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第 34 卷 第 2 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.2 2012 年 .2 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Feb. 2012 金属矿充填开采岩体移动对竖井围岩的变形破坏 赵海军 1，2，马凤山1，2，徐嘉谟1，2，张亚民1，2，郭 捷1，2 （1. 中国科学院工程地质力学重点实验室，北京 100029；2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029） 摘 要采用数值模拟和地质力学分析的方法，对甘肃金川二矿区地下开采条件下，14 行风井变形破坏问题进行了研 究，研究结果表明14 行风井位于地下开采引起的岩体移动盆地的拉张区，受岩体移动变形影响剧烈，地下开采已经 成为了影响竖井安全稳定的主要因素；无论是富矿开采还是贫矿富矿联合开采，竖井井壁的位移和应力分布规律大体 相同，其大小与分布特征受断层影响突出，断层所在的部位仍然是竖井井壁的脆弱部位；地下开采引起的14 行风井的 破坏是以穿过井筒的断层出现活化为触发因素，以井壁发生错动、破裂、冒落为主要形式的断层效应的集中体现，这 也将成为现阶段生产条件下竖井可能再次发生变形、破坏的模式。 关键词地下开采；金属矿山； GPS 监测；断层效应；岩体移动；金川镍矿 中图分类号TU45 文献标识码A 文章编号1000–4548201202–0340–09 作 者 简 介 赵 海 军 1981– ， 男 ， 博 士 后 ， 主要 从 事 工 程地 质 与 岩 石力 学 方 面 的研 究 工 作 。 E-mail zhaohaijun0823。 Shaft deation and failure due to rock mass movement induced by underground backfill mining of a metal mine ZHAO Hai-jun1, 2, MA Feng-shan1, 2, XU Jia-mo1, 2, ZHANG Ya-min1, 2, GUO Jie1, 2 1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029; 2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China Abstract The vertical shaft plays an important role in underground tunnel mining mines. However, few attempts have been done on the deation and failure mechanics of shafts suffering from rock mass movement in metallic mines undergoing mining activities. Numerical simulation s and geomechanical s are applied in the study of deation, failure and stability of the line No. 14 ventilating shaft in Jinchuan No. 2 Mine under the conditions of different kinds of mining design. The results show that the shaft is seated in the scope of the depression induced by the underground mining, and the displacement of rock mass keeps increasing. Therefore the underground mining is the main factor for the safety and stability of the shaft. Moreover, whether mining of the rich ore body or combined mining of the rich ore body and lean ore body, the distribution regularities of displacement and stress of the shaft are similar, and the section of the faults is still the vulnerable zone of the shaft in which it influences the size and distribution of the displacement and stress greatly. Consequently, it is the faults which cross the shaft and lead to reactivation due to underground mining are the trigger factor, and the rock mass movement, rupture and fall are the primary of the shaft deation and failure mechanism, and this kind of fault effects will be aroused again in the future under the present circumstances of mining. Key words underground mining; metal mine; GPS monitoring; fault effect; ground movement; Jinchuan Nickel Mine 0 引 言 由地下开采岩体移动、变形而导致的矿山竖井变 形、破坏问题近年来逐步受到重视，据调查统计资料 表明，目前中国已有十多个大中型矿山竖井井筒受开 采影响而产生变形和破坏，仅兖藤矿区自 1995 年 6 月以来相继就有 8 个竖井井筒发生破裂事故，另有 3 个井筒在濒临破坏前采取了防治措施，井筒破裂所造 成的经济损失达数亿元[1-9]。 由于工程地质条件的复杂 性和采矿工程的差异性，对竖井井筒破坏机理研究还 不够完善，而且目前的研究多集中在煤系地层中的竖 井破坏问题，对于构造成因的、受采动影响发生岩移 的金属矿山竖井的变形、破坏机理研究较少见。随着 对有色金属需求的猛增和矿山竖井破坏的增多，进行 ─────── 基金项目 国家自然科学基金项目 （41002107， 40972197， 41030750） ； 中国科学院知识创新工程重要方向性项目（KZCX2-YW-Q03-02） 收稿日期2010–10–29 第 2 期 赵海军，等. 金属矿充填开采岩体移动对竖井围岩的变形破坏 341 专门针对构造成因的金属矿山竖井的变形、破坏机理 的研究就显得十分必要。 金川矿山是中国最大的镍、钴、铂族金属等有色 金属生产基地， 在有色金属系统具有举足轻重的作用。 金川矿山地质条件复杂，构造发育，矿岩破碎，地应 力较高，工程岩体稳定性极差，开采难度之大，为全 国之最[10-11]。建矿几十年来，针对开采过程中存在的 问题，开展了一系列的研究。2005 年 3 月金川二矿区 14 行风井突然垮塌， 地表以下 170 m 到 276 m 井壁严 重破坏，甚至一度出现无完整井壁的重大灾害事故， 造成了巨大的经济损失。 事故发生后，对竖井又重资进行返修加固，2007 年 1 月对返修后的新井筒调查时发现，在井筒上部又 出现了两条较大的近水平的裂缝，而此时二矿区正计 划对1 矿体 1250 m 水平以上的贫矿（主要是在一期 工程开采过程中根据“采富保贫”的开采方针，保留 下来的 1250 m 水平以上矿体上盘的贫矿，1332 m 水 平以上富矿体上覆的贫矿及少量富矿）进行大规模开 采（生产规模为 2000 t/d，66 万 t/a） 。无论是保持目 前的富矿开采还是贫矿和富矿联合开采后竖井的安全 或稳定性再次成为矿山生产和科研上的一个重要问 题。因此，地下开采影响下竖井围岩的变形、破坏与 稳定性研究对矿山实际安全生产意义重大。 1 竖井工程地质条件 二矿区14 行竖井位于矿体下盘，直接穿过井筒 的围岩可分为 4 个主要工程地质岩组， 即超基性岩组、 花岗岩组、大理岩组和混合岩组。各岩组的岩性、岩 体结构及构造特征如下 （1）1717.00～1510.00 m（0～207 m） ，为超基 性岩Σ以二辉橄榄岩、含辉及辉石橄榄岩为主，中 粗粒结构，块状构造，风化、蚀变强烈。并且在 F207 断层以上还有 3 条小断裂。 （2）1510.00～1489.20 m（207～227.8 m） ，为超 基性岩与花岗岩接触带， 并且在此接触带发育一断层。 断层破碎带厚 10 m， 井筒与断层破碎带实际交会段长 度近 20 m 左右。断层破碎带主要由二辉橄榄岩、花 岗岩、大理岩组成，并含水，为对竖井稳定性很不利 的一个工程地质条件，断层产状为 S33E58∠。 （3）1489.20～1043.00 m（227.8～674 m） ，为肉 红色花岗岩夹有超基性岩、大理岩及混合岩。该段岩 体为 14 行风井的主要围岩。 由长石、 石英等矿物组成， 为镶嵌结构。 （4）1043.00～1039.50 m（674～677.5 m） ，辉绿 岩破碎带，节理发育，散体结构，每米约 11 条节理。 （5）1039.50～1003 m（677.5～714 m） ，为 F16 断层影响带，岩性较破碎，局部为粉砂状。 （6）F16 北东东向压扭性断层，倾向南 10～ 20西，倾角 70左右。在井筒底部 1000 m 中段、 井底距 F16 断层推测位置约 90 m， 若考虑断层影响带 宽度达 40～50 m，可能此处距 F16 断层影响带只有 40 m 左右，该段井筒工程地质条件较差。 图 1 二矿区14 行风井位置及其工程地质概况示意图 Fig. 1 Location and engineering geological conditions of No. 14 .ventilating shaft in Jinchuan No. 2 Mine 2 影响竖井围岩稳定性的因素分析 影响竖井围岩稳定性的因素很多，大体上可以分 为地质因素和非地质因素两种类型。地质因素是影响 竖井围岩变形和稳定的决定因素，主要包括竖井围岩 的初始应力状态、地质构造特征、岩体结构状态、岩 石的基本性质和地下水的状态等。非地质因素是通过 地质因素的作用而起作用的因素， 主要包括地下开采、 井筒尺寸、支护措施、时间条件等。 通过对影响二矿区14行风井稳定性的诸多因素 的分析认为，竖井围岩的地质构造特征和地下开采活 动是影响竖井稳定性的关键因素，前者为竖井稳定性 的内因，后者是促使竖井发生变形、破坏的外因。 竖井围岩的地质构造特征的影响主要是指穿过井筒的 断层弱面和断层破碎带。在这种情况下，井筒围岩变 形大、稳定性差是竖井工程不良地质地段。对于14 行风井，主要是指穿过井筒的断层 F207以及 F207上部 的 3 个小断裂破碎带和下部超基性岩与花岗岩接触的 两个主要断层破碎带，和竖井底端附近的两个主要的 岩性接触破碎带。 地下开采对竖井稳定性的影响主要是指地下采动 引起的岩体移动、变形和破坏作用。根据 GPS 监测结 果[12-13]，大规模的地下开采已经导致了二矿区大范围 和大幅度的地表岩体移动。2001 年 5 月到 2008 年 11 月的 GPS 监测结果表明， 在二矿区已经形成了一个较 大的沉降区域，沉降中心最大沉降量达到了 1287.5 342 岩 土 工 程 学 报 2012 年 mm。从沉降立体图（图 2）上可以看出，14 行风井 位于采动引起的沉降盆地的边缘拉张区，距沉降中心 约 340 m。在自 2001 年 5 月2008 年 11 月期间，竖 井位置地表产生了 470 mm 的沉降量，水平位移量达 到了 226 mm（图 3） 。从平面位移矢量图上看（图 4） ， 地下开采后，在采掘区周围，监测点平面位移矢量方 向均指向采掘区，矢量的大小随监测点位距位移中心 的距离而变化，距采掘区近的测点位移量大，距采掘 区较远的测点位移量小，14 行风井位于平面位移矢 量较为显著的位置。 图 2 二矿区 GPS 监测地表沉降立体图 Fig. 2 Stereogram of ground settlements 图 3 二矿区 GPS 监测水平位移等值线分布图 Fig. 3 Contour map of horizontal displacements 在地表岩移非连续性变形、破坏方面，随着地下 开采规模的加大，以地裂缝为宏观特征的地表破坏问 题日益突出。 在地表岩移问题出现后， 2000年3月12 月兰州有色冶金岩土工程公司对二矿区地表裂缝进行 了实测，共测量裂缝 35 条，裂缝分布较分散，贯通趋 势不明显，裂缝宽度在 20～30 cm，大部分裂缝主要 分布在矿体的上盘。近两年发现地表裂缝发生了较大 变化，几条大的裂缝在上下盘沿矿体走向趋于贯通， 开裂的宽度明显变大延伸加剧， 波及的范围更加广泛。 图 5 为二矿区14 行风井附近出现的山体裂缝照片 （图 5（a）裂缝宽度 1.1～1.4 m，图 5（b）裂缝带宽度 2～ 3 m） ，从图 5 中可以看到，在裂缝发育带，地表山体 呈现撕裂、塌落等现象。 图 4 金川二矿区地表岩移监测点平面位移矢量图 Fig. 4 Diagram of horizontal displacement vectors 图 5 二矿区14 行风井附近地裂缝 Fig. 5 Photographs of ground fissures near No. 14 shaft 综上，地下开采引起的岩体移动、变形和破坏对 竖井的稳定性已经产生了较为严重的影响，地下开采 成为了竖井围岩发生移动、变形和破坏的主要因素。 3 地下开采对竖井稳定性影响的三维 数值模拟 3.1 数值计算模型的建立 根据竖井的工程地质条件，做必要的简化得到剖 面模型。根据地质资料分析，岩体主要的结构面主要 第 2 期 赵海军，等. 金属矿充填开采岩体移动对竖井围岩的变形破坏 343 考虑矿体右侧下盘位置存在的 F16断层，在与竖井相 交的结构面中，主要考虑了在 1510 m 水平的 F207断 层，以及上部的 3 个小断裂破碎带和下部超基性岩与 花岗岩接触的两个主要断层破碎带，并在竖井下端考 虑了两个主要的岩性接触破碎带。选用 FLAC3D有限 差分软件，在建立数值计算模型的时，断层与岩性接 触破碎带均采用实体单元来模拟。 为建立计算所需的力学模型，以竖井为中心，剖 面计算域的上边界取至地表，下边界取到地表以下 800 m 水平；为了消除过近的边界影响，左右边界向 外扩展一定的距离，总长 2500 m，沿矿体走向取 100 m 厚。同时根据前期概化模型的试算结果显示，剖面 的地表形态对模拟结果的影响非常小， 可以忽略不计。 因此，在模型建立时，将地表简化成水平面。最终建 立的计算模型示意图如图 6 所示， 尺寸为 2500 m950 m100 m。并经过反复试算，在这一尺寸下，边界影 响小到可以忽略。 图 6 数值分析模型横剖面逻辑块体分布图 Fig. 6 Cross-section of numerical model and division of groups 3.2 约束条件和初始条件 计算模型除地表面设为自由边界外，模型底部约 束垂直位移，其它边界均约束水平位移。根据高地应 力判别标准， 矿区基本上属于中高超高地应力范围。 在地表附近，最大水平主压应力约为 3 MPa 左右。应 力随深度增大而增大，在 200～500 m 深度最大主压 应力值一般为 20～30 MPa，最高实测值 50 MPa。矿 区地应力随深度变化的计算经验公式[14] 1 3.0 0.045h， 23 3.00.027hh，（MPa） 。 3.3 岩体力学参数的选择 本次三维数值计算将岩组简化为富矿、贫矿、含 矿超基性岩、大理岩、混合岩、断层带和其他类小破 碎带，将竖井的返修加固的喷锚网、锚杆、混凝土衬 砌等整体简化为 3 m 厚的加固带，辅以相匹配的参数 以适应数值计算的要求。分析类型采用大变形模式， 材料为理想弹塑性， 本构模型为 Mohr-Coulomb 准则。 参数选取依据以往岩石力学测试结果，实际变形破坏 状态及 GPS 岩移监测结果，经多次反演计算而确定， 计算结果与实测基本符合。岩组类型及参数见表 1。 3.4 计算方案的选取 计算时，首先在前面约束条件下生成初始应力状 态，并对位移场和速度场清零，为后续的开挖计算做 好准备工作。 表 1 岩组类型及参数 Table 1 Parameters for numerical simulation 岩 性 重度 /kNm -3 弹性模 量/GPa 泊松比 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/ 抗拉强 度/MPa 混合岩30.0 2.5 0.26 2.0 44 2.0 富矿 29.3 2.2 0.26 1.6 42 0.6 贫矿 28.0 2.0 0.26 1.0 40 0.3 超基性岩29.3 2.3 0.25 1.0 42 0.6 大理岩30.0 2.5 0.25 2.0 44 2.0 F207断层带25.0 0.3 0.28 0.3 33 0.3 F16断层带28.0 0.8 0.27 0.6 36 0.3 其它破碎 带 25.0 0.4 0.28 0.3 33 0.3 加固带30.0 10.0 0.22 3.0 42 5 充填体20.0 0.2 0.28 0.2 42 0.2 其次，在初始应力场的条件下，进行竖井的开挖 和加固计算，形成竖井开挖后的二次应力场，再次仅 将位移场清零，即在后面矿体开采时不考虑前期竖井 开挖本身产生的位移量。最后，根据二矿区地下开采 的进度和开采工艺，采用将 1328～1250 m 的富矿进 行分层、分步单中段下向开采充填。到 1250 m 水平 后， 开始进行双中段开采， 即同时从 1150 m 水平下向 开采， 当上部开采到目前的 1160 m 水平时， 采用两种 工况计算，一种是贫矿和富矿一起联合开采，另一种 是继续只开采富矿，贫矿不开采。两种工况下富矿均 开采到 980 m 水平。 3.5 计算结果与分析 为了使计算结果既能体现贫矿在矿体开采过程中 对竖井稳定性的影响又能反映地下开采对竖井稳定性 的影响，在对上面数值模拟的计算结果整理时，将贫 矿富矿联合开采与只开采富矿这两种工况下的井壁位 移、应力等结果放一起进行对比分析。 （1）竖井位移分析 图 7， 8 是贫矿和富矿联合开采和只开采富矿两种 情况下的沿井筒轴向井壁单元的水平位移和竖直位移 分布图（纵坐标轴斜条代表穿过井筒的断层和岩性接 触带，下同） 。从图 7，8 上可看出以下 2 方面的特点 a） 两种工况下， 沿井筒轴向井壁水平位移和竖直 位移分布规律相似。两种开采条件下，竖井井筒中上 部水平位移位移小， 中下部靠近采空区方向相对增大； 沉降位移分布越靠近井筒上部，井筒沉降量越大。此 外，与单纯开采富矿相比，贫矿和富矿联合开采后竖 井井壁的水平位移分量增幅比较大，特别是在井深 100～570 m 增幅在 50左右， 在竖井顶底两端增幅略 小于中间部分。在井壁单元的竖直位移方面，贫矿开 采后对竖井井壁竖直位移影响比较突出，在井深 0～ 300 m 竖井井壁的竖直位移分量增幅在 15左右，在 344 岩 土 工 程 学 报 2012 年 井深 400～550 m 增幅在 50左右。可见贫矿开采后 使得井壁的水平位移和竖直位移分量在不同的位置都 得到了增大。 图 7 沿井筒轴向井壁水平位移分布图 Fig. 7 Horizontal displacement of sidewall along shaft axis 图 8 沿井筒轴向井壁竖直位移分布图 Fig. 8 Vertical displacement of sidewall along shaft axis b） 从井壁位移分布和断层破碎带与岩性接触带的 分布对应情况看，竖井井筒位移的分布与断层破碎带 和接触带的分布具有明显的相关性，表现在在断层带 和接触带处，位移分布的连续性较差。在上部 F207断 层上下几个小断层破碎带分布之处， 即井深 100～460 m 井壁差生了向井筒内的正位移，尤其是 F207断层下 部的两个小断层破坏带处，位于井深 300～410 m 产 生的向井筒内部的位移最大。在井筒下部的两个小的 断层破碎带处，井壁的水平位移指向采空区（负值） ， 受断层破碎带影响断层上盘水平位移大于下盘，造成 水平位移分布曲线出现扭曲状。在竖直位移分布上， 井筒上部断层效应不是太明显，但是在井筒下部的两 个小断层破碎带处，即 550～650 m 处竖直位移分布 曲线发生明显的阶梯状分布。可见在开采过程中，断 层和接触带的存在对竖井井壁位移分布的连续性存在 较大的影响。 （2）竖井应力分析 图 9，10 是贫矿和富矿联合开采和只开采富矿两 种情况下的沿井筒轴向井壁单元的水平应力和剪应力 分布图。从图 9，10 中可以看出以下 2 方面的特点 a）从整体上看，两种开采条件下，竖井井壁的水 平应力和剪应力分布规律相似。井筒在浅表位置水平 应力值较大，而在中间位置受剪应力值较大。两种开 采条件下，水平应力和剪应力相差较小，说明井壁水 平应力和剪应力的变化受富矿开采的影响较大，增加 贫矿的开采对竖井井壁的应力影响并不是很突出， b）从井壁应力分布特征看，受到开采影响，竖井 井壁水平应力均指向开采区，说明开采作用使得竖井 井壁产生了一定的附加水平应力，并且受采动影响， 竖井井壁不同高程处的剪应力分布也发生了一定的变 化。此外，水平应力和剪应力的分布特点与断层破碎 带和岩性接触带的分布具有很好的对应关系，表现在 断层带和接触带处，井壁的水平应力和剪应力突然增 大，形成几处明显的应力高值区，水平应力和剪应力 都较高，井筒极易在这部位发生破坏。因此，在竖井 井壁应力分布方面，断层和接触带的存在导致竖井井 壁应力在分布上出现明显的不均匀性，增加了井壁破 坏的风险。 图 9 沿井筒轴向井壁水平应力分布图 Fig. 9 Horizontal stress of sidewall along shaft axis 第 2 期 赵海军，等. 金属矿充填开采岩体移动对竖井围岩的变形破坏 345 图 10 沿井筒轴向井壁剪应力分布图 Fig. 10 Shear stress of sidewall along shaft axis 图 11 是贫矿和富矿联合开采和只开采富矿两种 情况下的沿井筒轴向井壁单元差应力（ 13 ）分布 图。从图上可以看出，竖井井筒中下位置井壁单元差 应力较大，而整体上两种开采条件下井壁单元的差应 力差别不大。断层破碎带与接触带的分布对差应力的 分布具有显著的影响，表现在断层破碎带分布的地方 差应力增高，尤其是在井深 200～400 m 断层破碎带 分布的部位差应力较大， 导致井壁破坏的可能性增高。 图 11 沿井筒轴向井壁单元差应力分布图 Fig. 11 Differential stress of sidewall along shaft axis （3）基于三维数值计算的竖井稳定性评价 通过对上述数值模拟结果的分析， 开采对竖井的 影响可以概述如下 a） 富矿开采或是贫矿富矿联合开采， 竖井井壁的 水平位移分量和竖直位移分量都会发生显著增大，尤 其在断层破碎带处，水平位移增幅较大。 b） 贫矿与富矿联合开采后竖井井壁的水平应力、 剪应力和差应力的分布和大小与单纯开采富矿时相比 整体涨幅不大，同样沿井壁应力分布受断层分布影响 明显，说明对竖井井壁应力变化的影响还是以富矿的 开采影响为主，断层与井筒交汇的部位仍然是竖井井 壁可能出现问题的部位。 c）贫矿开采后对竖井的影响总体上是增加了竖 井破坏的风险，尤其是已经发生破坏处的竖井井壁的 位移仍然较大。贫矿的开采并没有改变竖井今后可能 发生变形、破坏的模式，穿过竖井井筒的断层破碎带 仍然是竖井围岩可能最先发生破坏的部位。 4 竖井发生变形、破坏的机理分析 在实际的工程中，常遇到很多竖井位于地下采动 影响区内，在采动影响下，竖井的变形和破坏主要表 现为下面四种情况[15-17]①井筒沿轴向的挤压或拉伸 变形；这种变形主要是由于岩层在竖直方向上下沉不 等而引起的。②井筒中心线的偏斜与弯曲。这种变形 是因为不同深度上，水平移动量不等造成的。当采区 位于井筒的一侧，或者在井筒两侧不对称开采时，岩 层移动波及到井筒位置，井壁将跟随围岩而移动，原 来是垂直的井筒中心线将发生位移和偏斜，偏斜的方 向一般指向采区的几何中心。③井壁错动。造成井壁 错动的原因有两种一是由于在采动影响下，上覆岩 层弯曲而引起的岩层沿层面的滑移致使井壁剪切错 动，另一种是由于岩体沿软弱层面的滑动而引起的井 壁错动。④水平挤压破坏。水平挤压破坏一般发生在 围岩为软弱岩层的井壁处，主要是软弱岩层受压横向 膨胀所致。 当竖井位于开挖引起的岩移范围内时，如果岩移 较为剧烈，竖井会发生较大规模的破坏。但是工程中 有些竖井的破坏并非如此，破坏往往出现在一些“特 殊”部位，而其它部位未发生破坏。研究发现，这些竖 井的“特殊”部位都有断层发育，正是由于在采动影响 下岩体沿断层面等软弱面的滑动引起了井壁错动，并 最终导致了井筒的破坏。近年来，不少矿区因受采动 影响而发生了穿过断层的竖井破坏的灾害，如辽源局 西安竖井、阳泉局四矿中央风井、淮南局大通矿七号 井、北票局台吉矿竖井等等，井筒破坏均不同程度的 表现在穿过断层处井壁发生断裂、错动。井壁的断裂 和错动将严重威胁矿井的安全生产。 鉴于14 行风井特殊的位置 （岩移范围内） 、 变形、 346 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 12 地下开挖引起断层错动使竖井井壁错开 [18] Fig. 12 Fault movement and vertical shaft stagger caused by underground mining 表 2 受断层影响而破坏的矿山竖井 [2] Table 2 Statistical data of destroyed vertical shafts influenced by fault effects 矿井名称 破坏情况 备注 辽源局西安竖井 井壁在深 184～209 m 产生错动，在 212 m 附近产生错碴井筒在深 184～209 m 穿过断层 阳泉局四矿中央风井 井壁在 11.9 m 处产生裂缝，在深 42 m 处错动 井深 11.9 m 为第三纪坡积物，42 m 处穿 过 1 号断层 淮南局大通矿井七号井 井深 160～170 m 形成破碎带，压缩变形达 17.4 mm/m 急倾斜开采，井深 150～170 m 穿过断层 北票局台吉矿竖井 井筒产生偏斜 急倾斜多煤层开采，井筒穿过断层 淮南局谢二矿主副井 副井井壁在深 84～94 m 处产生裂缝，井筒向西南偏斜， 主井井壁在深 160 m 处产生裂缝 副井在深 84～94 m 处，主井在深 160 m 穿过 F16断层 破坏历史（2005 年井筒上部的严重坍塌返修）和前述 三维数值模拟分析的结果，可以得出二矿区14 行风 井的发生变形、破坏的机理应该是以穿过井筒的断层 出现活化为诱发因素，以井壁发生错动、破裂和冒落 为主要形式的断层效应的集中体现。井筒不同高程竖 直位移和水平位移的差异性只是促进或增强了井筒出 现破裂的断层效应的可能性和所显现的剧烈程度。 断层的存在破坏了岩体的连续性，当断层位于开 采影响范围内时， 断层常常会破坏岩体变形协调条件。 在开挖条件下，断层的存在与非开挖条件下断层只是 作为基本不变的工程地质条件不同。当开挖引起断层 活化时，它对井巷围岩变形和破坏的影响更为强烈， 破坏作用更大。当断层处剪应力超过其抗剪强度时， 断层就会发生活化，发生错动。当断层以一定厚度的 破碎带出现时，在断层带内，破碎物质结构面间的摩 擦制动作用在岩体移动、变形影响的趋势下将会逐渐 失效，当断层与竖井相交时，这些部位最容易出现竖 井井筒变形、破裂甚至错断的现象（如图 12） 。表 2 给出了不同矿山的竖井在开采过程中受断层影响而破 坏的实例。 通过以上分析，可得二矿区14 行风井井筒可能 发生变形、破坏的位置及发生方式的机理，如图 13 所示。 从图 1 中可以看到，在穿过竖井的岩体类型中， 发育较多的软弱破碎带， 其中断层 F207发育比较显著， 在工程现场比较好识别，在 F207上部有 3 个小的破碎 带，下部有两个小断层破碎带，而且在井底端也发育 两个破碎带。地下开采引起岩体移动、变形，首先会 在断层及断层破碎带处发生剪切错动， 引起断层活化， 并且在持续甚至是愈加强烈的采动影响下，断层活化 段的长度将逐渐增大，最终使得断层上盘相对下盘发 生较大幅度的正断层性质的错动，造成竖井围岩及井 筒被剪断、破坏。 图 13 采动引起的断层活化效应对14 行风井的破坏机理 Fig. 13 Mechanism of fault reactivation on shaft induced by .underground mining 在竖井中上段的断层 F207上下一定区域（即地表 以下 207 m 水平上下一定范围） ，鉴于竖井位于采动 引起岩移的危险区内， 水平位移和竖直沉降都比较大， 并且断层发育相对密集，因此，受采动影响，这些部 第 2 期 赵海军，等. 金属矿充填开采岩体移动对竖井围岩的变形破坏 347 位是最有可能发生井壁错断、破坏的位置。在 2005 年14 行风井运行过程中出现地表以下 170～276 m井 筒破坏甚至一度出现无完整井壁的重大灾害事故，也 从侧面证明了上述灾害成因机理解释的正确性，而目 前考虑的竖井的稳定性研究，其实关键问题还是这些 穿过竖井的断层弱面及断层破碎带的稳定性问题，若 不采取更合理、更可靠的处理措施，依目前的采矿进 度和采掘能力，未来竖井可能发生的变形、破坏必然 仍与竖井围岩发生移动、变形的断层效应有关。 5 结 论 （1） 金川二矿区地下开采已经引起了矿区地表大 范围的岩体移动和变形，长期的监测表明二矿区14 行风井已经位于矿区岩移盆地边缘拉张区，受岩体移 动变形影响剧烈，地下开采影响已经成为了竖井安全 稳定的主要因素。 （2） 无论是富矿开采还是贫矿富矿联合开采， 开 采后竖井井壁的水平位移分量和竖直位移分量都会发 生明显的增大。贫矿开采后没有改变竖井井壁位移和 应力的分布规律，这也说明对竖井井壁应力变化的影 响还是以富矿的开采影响为主，贫矿的开采总体上是 增加了竖井破坏的风险。 （3） 地下开采后竖井井壁的位移、 应力大小与分 布特征受断层分布影响突出，断层所在的部位仍是竖 井井壁的脆弱部位，也是竖井未来可能再次发生变形 破坏的部位。 （4）金川二矿区14 行风井的稳定性问题，其实 质是穿过竖井的断层弱面及断层破碎带的稳定性问 题。14 行风井的破坏是以穿过井筒的断层出现活化 为触发因素，以井壁发生错动、破裂、冒落为主要形 式的断层效应的集中体现。依目前的采矿进度和采掘 能力，未来竖井可能发生的变形、破坏从机理上说必 然是与竖井围岩发生移动变形的断层效应有关。 （5） 矿山竖井的选址， 在考虑地质和采矿工程因 素的同时，应充分考虑采动影响条件下的可能存在的 安全和稳定问题。在经济效益和安全稳定方面，应充 分结合实际工程情况，尽量选址在受采动影响较弱的 矿体下盘，并且将其布置在移动盆地之外一定范围， 即，经济上和安全性上都可容忍范围内。而当矿山竖 井已深受采动影响之害时，应积极改善一些采矿技术 措施，以减少岩体移动变形对竖井稳定性的影响，并 加强竖井变形监测工作，避免突发事故。 参考文献 [1] 李文秀, 赵胜涛, 梁旭黎, 等. 鲁中矿区地下开采对竖井井 塔楼的影响分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 251 74 –78. 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