地應力作用下金屬礦山崩落區斷層穩定性分析

周占星 胡紹輝 李壽杰 周航海

（1.中國江西國際經濟技術合作有限公司；2.中南大學資源與安全工程學院）

崩落法是一種具有成本低、效率高、工藝簡單和作業安全等優點的大規模地下采礦方法，在金屬礦山開采過程中較為常用，但開采過程伴隨著大量崩落區的產生［1-3］。隨著金屬礦山開采深度逐漸增加，崩落區巖層所受地應力逐漸增加，當巖層因受力達到某一閾值發生變形直至破裂時，會形成沿破裂面發育并有明顯移動的斷層。斷層的存在破壞了巖體的完整性和連續性，導致巖體結構損傷甚至失穩，對開采區域的安全穩定構成極大威脅［4-5］。對地應力作用下崩落區斷層穩定性開展分析，可為掌握斷層相關變化規律、降低斷層對采場區域影響進而確保高地應力下礦體的安全高效開采提供參考。

斷層穩定性分析方法主要有理論分析、室內試驗以及數值模擬。在理論分析方面，通過建立斷層受力模型，進行力學分析，研究得到采動應力場、位移場動態演化規律以評估斷層穩定性［6-7］，該方法計算邏輯嚴密、求解精度高，但由于計算過程中需簡化巖石材料，計算結果無法準確反映斷層真實響應。室內試驗是利用相似材料模擬，通過合理的方案設計、先進的監測手段，從而得到較為理想的斷層響應結果［8-9］，該方法多用于二維條件下試驗，在三維復雜地質條件下具有一定的局限性。而隨著計算機的普及，以及計算能力和算法的不斷發展，數值模擬在分析斷層穩定性方面得到廣泛應用［10-12］，該方法以實際工程為背景，并結合現場測量結果，能較直觀、具體地分析采動過程中斷層活化規律及失穩過程，保證礦山安全開采。

獅子山銅礦長期采用崩落法回采礦石并持續向下開采，巖體在地應力作用下的移動破壞基本上為沿已有斷層發生，主礦體下盤斷層構造發育，客觀上存在弱面，為巷道變形、垮落、坍塌及巖體移動創造了條件。本文以該銅礦崩落區斷層為研究對象，采用數值模擬方法，分析崩落區斷層相關變化規律及穩定性，為礦山安全生產及斷層監測與控制提供參考。

1 工程概況

獅子山礦位于云南省玉溪市易門銅礦區，該礦區構造受多次地質構造作用影響，褶曲斷裂十分發育，形成了對礦山深部開采影響較大的斷層組。由于斷層帶巖體的存在，在獅子山銅礦開采過程中，斷層位移及變形對礦山安全生產有著重要影響。在回采三期礦體十四、十五中段時，采動影響范圍發展到F2 斷層，F2 斷層產生活化，并隨著時間的推移，錯距逐漸增大。當采至四期工程十六中段時，采動影響范圍波及到F3 斷層，F3 斷層也開始活化，半年累計最大位移量為15.4 mm。因此有必要對礦山自然應力作用下斷層位移及變形進行分析，為礦山安全生產服務。

2 數值模型建立

為研究獅子山崩落區斷層穩定性問題，建立以崩落區為基準，崩落區實際形態與周圍巖體一致的三維有限元模型，如圖1 所示［13］。模型整體尺寸為1 030 m×640 m×1 200 m，崩落區位于模型中心，崩落區的縱向高度為720 m，橫向寬度為360 m，從第四中段延伸至十六中段。根據各中段崩落區邊界，依次按中段選取崩落區單元，崩落區形態及范圍嚴格與各中段劃定的崩落區邊界一致?？紤]到采動對遠離采場巖體的位移影響較小，可將模型邊界處位移視為零，因而模型外表面施加位移約束。同時，基于大量的基礎巖石力學試驗，獲得獅子山礦礦巖宏觀巖體力學參數，見表1。

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3 數值模擬

隨著獅子山銅礦繼續向下開采，巖體移動破壞基本上均沿已有斷層發生，而在斷層之間區域的巖體完整性較好，其中對礦山深部開采影響較大的斷層分別為F2、F3、F4、FY2 以及FY3 斷層，其中F2、F3斷層從十中段延伸至十五中段，F4 斷層從六中段延伸至十八中段，FY2、FY3 斷層為平行的控礦斷層組，位于十八中段以下，將深部礦體向左錯斷，各斷層產狀見表2。在獅子山銅礦三維可視化模型的基礎上，采用多核大型商業有限元軟件LS-DYNA 數值模擬了穿插于崩落區的主要斷層（F2、F3、F4、FY2和FY3）在自然應力作用下的位移、有效應力和損傷，分析時按照斷層高度從上至下提取3 個對崩落區影響較大斷層（即F2、FY2 和FY3 斷層）的數值模擬數據，根據數值模擬結果對獅子山礦崩落區斷層穩定性進行分析。

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3.1 位移演化分析

崩落區斷層位移分布如圖2所示，從計算結果可知，F2斷層處質點的位移約為0.6 m，FY2斷層質點的位移為0.8～1.25 m，有極少部分質點位移大于1.5 m，FY3 斷層質點的位移為1.0～1.8 m，其中有40%斷層質點位移超過1.2 m。即斷層質點位移的總體趨勢為由上到下位移逐漸增大，這是由于斷層處巖體在上部巖體重力作用下會產生應力變化，斷層位置越靠近底部，應力集中程度越高，上部斷層所受到的應力要小于下部斷層巖體所受應力，而斷層巖體在較大應力作用下將產生較大位移，斷層質點位移也隨著深度的增加而增加。

為探究距崩落區距離對質點位移的影響，提取各斷層距崩落區邊界不同距離質點的最大位移值（距崩落區邊界10，20，40，80，100 m 的5 個測點），如圖3所示。數值模擬結果表明，斷層處質點的位移值隨著距崩落區邊界的距離的增大而呈現出減小趨勢，這是由于崩落區巖體在構造及自重應力下產生位移，且崩落區邊界處的巖體向崩落區中心擠壓，相對于其他位置的巖體產生了更大的位移；隨著距離崩落區邊界距離的增大，巖石被擠壓得越密實，其位移值較鄰近崩落區更低，即斷層處質點位移值會隨著距崩落區邊界距離的增大呈現出減小趨勢。同時，可以發現F2 斷層質點最大位移值為0.93 m，FY2斷層質點最大位移值為1.1 m，FY3 斷層質點最大位移值為1.37 m，表明斷層處質點的位移會隨著深度的增加而增加。

3.2 受力狀態分析

擾動作用下巖體中的應力場發生重分布，不平衡的應力將重新傳遞和調整，通過斷層質點的受力來分析自然應力狀態下斷層質點的響應，可以更全面地分析斷層質點在構造及自重應力下的位移和變形。崩落區斷層有效應力數值模擬結果如圖4所示。由圖可知，崩落區斷層有效應力明顯高于崩落區散體的有效應力，且隨著斷層所處深度的增加，斷層有效應力也明顯增加。這表明在構造及自重應力作用下，斷層產生了較大的應力集中現象，特別是FY3 斷層有效應力接近3 MPa，可能會使斷層這種弱面結構產生較大的損傷。因而，獅子山銅礦內部斷層等弱面的存在對工程穩定性影響較大，且斷層越深則潛在的危險性越大。

從斷層有效應力隨距崩落區距離變化規律（圖5）來看，斷層有效應力隨著距崩落區邊界距離的增加呈現減小的趨勢，這是由于巖體在構造及自重應力作用下會產生碰撞及擠壓，使邊界處巖體有更大的位移趨勢，因而在崩落區邊界處產生較大的應力集中現象。同時，斷層有效應力會隨著斷層所處深度的增加而增大，這與位移變化規律在縱向上的變化趨勢相同，其原因已在上文中解釋。

3.3 損傷程度分析

斷層質點的位移、有效應力反映了斷層在構造及自重應力下的變化規律，通過崩落區及斷層的損傷程度進一步分析斷層在構造及自重應力下的穩定性。如圖6 所示，斷層的存在破壞了巖體的整體性，在自然應力作用下，斷層處質點出現了明顯的破壞，且隨著斷層所處深度的增加，破壞程度越明顯，部分FY3 斷層甚至完全被破壞。這是由于隨著斷層深度的增加，斷層帶附近的應力集中現象更加顯著，且斷層的存在對應力傳播有一定的阻隔作用，即斷層以外其他巖體的破壞程度不顯著。同時，斷層損傷程度的變化規律與斷層位移、有效應力的變化趨勢相同（圖7），即斷層損傷程度會隨著距崩落區邊界距離的增加而減小，隨著斷層所處深度的增加而增大。

隨著深部開采和采動影響范圍的擴大，采空區下盤的大傾角斷層群在采動與重力破壞的情況下，各斷層會產生向采空區方向移動和沿斷層面的滑移，FY2 與FY3 斷層將發生破壞，最終影響進一步的深部開采。由于FY2 與FY3 斷層的活動使巖體移動范圍擴大，進而影響深部開采，建議開采至該斷層位置時應留有一定厚度的保護礦柱，且為預防斷層移動對巷道產生破壞，應對該區域巷道進行相應支護。

4 結 論

針對崩落區斷層對礦山安全生產的潛在威脅，基于獅子山礦崩落區數值模型，采用LS-DYNA 有限元軟件進行了地應力作用下崩落區斷層結構動力響應數值模擬研究，依據數值模擬結果分析了斷層位移、有效應力和損失程度的變化規律，得到以下主要結論：

（1）崩落區斷層位移、有效應力和損傷程度會隨著斷層所處深度的增加而呈現出增大的趨勢，隨著距崩落區邊界距離的增大而減小。

（2）在構造和自重應力作用下，斷層處的應力集中致使該弱面結構產生較大損傷，對工程穩定性影響較大，且斷層越深則潛在的危險性越大。

（3）隨著深部開采和采動影響范圍的擴大，斷層結構存在較大風險性，為提高采場結構穩定性，應加強對斷層結構監測，在斷層位置處保留一定厚度保護礦柱并對相應區域巷道進行支護。