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第 26 卷 第 3 期 2015 年 9 月 中国地质灾害与防治学报 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Vol． 26 No． 3 Sep． 2015 DOI 10. 16031/j. cnki． issn． 1003- 8035． 2015. 03. 15 复杂开采环境下采场失稳垮塌过程分析 罗周全， 秦亚光， 谢承煜， 汪伟 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙410083 摘要针对金属矿山采场失稳垮塌动态变化过程监测困难的问题， 结合某地下大型铅锌矿山某中段主矿体失稳垮塌的 工程实际， 运用真实破裂过程分析软件 ＲFPA2D 仿真采场动态破坏过程， 对采场周边充填体动态垮塌过程、 范围及程度 进行了分析研究。得到如下结论 1开挖采场充填体与矿体接触面首先出现松动垮塌， 随后该采场周边采场出现大范 围的松动， 最后发生垮塌。 2 紧邻开挖采场的空区以及充填体强度较小的空区失稳垮塌比较严重， 最大垮落高度达 10 m; 3 从开挖采场底部向两边采场出现一个 “V” 字型剪切破坏区域， 垮塌区内高强度充填体以剪切破坏为主， 低强度 充填体以拉伸破坏为主。 关键词复杂环境; 失稳垮塌; ＲFPA2D; 隐患资源 中图分类号X936文献标识码A 文章编号 1003- 8035 2015 03- 0081- 05 收稿日期 2014- 12- 02;修订日期 2015- 02- 10 基金项目国家自然科学基金资助 51274250 ; 中南大学中央高校基本科研业务费专项资金 2013zzts061 第一作者罗周全 1966- ， 男， 湖南邵阳人， 博士、 教授， 主要从事金属矿深井开采及灾害辨析监控理论与技术研究。E- mail lzq505 hotmail． com 通讯作者秦亚光 1990- ， 男， 河南漯河人， 硕士研究生， 主要从事采空区三维可视化集成系统研究与开发。E- mail 846616975qq． com Instability process of the cut slopes under complex mining environment LUO Zhouquan，QIN Yaguang，XIE Chengyu，WANG Wei School of Ｒesources and Safety Engineering，Central South University，Changsha， Hunan410083，China Abstract In view of the problem that instability process of cut slope． Surrounding stope caused by stope instability was difficult to monitoring，combined with the actual situation of main ore body collapse caused by exploitation stope instability of one stage in a large underground lead- zinc mine and reasons of collapse analyzed，dynamic failure process of the surrounding stopes simulated through the realistic failure process analysis software ＲFPA2Dwhich can reflect the dynamic process of change，and collapse range，damage degree and the main failure s of surrounding stopes analyzed and studied． Studies show that 1contact surface of filling body and ore body first collapse besides the exploitation stope， then circumjacent stope appear big range of loose，and finally collapse occurred; 2goaf close to the exploitation stope and have low- strength filling body collapsed seriously，the maximum value of collapse height is about 10 m; ， simulation results of collapse trends of stopes and filling body surrounding the exploitation stope has a good coincide with field measurement; 3collapse area showing “V” - shaped structure from the exploitation stope excavation bottom，failure structure of high- strength filling body was mainly shear failure and low- strength filling body failure structure was mainly tensile failure through acoustic emission figure analysis． The results provide a basis for reasonable filling and mining determination in late security recovery of hidden resource． Keywords complex environment;instability cut slopes;ＲFPA2D;hidden resource 82罗周全， 等 复杂开采环境下采场失稳垮塌过程分析2015 年 0引言 矿山岩体失稳垮塌不仅对井下人员及设备安全构 成严重威胁， 还可能导致周边相邻区域出现大面积失 稳， 致使该地区成为了隐患区域， 影响范围内的资源成 为了典型的隐患资源。隐患资源是指在资源的开采过 程中存在的受自然条件和人为因素影响的安全环境复 杂， 资源开采回收率较低的一种难采资源。包括 未按 正规开采设计而进行的采富弃贫、 采厚弃薄的无序化 开采， 以及乱采滥挖形成的各种采空区群周边的残留 矿产资源 如开采过程中预留的矿柱、 间柱及顶底柱 等 ; 矿山开采过程中由于矿岩或空区失稳垮塌造成 的， 在其影响范围内未开采的矿产资源。垮塌区隐患 资源的回收是采矿技术领域的难点之一， 其开采条件 极其复杂， 在垮塌区内进行采矿作业常常因受到安全、 技术等各种问题的困扰而无法达到预期效果［1 －4 ］。长 期以来许多专家学者对矿体失稳垮塌进行了研究分 析， 如闫长斌 ［5 ］等研究了下岩体工程建设或矿山采掘 生产中采用钻爆法， 频繁爆破作业产生的动荷载对周 围岩体产生累积损伤危害， 诱发地下工程岩体失稳。 杨官涛、 李夕兵 ［6 ］等人运用能量的原理， 借助突变理 论的方法， 推导出了采场开挖前后系统失稳破坏的能 量突变准则， 通过计算开挖前后能量变化值， 判断采场 系统失稳的可能性。但大部分研究都是针对岩体失稳 垮塌的静态分析， 缺乏对岩体失稳破坏动态变化过程 的研究。本文针对某地下大型铅锌矿 －320 m中段因 0采场失稳造成主矿体垮塌的实际情况， 采用真实破 裂过程分析 ＲFPA2D 数值模拟软件对该铅锌矿 －320 m 中段 0采场失稳后主矿体垮塌的实际情况进行了 动态数值模拟， 通过分析采场动态垮塌顺序、 垮塌范 围、 程度以及破坏形式等状况， 确定 0采场的垮塌给周 边采场带来的影响范围， 为隐患资源安全高效回收确定 合理的充填工艺及采矿方法提供依据。 1工程概况 该铅锌矿主矿体 －320 m 中段 0采场在回采过程 中， 由于受矿岩结构破碎、 断层、 采矿爆破震动、 空区暴露 时间过长等因素的影响， 发生了两帮充填体跨帮， 从而导 致周边相邻区域出现较大面积失稳， 致使该地区成为隐 患区域， 其影响范围内的资源开采安全技术条件变得极 为复杂， 影响范围内的资源成为了典型的隐患资源。然 而此部分隐患资源品位高， 属高价值资源， 目前这部分资 源约有30 多万吨矿石量， 因此具有重要的回收价值。 －320 m 中段 0采场发生失稳垮塌后， 对周边相 邻采场的稳定性产生了影响， 使得该地区资源开采处 于一个安全性极其复杂的环境中， 这样给主矿体资源 的回收带来了困难。0采场及其周边采场开挖充填情 况见图 1， 其中 N0 －1采场 －280 m 二分段到 －280 m 水平、 N1 －2采场 －280 m 一分段到 －320 m 四分段、 S0 －1付采场 －280 m 二分段到 － 280 m 水平及 S1 付 －1采场 －280 m 三分段到 －280 m 水平采空区为 非胶结充填; 其它采空区均为胶结充填。 图 1采场开挖充填情况 Fig． 1Excavation and filling condition of stope 2岩石力学参数实验及仿真模型建立 为了进行采矿设计和岩体稳定性数值模拟计算 分析， 通常需要知道矿岩块体密度、 弹性模量、 泊松 比、 单轴抗压强度、 抗剪强度、 内聚力和内摩擦角等 物理力学参数指标［7 －11］。依据上述研究目的， 确定 第 3 期中国地质灾害与防治学报83 进行的测试项目为 ①密度试验 块体密度 ; ②单轴 抗压强度试验; ③拉伸强度试验 巴西劈裂法 ; ④抗 剪断试验。 根据采场设计参数及矿石、 围岩、 充填体的力学实 验参数， 对岩石力学参数折减换算成岩体力学参数 表 1 ， 建立了数值模型。采场埋深为 332 m， 高度为 70 m， 走向长度为 107. 5 m。所建模型水平位移和竖 直位移均为 140 m， 水平方向和竖直方向各取 280 个 单元， 则模型计算单元总数为 280 280 78400 个。 模拟开挖从下往上， 开挖长度为 22 m。 表 1岩体及充填体力学参数 Table 1Mechanical parameters of rock mass and filling body 材料 弹性模量/ MPa 抗压强度/ MPa 抗剪强度/ MPa 粘结力/ MPa 泊松比 容重 / t/m3 内摩擦角 / 胶结充填体14801. 130. 141. 420. 282. 3030 非胶结充填体0. 320. 360. 301. 3726 矿石2187632. 523. 973. 050. 254. 0044 围岩1449514. 61. 723. 560. 262. 7436 3采场失稳垮塌数值分析 3. 1采场失稳垮塌动态过程、 范围及程度分析 其中采场编号从 1 到 13 分别对应采场 N2 －3采 场到 S1 －2采场 图 2 。随着 0采场的开挖周边采 场逐渐发生松动甚至坍塌。N0 －1采场和 S1付 －1 采场充填体与矿体接触面首先出现松动垮塌， 随后 N0采场和 S0采场出现大范围的松动， 最后发生垮 塌。N0采场为胶结充填体， 充填体强度相对非胶结 充填体来说强度较大， 由于受 0采场采动影响， 充填 体出现松动， 上部有将近 10 m 高度的垮塌; N0 －1采 场 －280 m水平到 －280 m 三分段为非胶结充填体， 充 填体强度较小， 从第二步到第三步可以明显观察出该 分段内充填体垮塌比较严重; 0采场北部其它采场受 采动影响比较小， 充填体有轻微松动， 无明显垮落现象 出现; 0采场南部的 S0 －1采场以及 S1付 －1采场 －280 m水平到 －280 m 三分段出现垮塌， 这是由于 S0 －1采场紧邻 0采场， 受采动影响比较大， 而 S1付 －1采场垮塌部分为非胶结充填体， 充填体强度小 所致。 总体来看， 受 0采场失稳影响发生松动垮塌的区 域主要包括 0采场北部的 N0 －1采场、 N1以及南部 的 S0采场、 S0 －1付采场、 S1采场、 S1付 －1采场。 失稳垮塌过程为 首先出现松动垮塌的采场为 N0 －1 采场和 S1付 －1采场; 然后逐渐向两边扩展， 最终 0 采场左边到 N1 －2采场， 右边到 S1付 －1采场均出 现了失稳垮塌。采场失稳垮塌程度 其中紧邻 0采场 的 N0采场、 N0 －1采场、 S0采场及充填体强度较低 的采空区失稳垮塌比较严重， 而距离 0采场较远的采 场以及胶结充填的采空区相对稳定。通过对采场失稳 垮塌过程、 范围及垮塌程度的分析， 为后续主矿体制定 合理的开采顺序， 确定充填位置及充填体材料提供了 参考依据。 图 2垮塌区动态破坏过程 Fig． 2Dynamic failure process of collapse area 3. 2采场失稳垮塌破坏形式分析 材料受机械荷载时， 其内部会发射出一系列断续 的短脉冲群的声现象。如受力岩体内部由于颗粒间的 相对位移， 产生微小裂隙， 原有裂隙发展以及残余应力 释放， 都会产生声波， 使变形能转化为弹性振动， 即发 出声响， 这种现象称为声发射。自动作出声发射图对 岩石的破坏过程分析， 可作为预报岩石破坏的有效 手段 ［12 －15 ］。 图 3 中声发射圆是根据声发射的能量所作， 白色 圆代表当前步剪切破坏引起的声发射情况、 红色圆代 表当前步拉伸破坏引起的声发射。 由图 3 可知， 从 0采场开挖底部向两边采场方向 出现一个 “V” 字型剪切破坏区域 ， “V” 字型破坏区域 高度和 0采场开挖高度相当; 图中红色部分 箭头所 指区域 为拉伸破坏区域， 破坏比较严重， 主要出现在 N0 －1采场、 N1 －2采场、 S0 －1采场及 S1采场， 其 中 N0采场及 S0采场局部出现轻微地拉伸破坏。在 工程实际中， 发生拉伸破坏的区域主要为非胶结充填。 84罗周全， 等 复杂开采环境下采场失稳垮塌过程分析2015 年 图 3对应破坏过程声发射图 Fig． 3The corresponding acoustic emission figure to destruction process 采用胶结充填的采场主要发生剪切破坏。由此可以得 出 剪切拉伸破坏主要发生在强度较低的充填体; 在不 同材料强度的充填体中， 强度较高的胶结充填体主要 破坏形式为剪切破坏， 而材料强度比较低的非胶结充 填体以拉伸破坏为主。 根据声发射图可以得到采场破坏形式及垮塌严重 程度， 在后续开采形成的采空区进行充填时， 可以采用 强度较高地胶结充填体代替强度低的回填渣。对于破 坏严重的区域， 在开采前提前进行支护， 确保回采过程 中人员设备的安全。 4结论 采动影响下的周边采场失稳破坏是一个及其复杂 的过程， 主要表现为充填体结构的模糊性、 采动影响应 力变化的复杂性。通过利用 ＲFPA2D软件对 0采场失 稳诱发周边采场松动垮塌规律及主要破坏形式进行数 值模拟， 揭示了 0采场周边采场充填体动态破坏过 程， 确定了隐患资源范围。 得到如下主要结论 1 N0 －1采场和 S1付 －1采场充填体与矿体 接触面首先出现松动垮塌， 随后 N0采场和 S0采场 出现大范围的松动， 最后发生垮塌。 2 受采动影响发生松动垮落的采场集中在 0采 场北部的两个采场以及南部的四个采场， 紧邻 0采场 以及充填体强度较小的空区失稳垮塌比较严重， 最大 垮落高度达到了 10 m。 3 通过对采场受力声发射图分析得出， 从 0采 场开挖底部向两边采场方向出现一个“V” 字型剪切破 坏区域， 与现场实测相吻合。不同强度充填体的破坏 形式， 强度较高的胶结充填体及矿体以剪切破坏为主， 而材料强度较低的非胶结充填体以拉伸破坏为主。 参考文献 ［1］ 刘晓明， 张伟， 刘为洲， 等． 基于空区实测的隐患资 源回收综合技术研究［J］ ． 金属矿山， 2008 8 88 －91． LIU Xiaoming， ZHANG Wei，LIU Weizhou，et al． Integrated technology for recovering the hidden trouble resource based on a cavity monitoring system［J］ ． Metal Mine， 2008 8 88 －91． ［2］李庶林． 论我国金属矿山地质灾害与防治对策 ［ J］ ． 中国地质灾害与防治学报， 2002， 13 4 44 －48． LI Shulin． Study on geological hazard and earthquake in deepmining ［J］ ．TheChineseJournalof Geological Hazard and Control，2002， 13 4 44 －48． ［3］ Peng Y W，Qi Q X，Wang Y G．Study of field measurement of mining- induced coal fracture field and its application［ J］ ． Chin J Ｒock Mech Eng， 2010， 29 S2 4188 －4193． ［4］ 刘伟强． 峪耳崖金矿盲 21脉采空区隐患资源回采 技术研究［J］ ． 湖南有色金属， 2014， 30 2 1 － 4， 60． LIU Weiqiang． The study on hidden danger resources mining technology in No． 21 blind vein of Yuerya gold mine［ J］ ． Hunan Nonferrous Metals，2014， 30 2 1 －4， 60． ［5］ LUO Zhouquan，XIE Chengyu，Jia Nan，et al． Safe roof thickness and span of stope under complex filling body［ J］ ． Journal of Central South University，2013， 20 12 3641 －3647． ［6］ 杨官涛， 李夕兵， 王其胜， 等． 地下采场失稳的能量 突变判断准则及其应用［J］ ． 采矿与安全工程学 报， 2008， 25 3 268 －271， 276． YANG Guantao， LI Xibing， WANG Qisheng，et al． Criterion for judging energy mutation in destabilized stope and its application［J］ ． Jonrnal of Mining and Safety Engineering， 2008， 25 3 268 －271， 276． ［7］ YAOBanghua， BAIhaibo， ZHANGBoyang． Numerical simulation on the risk of roof water inrush 第 3 期中国地质灾害与防治学报85 in Wuyang coal mine［J］ ．International Journal of Mining Science and Technology， 2012 2 273 －277． ［8］ 王玉川， 巨能攀， 赵建军， 等． 马达岭滑坡室内岩石 力学试验研究［J］ ． 水文地质工程地质， 2013， 40 3 52 －57． WANG Yuchuan， JU Nengpan， ZHAO Jianjun， et al． Testing studies of rock mechanics in lab for the Madaling landslide［J］ ． Hydrogeology ＆ Engineering Geology， 2013， 40 3 52 －57． ［9］ 谢承煜， 罗周全， 贾楠， 等． 缓斜极厚矿体开采安全 切顶厚度研究［J］ ． 采矿与安全工程学报，2013， 30 2 278 －284． XIE Chengyu， LUO Zhouquan， JIA Nan，et al． Safety roof cutting thickness in mining gently inclined and extremely thick ore body［J］ ． Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2013， 30 2 278 －284． ［ 10］ 李东林， 吴树仁， 韩金良， 等． 引水工程秦巴段隧洞 地应力模拟及工程地质问题［J］ ． 地质与勘探， 2008， 44 5 81 －86． LI Donglin， WU Shuren， HAN Jinliang， et al． Crustal stressmodellingandengineeringgeology problems of Qinling- Dabashan tunnel for diversion project［ J］ ． Geology and Prospecting，2008， 44 5 81 －86． ［ 11］ 陈峰． 基于数值模拟的采动影响下覆岩裂隙演化过 程分析［J］ ． 中国地质灾害与防治学报， 2014， 25 2 60 －64． CHEN Feng． Ｒesearch based on the high- peed railway affect the dynamic quantitative relationship between groundwater and land subsidence ［J］ ． The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2014， 25 2 60 －64． ［ 12］ JozefFut，FrantiekKrepelka，ZuzanaChlebov． Measuring procedure of experimental data acquisition and data uation of acoustic emission in rock disintegration［ J］ ． Acta Montanistica Slovaca， 2009， 14 3 883 －899． ［ 13］ 赵奎， 金解放， 刘明松， 等． 岩石点荷载作用下对应 力记忆效应的声发射数值模拟与试验研究［J］ ． 岩 石力学与工程学报， 2009， 28 z1 2695 －2702． ZHAO Kui，JINJiefang，LIUMingsong， etal． Experimental research and numerical simulation of acoustic emission of memory effect of rock stress under point load［ J］ ． Chinese Journal of Ｒock Mechanics and Engineering， 2009， 28 z1 2695 －2702． ［ 14］ 徐涛， 唐春安， 王述红， 等． 岩石破裂过程围压效应 的数值试验［J］ ． 中南大学学报 自然科学版 ， 2004， 35 5 840 －844． XU Tao，TANG Chunan，WANG Shuhong，et al． Numerical Tests on confining pressure effect in rock failureprocess ［J］ ．JournalofCentralSouth University， 2004， 35 5 840 －844． ［ 15］ 刘红元， 唐春安， 杨天鸿， 等． 对称和非对称载荷下 声发射特征的数值模拟研究［J］ ． 岩土力学， 2001， 22 4 383 －388． LIU Hongyuan，TANG Chunan， YANG Tianhong，et al． Numerical simulation research of acoustic emission characteristics under symmetrical and asymmetrical compressive loads［J］ ． Ｒock and Soil Mechanics， 2001， 22 4 383 －388． 中国地质灾害与防治学报 编辑部网络采编办公系统运行通知［ HJ］ 各位作者 您好为提高稿件处理和办公效率 ， 中国地质灾害与防治学报 编辑部已从 2013 年 3 月开始启用网络采 编办公系统。 作者投稿采用新的网络平台 http / /zgdzzhyfz． paperopen． com/ ， 不再使用原电子邮件投稿系统， 特此公告， 望作者们予以支持与合作。 在使用网络系统中您有任何疑问、 意见和建议， 请您电话010 －62170025 或者发邮件到 nitxmail． cigem． gov． cn。 注意 投稿作者请详细阅读首页导航栏 投稿须知 期刊编辑部