

方案一：采场内留2mx2m点柱，点柱与点柱之间矿块跨度为6m；

方案二：采场内留2mx2m点柱，点柱与点柱之间矿块跨度为8m；

方案三：采场内留2mx2m点柱，点柱与点柱之间矿块跨度为10m。

2.1 應力分布模拟结果分析

从应力分布模拟结果（图3-1）看，三种方案开采后顶板最大压应力主要出现在顶底柱、间柱与顶板接触部位，三种方案开采后，顶板最大压应力分别为35 、38 、40 ，应力随跨度增加而增大。从最小主应力计算结果来看，方案三的拉应力超出了折减以后岩石本身的抗拉强度值，此时直接顶板容易出现拉破坏，会造成顶板冒落。所以从应力分布结果来看，在留点柱的前提下，点柱间矿块跨度为10m时，直接顶板处于不稳定状态，所以，点柱尺寸为2mx2m时矿块跨度以6-8m为宜。

（1）方案一开采后顶板最大主应力分布 （2）方案二开采后顶板最大主应力分布

（3）方案三开采后顶板最大主应力分布

2.2 最大位移云图结果分析

从最大位移图计算结果来看（图3-2），点柱尺寸为2m，矿块跨度为6m、8m、10m时顶底柱、间柱、点柱覆岩的最大位移分别分别增加，随着深度的增加，最大位移呈线性增加。

（1）方案一开采后顶板最大位移分布 （2）方案二开采后顶板最大位移分布

（3）方案三开采后顶板最大位移分布

随着600中段向深部300中段开采的过程中，当开采至300中段以后，600中段采场内点柱位移最大，逐渐往下，采场内点柱位移逐渐减小，说明在向下开采的过程中，上部空区中点柱破坏较为严重，三种方案的最大位移均出现在600中段的点柱中。说明开采后顶底柱、间柱及点柱主要受压应力。

2.3 塑性区分布模拟结果分析

在对模拟结果分析过程后，从留点柱后三种方案模拟结果可得，方案一矿体开采后塑性区主要出现在300中段，390中段，450中段，500中段及550中段顶柱部位。在500中段偏下位置局部点柱和连续间柱也有少量塑性区出现；方案二将矿块跨度扩大到8m后，350中段到550中段顶柱塑性区越发明显，且间柱及点柱也有大量塑性区出现；方案三开采后整个顶底柱及间柱都处于塑性状态，此时顶底柱、间柱都不太稳定，所以在采场内的点柱最好控制在6-8米之间。从三个方案塑性区分布位置来看，随着开采深度的增加，顶底柱及间柱出现塑性区区域越大。

3 结论

3.1 各中段开采后围岩移动规律分析结论

各中段开采后，600中段采空区围岩最大位移值为1.15cm，最大位移点位于紧邻采空区中心的上下盘围岩中，上盘垂直位移分布似鸡蛋形，呈拱形分布向上逐渐减小；550中段采空区围岩的最大位移值为1.51cm，位于550中段采空区的中心，上下盘围岩的最大位移均呈现拱形分布；500中段采空区围岩的最大位移值为2.01cm，最大位移点出现在500中段和550中段紧邻采空区中心的上盘围岩中，上下盘围岩的最大位移均呈现拱形分布；450中段采空区围岩的最大位移值为2.49cm。390m中段采空区围岩的最大位移值为3.14cm，350中段采空区围岩的最大位移值为4.12cm，300中段采空区围岩的最大位移值为5.18cm，由于采空区中心的下降，最大位移点出现在300中段和350m中段采紧邻空区中心的上盘围岩中，上下盘围岩的最大位移呈现拱形分布。

初始状态下，应力的分布分层现象明显，从上至下应力依次增大，最大压应力为模型底部。矿体开挖以后，由于采空区的存在，破坏了原来的平衡状态。在采空区周围应力得到释放，下盘紧邻采空区的边界，应力降低。上盘主要为拉应力，上盘围岩的破坏主要受拉应力所致，采空区顶板出现应力集中。

3.2 顶板控制的模拟分析结论

⑴ 针对勐兴铅锌矿顶板处于不稳至中等稳固以上的特点，在矿体开采过程中，在采场内留2mx2m的点柱前提下，将矿块间跨度控制在6-8m以内，且随着开采的不断深入，应适当增加间柱及顶底柱的宽度，能保证开采过程顶板的稳定。

⑵ 在矿体开采过程中，除采用留点柱控制顶板的方法进行开采以外，在局部也可采用锚杆护顶，立柱护顶及木垛支护代替点柱等联合支护方案，此方案相对于单独留点柱支撑顶板方案而言，可以大大降低损失率，提高矿石回收率。

综合以上对间柱、点柱、顶底柱及顶板稳定性的分析，从应力、位移、塑性区模拟结果看，认为针对勐兴铅锌矿在矿体开采过程中，应在采场内留2mx2m的点柱，且点柱间矿块的跨度控制在6-8m以内，且随着开采的不断深入，应适当增加间柱及顶底柱的宽度。

参考文献

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（作者单位：云南驰宏锌锗股份有限公司 永昌铅锌公司）