深部高应力矿柱应力隔断帷幕的卸荷效应研究_于世波.pdf

收稿日期2020-02-15 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0602904， 2016YFC0600709） 。 作者简介于世波 （1985） ， 男， 高级工程师， 博士研究生。通讯作者杨小聪 （1965） ， 男， 所长， 研究员， 博士研究生导师。 深部高应力矿柱应力隔断帷幕的卸荷效应研究 于世波 1， 2， 3 杨小聪 1， 2， 3 王志修 2， 3 原野 2， 31 （1. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 2. 北京矿冶科技集团有限公司， 北京 102628； 3. 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心， 北京 102628） 摘要应力隔断帷幕是实现深部高应力岩爆隐患型矿柱主动卸荷的重要对策之一， 仍存在卸荷效应不清 晰、 卸荷效果缺少定量化评价等问题。以会泽铅锌矿采矿实践为工程背景， 应用数值模拟技术， 研究了应力隔断帷 幕实施前后的应力场、 变形场和岩爆应力风险指标的变化特征。研究结果表明 基于应力隔断帷幕的底柱采场卸 荷， 并没有使应力消除或消失， 而是改变了应力的传递路径， 使应力集中远离目标开采区域， 从而实现了对目标开 采区域的 “卸荷” 。应力隔断帷幕实施后的上盘与下盘变形量增幅明显， 变形能得到了快速释放， 起到了对高应力 底柱的有效卸荷作用。应力隔断帷幕的实施大幅度降低了底柱的岩爆应力风险指标， 岩爆事件发生的概率和量级 大幅度降低。研究方法与结果为类似条件下的深部高应力矿柱的安全开采提供了技术支撑。 关键词深部高应力矿柱应力隔断帷幕卸荷效应数值模拟岩爆应力风险指标 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-008-05 DOI10.19614/ki.jsks.202008002 Research on the Destress Effect of Stress Curtain to Highly-stressed Pillar at Depth Yu Shibo1， 2， 3Yang Xiaocong1， 2， 3Wang Zhixiu2， 3Yuan Ye2， 32 （1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. BGRIMM Technology Group， Beijing 102628， China； 3. National Centre for International Research on Green Metal Mining， Beijing 102628， China） AbstractThe stress curtain is one of the important countermeasures to realize the active destress of deep highly- stressed pillars which may suffer from rockbursts，however，there are still such problems as unclear destress effect and lack of quantitative uation for destress effect． Taking the mining practices at Huize lead-zinc mine as an engineering back⁃ ground and applying numerical modelling techniques，the variation characteristics of the stresses，deation field，and the rockburst index of stress hazard before and after the implementation of the stress curtain were studied． The research results show that the destress to the sill pillar based on the stress curtain does not eliminate or disappear the stress，but changes the transmission path of the stress and makes the concentrating stresses away from the target mining area，thus achieving destress to the target mining area． After the implementation of the stress curtain，the deations of the hanging wall and footwall increased significantly，and the deation energy could be quickly released． It plays an effective role in the destress to the highly-stressed sill pillar． The implementation of the stress curtain has greatly reduced the rockburst index of stress hazard for the sill pillar，and the probability and magnitude of rockburst events have been greatly reduced． The re⁃ search and results provide technical support to realize the safe operation of highly-stressed pillars at depth under simi⁃ lar conditions． KeywordsHighly-stressed pillar at depth，Stress curtain，Destress effect，Numerical modelling，Index of rockburst stress hazard 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 南非、 加拿大等几个国家已经进入深部高应力 开采阶段 ［1-3］， 我国随着会泽铅锌矿等一批矿山转向 深部开采， 中国硬岩矿山已经逐步进入深部开采阶 段。深部开采中岩爆是硬岩矿山最主要的灾害之 一 ［4-6］， 已有实践记录表明岩爆已经给安全生产造成 巨大威胁。其中在采场尺度层面， 微震监测结果显 8 ChaoXing 示诸多矿块开采末期遗留的8～12 m厚的顶底柱因为 储存的高能量与高应力导致岩爆发生频次多、 量级 大 ［3］， 已成为矿山开采的 “硬骨头” 。针对这一问题， 通过技术手段降低高应力矿柱赋存的高应力、 并实 现高应力矿柱的主动卸荷是重要的对策措施。 Andrieux等提出了基于堵塞式卸荷爆破孔制造应力 隔断帷幕的方式对高应力矿柱实现卸荷以及应力隔 断帷幕实现卸荷的解析评价方法 ［7-10］， 从而降低高应 力矿柱回采过程中的岩爆事件量级， 但应力隔断帷 幕实施后对于高应力矿柱卸荷程度欠缺清晰的定量 化评价。 本项目以会泽铅锌矿采矿实践为背景， 采用数 值模拟方法， 研究应力隔断帷幕实施前后的应力场、 变形场和岩爆应力风险指标的变化特征， 从而揭示 和量化应力隔断帷幕对于高应力矿柱的卸荷效应， 为深部高应力矿柱的安全高效回采奠定理论基础。 1应力隔断帷幕模拟实现 1. 1工程背景 会泽铅锌矿目前的开拓水平已经到达1 500 m埋 深， 深部高应力岩爆现象已经在竖井掘砌和1 274 m 水平 （埋深约 1 120 m） 时逐步显现， 因此， 预测到 1 500 m埋深时中段间的顶底柱应力水平会较高， 导 致更为严重的灾害现象。因此， 必须对顶底柱采取 必要的卸荷措施。 深部岩体为陡山陀组白云岩， 单轴抗压强度为 178.20 MPa， 岩体结构较为完整， 岩体质量RMR值为 63， 属于典型的高硬、 高强、 高脆性岩体。根据北京 矿冶科技集团有限公司在矿山厂1 274 m水平 （埋深 1 120 m） 开展的地应力测量， 推测894 m水平地应力 值大小 σ184.7 MPa、 σ254.0 MPa、 σ344.6 MPa， 最 大主应力方向为 N73.6W。本次研究以 894 m水平 的地应力水平为基准开展模拟分析。 根据会泽铅锌矿的开采情况， 标准设计分段高 度为12 m， 本次模拟考虑在上下中段开采时最后残 留的12 m高度底柱作为应力隔断帷幕对高应力矿柱 卸荷的研究对象。 1. 2应力隔断帷幕假设 根据已有的研究 ［7-9］， 对高应力矿柱进行卸荷是 在矿体与上下盘接触面附近采用堵塞式密集排孔预 先爆破方式， 使得孔内岩体产生破坏形成连通从而 形成应力无法传递的隔断帷幕， 这一过程中存在部 分炮孔仍有破坏后碎石挤压现象， 但破坏后碎石无 法传递应力， 因此， 本次模拟将应力隔断帷幕等效为 人工岩体切缝进行研究。 1. 3工程地质力学模型 建立的工程地质力学模型容纳 2 个阶段， 高度 60 m， 2个阶段同时由下向上回采， 中间设置底柱采 场， 高度12 m。建立的模型长宽高240 m130 m330 m。为了简化模拟程序， 本次在底柱采场的 下盘设置应力切缝帷幕， 切缝帷幕模拟宽度为0.5 m， 长度覆盖整个底柱采场的走向长度， 高度为底柱采 场的斜向高度， 如图1所示。模型计算采用的FLAC3D 中设置的Mohr-Coulumn本构模型。计算所用的岩体 物理力学参数如表1所示。 2应力隔断帷幕的卸荷效应 根据已建立的应力隔断帷幕的数值模型， 分析 上下中段回采完毕后底柱应力在实施隔断帷幕前后 的应力场、 变形场和岩爆应力风险的变化特征， 从三 个方面综合评价应力隔断帷幕对于高应力底柱的卸 荷效应。 2. 1应力场的变化 在上下阶段回采完毕后， 受到深部高应力的影 响， 在底柱采场产生明显的应力集中现象， 如图2 （a） 所示。形成的最大扰动主应力值达到172.2 MPa， 约 为初始最大主应力值的2倍， 应力集中最明显的区域 在底柱采场， 底柱成为连接上、 下盘应力传递的主要 通道。因此， 底柱回采时将面临极高的应力风险。 通过图2 （b） 可以看出， 在下盘区域采用隔断帷 2020年第8期于世波等 深部高应力矿柱应力隔断帷幕的卸荷效应研究 9 ChaoXing 幕后， 底柱应力水平明显降低， 应力主要转移到上阶 段顶柱、 下阶段的底柱区域中， 在这2个位置的应力 水平由卸荷前的90 MPa增高到138 MPa； 同时可以看 到， 应力转移的另一个去处为相邻的采场区域， 该区 域的应力水平提升到162 MPa。虽然这些应力增高 区域应力水平值较高， 应力风险较大， 但是， 由于其 远离研究区域底柱采场， 因此， 底柱采场回采时的安 全性大大提高。同时可以看出， 底柱采场中的卸荷 并没有使应力消除或消失， 而是通过技术措施， 改变 了应力的转移路径， 使应力集中区域远离了对象区 域， 从而实现了对目标开采区域的 “卸荷” ， 即采场尺 度上的卸荷是对所研究目标采场的卸荷。 结合图3选择的上、 下盘不同位置的最大扰动主 应力值变化可以看出， 隔断帷幕实施后， 上、 下盘最 大主应力值发生了大幅度的下降， 下降幅度大于 20， 下降应力值均大于13 MPa， 可见应力隔断帷幕 对于底柱采场的卸荷效果显著。若在上、 下盘布置 钻孔应力计完全可以捕捉到一次成功的应力隔断帷 幕实施前后相对应力值的变化， 这为深部卸荷监测 措施的实施提供了理论支撑。 2. 2变形场的变化 原岩矿柱作为重要的支撑结构， 在开采浅部区 域地压控制中发挥了积极的作用， 其主要的作用是 能够控制上、 下盘的相对移动变形， 如图4 （a） 所示。 可以看出， 在底柱采场支撑作用下， 将上下阶段明显 分割成2个变形单元， 底柱采场的水平变形量微小。 当采取隔断帷幕后， 切断了底柱采场对上、 下盘围岩 的支撑作用， 上下阶段之间的变形呈现明显的连续 性。通过图4 （b） 以及图5可以看出， 隔断帷幕不但对 下盘变形的影响巨大， 同时对于上盘的影响同样较 大， 尤其是距离矿体20 m左右的上、 下盘区域变形量 仍然较大， 隔断帷幕前后的变形差值在1 cm左右， 隔 断帷幕实施后比实施前的变形量提高了16以上， 变 形量的急剧增加代表了变形能的快速释放， 从而起到 了对底柱有效卸荷的作用。现场实践时可以通过在 上、 下盘布置多点位移计捕捉应力隔断帷幕实施前后 不同位置的变形量来判断隔断帷幕的卸荷效果。 2. 3岩爆应力风险的变化 高应力岩爆发生的可能性及其风险评价有许多 金属矿山2020年第8期总第530期 10 ChaoXing 种方法。其中， 近年来发展起来的以偏应力强度比 法为代表的岩爆应力风险评价方法由于其经过了现 场大量岩爆事件、 微震事件与采矿生产数据的互馈 分析， 在加拿大Creighton矿得到了较好的应用 ［11］， 其 岩爆应力风险指标表达式为 SH σ1- σ3 /σc,（1） 式中， σ1为最大主应力值， MPa； σ3为最小主应力值， MPa；σc为岩石单轴抗压强度， MPa。 由式 （1） 确立的岩爆应力风险评判标准如下 SH ＜0.4， 岩爆应力风险很低； 0.4≤SH＜0.5， 岩爆应力风 险低； 0.5≤SH＜0.7， 岩爆应力风险中等～高； SH≥0.7， 岩爆应力风险很高。 根据图6底柱应力隔断帷幕实施前后的岩爆应 力风险分布可以看出， 在实施隔断帷幕前， 底柱中的 应力风险指标达到0.77， 按照判别标准属于很高的岩 爆应力风险， 在底柱回采过程中极易发生量级大的 岩爆事件。当在底柱下盘区域实施隔断帷幕后， 底 柱的应力风险指标下降到0.3以下， 属于岩爆应力风 险很低的情况， 发生岩爆事件的风险大大降低。 3结论 以会泽铅锌矿采矿实践为工程背景， 应用数值 模拟技术， 研究了应力隔断帷幕实施前后的应力场、 变形场和岩爆应力风险指标的变化特征。研究结果 表明 （1） 基于应力隔断帷幕的底柱采场的卸荷， 并没 有使应力消除或消失， 而是改变了应力的传递路径， 使应力集中远离目标开采区域， 从而实现了对目标 开采区域的 “卸荷” 。 （2） 应力隔断帷幕实施后的变形量增幅明显， 变 形能得到快速释放， 起到了对高应力底柱的有效卸 荷作用。 （3） 应力隔断帷幕的实施大幅度降低了底柱的 岩爆应力风险指标， 岩爆事件发生的概率和量级大 幅度降低。 参 考 文 献 Blake W， Hedley D．Rockburst Case Studies from North American Hard-Rock Mines［M］ ． Littleton， Colorado， America Society for Mining， Metallurgy， Exploration， Inc．， 2003． Ortlepp W． Rock Fracture and Rockbursts［M］ ． Johannesburg， South Africa The South African Institute of Mining and Metallur⁃ gy， 1997． Hedley D． Rockburst Handbook for Ontario Hardrock Mines［R］ ． CANMET Special Report SP92-1 E，Ottawa，Canada Minister of Supply and Services Canada， 1992． 谢和平． “深部岩体力学与开采理论” 研究构想与预期成果展望 ［J］ ． 工程科学与技术， 2017， 49 （2） 1-16． Xie Heping． Research framework and anticipated results of deep rock mechanics and mining theory ［J］ ． Advanced Engineering Sci⁃ ences， 2017， 49 （2） 1-16． 姜耀东， 潘一山， 姜福兴， 等． 我国煤炭开采中的冲击地压机理 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