银山矿深部高应力采场回采相似模型试验研究

龙跃

(江西铜业集团银山矿业有限责任公司， 江西 德兴市 334201)

地下矿山深部开采是一个复杂的系统工程，在高地应力坏境下地压及开采扰动存在极大的离散性与不确定性，矿山工程人员在对深部开采的矿体进行开采设计时需要考虑复杂的地压管理因素，进行综合设计时存在极大的困难。

为保证深部矿体开采设计参数的合理性及深部矿体回采时的稳定性，需对深部开采过程中围岩的实时状态进行分析，获取开采过程中围岩的变形与应力的变化情况，常用的研究手段有数值模拟、理论分析、相似模型试验等[1-4]。胡楠[5]综合运用了理论分析、数值模拟以及室内试验等方法，对三山岛金矿西矿区-1005 m中段在高地应力与爆炸冲击作用下岩体损伤演化规律及围岩稳定性进行了分析，为矿山深部开采设计提供了理论指导；
寇永渊等[6]基于 FLAC3D数值分析对金川二矿区深部复杂高应力环境下的连续开采充填方案下水平矿柱的力学性质进行分析对比，为水平矿柱的尺寸设计提供理论指导；
蔡美峰[7]对深部开采过程中围岩的稳定性分析与岩层控制的关键技术进行了综合阐述，指出“等效释放荷载”理论的重要性；
刘允秋等[8]针对东黄金鑫汇金矿深部高温、高压、高应力矿体开采条件，设计上向水平进路充填法的参数。相比于理论分析与数值模拟研究，相似材料模型试验以相似理论为原则，基于矿山开采现场客观条件构建与实际开采条件相似的试验模型，更能直观地反映围岩的力学变形特征与分布规律[9-11]。

银山铅锌矿经过近五十年的浅孔留矿法开采，-150 m中段及其以上中段遗留下大量采空区，其中，北山区是地压显现最为严重的采区，-150 m中段以下深部中段开采不仅受构造控制，同时，也受到深部地应力的控制作用，现场具体表现为采场难以达到设计上采高度，采场进路、保护墩破坏严重，导致有些采场矿石难以出矿，因此，加强对深部高应力下地压防治和开采方案研究具有十分重要的现实意义，也是目前矿山急需解决的问题。为优化-150 m中段以下深部中段开采的采场结构参数，掌握采场开展的岩体破坏规律，对-195 m中段典型采场的采矿过程进行相似物理模拟，观察和监测采场模型在开挖过程中岩石的破坏形态以及岩体的应力应变及声波的变化规律，为试验采场结构和参数优化提供依据。

1.1 相似模型设计

根据弹性力学可知，采场开采过程中采用平面应力分析与平面应变分析，所得到的应力求解方程是一致的[12-13]，因此试验模型采用平面应力模型对采场进行模拟，如图1所示。以-195 m中段典型采场为设计依据，根据相似原理，模型设计长0.8 m、宽0.4 m、高1 m，模型框架尺寸设计为2.40 m×0.40 m×1.50 m，相似模型的应力加载采用千斤顶加载系统。对于深部开采中均质岩体，原岩开挖会引起周围围岩的应力重新分布，按照岩石力学理论的围岩扰动理论，原岩开挖的影响范围约为所开挖空间体积的3～5倍[9]，本试验取3倍。

图1 试验采场模型

1.2 相似模拟材料配比

根据相似理论[14]及所确定的配比原则和研究目的，模型试块采用水泥、砂砾、石膏及水的混合物制作而成。试验选取粒径为0.12～0.2 mm的砂砾做骨料，采用含水率为 6.2%的熟石膏(建筑石膏CaSO4·H2O)和标号为425#的水泥做胶结材料，厚度为5 mm的粗云母做分层材料，鉴于石膏与水泥在塑形过程中的凝结硬化速度较快，试验加入质量浓度为1.0%的硼砂作为缓凝剂。模型相似材料的力学参数见表1。

表1 模型材料力学性质

1.3 监测方案设计

试验采用程控静态电阻应变仪、RSM-SY5声波测试仪等综合监测设备，采用上述设备对模型在模拟开采过程中矿房应力应变和围岩位移以及声波波速进行动态监测，各监测点的位置如图2所示。在相似模型内部与表面各布置了 11处应变监测点（见图2（a）、图2（b）），同时在模型的内部各布置3处声波监测点与位移监测点（见图2（c）、图2（d）），监测点主要布置与模拟回采矿体的上盘顶板区域。

图2 监测点布置

1.4 模型回采方案

参照实际中矿体的回采顺序与回采参数，在相似试验中矿体自下而上分层回采，单次回采斜长10 cm（相当于实际高度 4 m），直到采场回采完毕，如图3所示。

图3 模拟回采

2.1 应力应变分析

在模型开挖后，5号测点的应力应变最明显，如图4所示。由图4可以看出，在矿体刚进行开挖时，5号测点应力监测数值出现略微的增高，当回采至矿体模型斜长 30 cm（相当于实际垂直高度11.6 m）时，应力增加达到第一处峰值，之后随着矿体模型开采高度的增加而逐渐降低，表明在开采初期阶段，矿体开采上盘围岩出现局部拱顶效应，致使上盘围岩应力叠加造成短期的压应力集中，出现明显的压应变；
在随后的开采过程中，上盘围岩的压应力得到逐渐的释放，顶板压力随着开采斜长的增加向四周扩散，围岩局部应力集中现象减弱，直到回采至斜长50 cm（相当于实际垂直高度22.3 m）时应力降低到最低值。随后，随着矿体的开采应力呈现快速增加区域，出现明显的应力集中现象，直到矿体上盘破坏为止。

图4 5号测点应力应变

2.2 位移分析

位移测点变化曲线如图5所示，在矿体回采至斜长60 cm之前（相当于实际垂直高度25.7 m），1号、2号监测点所监测得到的位移数值并未产生较大的变化，表明下矿体上下盘位置仍处于稳定的状态。但矿体开采至斜长60 cm之后，1号、2号监测点的监测位移数值随着开采高度的增加而迅速增大，结果表明当试验采场模型回采到斜长60 cm时，矿体围岩出现明显的应力位移现象，其顶板围岩开始呈现失稳状态。

2.3 声波监测分析

测点声波变化曲线分析如图6所示，随着回采高度的增加，1号监测点所监测得到的纵波波速出现短暂的上升后，在回采高度继续增加时，纵波波数呈现明显的下降趋势；
在矿体模型开挖后，3个监测点所监测得到的纵波波速逐渐增高，当试验的矿体模型回采至斜长25 cm（相当于实际垂直高度11.7 m）时，纵波数值达到峰值并趋近于稳定，当矿体模型回采至斜长90 cm（相当于实际垂直高度38.5 m）时，监测点所监测得到的纵波波速迅速降低；
3号监测点所监测得到的纵波波速随着回采高度的变化而出现明显的下降趋势。主要原因是在模型回采的初始阶段，矿体围岩仍然处于紧密状态，使得纵波波速上升，随着矿体模型回采距离的增加，围岩逐渐失稳，回采后期矿体时围岩开始被破坏，造成纵波波速的降低。

图6 监测点声波波速变化曲线

2.4 模型破坏分析

试验中，当矿体模型开采至斜长90 cm（相当于实际垂直高度38.5 m）时，在矿体模型的上盘顶板区域出现围岩冒落现象，出现冒落的主要原因是随着矿体开采高度的增加，采场上盘顶板的临空面面积逐渐超过了采场的极限暴露面积，上盘顶板随着顶板应力变化而发生应力集中，从而发生顶板破坏现象。从试验过程来看，急倾斜结构岩层的上盘顶板主要是沿矿体的走向方向发生垮落破坏。

此外，当矿体模型回采到70 cm（相当于实际垂直高度30.4 m）时，在采场模型正上方及矿体上盘沿矿体倾向方向各出现一条长约10 cm的裂纹。其主要原因是由于矿体模型内部存在的片理结构面出现扩展破坏，随着采场开采高度的增加，结构面扩展长度也逐渐增加，当矿体模型回采到80 cm（相当于实际垂直高度35 m）时，破坏区域的片理结构面继续迅速向上扩展，随着裂纹宽度扩展到0.3 cm时，矿体模型的上盘围岩开始发生垮落破坏。

相似模拟试验研究结果表明，片理结构面的扩展破裂是造成采场失稳的主要原因，其破坏主要以岩体片理结构失稳为主，其次是类岩石材料的破坏，同时存在片理结构的采场围岩在回采过程的变形和破坏主要发生在矿体模型顶、底板区域。根据模拟试验结果，建议在采场开采时在5号监测点处（距采场底板28 m）预留矿柱，以控制采场顶板的岩层移动。

（1）开展了银山铅锌矿-195 m中段典型采场的开采相似模型试验，根据相似原则对典型采场尺寸进行等比例缩放，构建了采场的相似模型，为了检测模拟开采相似试验过程中模型应力与位移的变化情况，在围岩内部及表面布置了应力、应变、位移及声波监测点。

（2）分析了相似采场模型开采过程中，各监测点得到的应力、应变、位移及声波的变化，得到了采场开采破坏的基本力学特征。

（3）通过相似模拟试验研究表明，片理结构裂纹的压张破裂是造成采场失稳的主要原因，根据模拟试验结果，建议在采场开采过程中可在距底板28 m位置处预留矿柱，以控制采场顶板的岩层移动。