某矿地下开采对井筒的稳定性影响分析

李学持

（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队）

人类社会的高速发展对矿产资源的需求量一直居高不下。对于已经处于开发阶段的矿产，开采企业一般从优化开拓方案、改进开采技术等方面来尽可能地提升资源回收量，从而实现效益最大化［1-2］。某铁矿井筒保安矿柱占用了大量矿体，随着开采技术的进步，矿山计划对部分优质矿柱资源进行回收，从而扩大资源回收率、提升企业效益。为此，本研究通过梳理该矿山开采技术条件，基于岩体力学理论，研究矿柱资源开采对井筒的稳定性影响，从安全角度出发，验证矿柱资源回收的可行性［3-4］。

1 工程概况

某小型地下开采铁矿山年产量为30 万t，矿体埋深为80～680 m，赋存标高为-10～-1 280 m。矿山一期工程负责开采-300 m 水平以上的矿体，设置了-200，-250，-300 m共3个中段。矿山采用竖井—盲斜井联合开拓方案，使用浅孔留矿法采矿，集中放出矿石后对空区进行充填处理。

矿山主井位于采区北部，负担着提升矿岩的任务。井口标高为112 m，井底标高为-310 m，井深422 m，井筒直径为4.5 m。矿山一期工程设计中，设置了井筒保安矿柱，以保护主井的安全。截止2019年底，井筒保安矿柱占用矿石储量达到20 万t 以上。随着开采工艺及充填技术的成熟，矿山决定对井筒保安矿柱的部分优质资源进行开采，以提升企业效益和资源利用率。

经过综合分析勘察报告以及生产探矿工作结果，认为-200 m 中段部分保安矿柱资源开采效益较高。此部分资源属于S3矿体，经采矿设计，对此部分矿块进行划分。图1 所示为-200 m 中段靠近保安矿柱部分采场布局，其中S3 矿体2 采场、3 采场处于保安矿柱范围之内，西1、西2、西3 采场与主井保安矿柱边界大致相切。井筒中心距离S3 矿体3 采场最近距离为32.82 m，在-200 m水平，采场占主井保安矿柱面积的7.17%。因此，有必要对矿柱开采对主井的影响程度进行研究，论证此方案的可靠性。

2 井筒破坏形式及判据

2.1 竖井破坏形式

井筒的稳定性对矿山安全生产至关重要，对井筒的变形破坏特征和机理进行分析、梳理，从而为矿山开拓设计、制定开采计划以及维护矿区稳定具有重要的指导价值。目前，对矿山井筒的稳定性研究案例较多，并取得了丰富的成果，针对井筒的几种常见破坏类型，按井筒变形破坏特征的不同分别总结如下［5-7］。

（1）井筒轴向变形。当地下开采导致地层或者围岩不均匀变形时，特别是在岩层性质差别较大的部位，容易带动井壁处于轴向受压或者受拉的应力环境，当井筒变形值小于井壁允许变形值时，井筒极有可能发生轴向压缩或者拉伸破坏。

（2）井筒倾斜变形。井筒倾斜变形分为井筒错动和径向变形破坏，其中径向变形破坏又分为挤压变形和拉伸变形。井筒倾斜变形主要发生在断层破碎带或者软岩附近。当地下开采引起断层或软岩滑动变形时，易剪切井筒使其产生错动破坏；当井筒处于挤压或者拉伸的应力环境下，特别是在围岩强度比井壁弱时，例如围岩软弱层位置，此时井壁承受较大的径向荷载，严重时表现出受压或者受拉变形（圆形井筒在径向非均匀应力场中具有向椭圆形变化的趋势，此时长轴方向表面表现受压破坏、短轴方向表面表现受压破坏）。当围岩刚度较井壁大时，围岩能够承受较大的径向荷载，此时井筒反而不容易发生径向变形。

（3）井筒曲率变形。地下开采导致井筒受力不均衡，使井筒整体产生轴向弯曲变形，当弯曲程度过大，超过井筒自身的承受范围后，即可能出现井壁破坏现象。井筒曲率变形按照中心线发生偏转或弯曲分为2种类型。

2.2 竖井变形破坏判据

《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012）对矿山建（构）筑物的保护等级和变形允许值做出了规范。参考规范要求，类似竖（斜）井等构筑物的相应保护等级应设为Ⅰ级，与地表建（构）筑物变形指标不同的是，主井主轴方向是竖向的，相应的变形指标应为井壁倾斜值i、井壁曲率k和井壁竖向变形值ε，计算方法见文献［8］。当计算的变形量超过相应的保护等级限值时（i<3 mm/m，k<0.2×10-3m-1，ε<2 mm/m），井筒可能发生变形破坏。

3 井筒稳定性数值模拟

3.1 模型建立

根据矿山实际情况以及勘探资料，首先基于3Dmine 软件构建包含矿块、围岩、地表、主井井筒等的矿区三维模型，再采用有限元软件Midas GTS 构建三维实体模型，经过精细划分矿体及岩层的网格，最后将Midas GTS 中划分的物理网格模型导入有限差分法数值软件中，定义各岩层的物理力学参数后进行计算。为提高计算速率，综合考虑各地层空间分布及其与矿体的位置关系，模型简化了部分夹层，并将岩石力学性质相近的岩层进行了合并。

模型四边与采区的距离大于采区跨度的3倍，以防止模拟中的边界效应。模型长1 050 m，宽700 m，上表面为地表地形，下表面标高为-450 m。模型长、宽方向分别为东西、南北向。实际范围为X=3 855 400～3 856 100 m；Y=39 573 600～39 574 450 m（1980 年西安坐标系）。所建立的矿区三维实体模型见图2。模型中-200 m 中段待开采矿块已涵盖计划开采的部分保安矿柱矿石。

模型前后边界设定X方向水平应力约束，左右边界设定Y方向水平应力约束；底部边界设定位移全约束；顶部为地表自由面，不再额外施加位移约束。

模型不同岩层以及充填体的物理力学参数均由现场取样测试获得，共包含7种岩体。充填体强度取平均值，即2 MPa；矿石松散体强度参照其他类似矿山，取0.97 MPa。

3.2 模拟过程及监测方案

矿山采用浅孔留矿法开采，在矿房内自下向上分层回采矿石，待整个矿房开采完毕后集中放出矿石，最后进行胶结充填。分段之间由上向下开采。所以，数值模拟过程按照矿山实际开采顺序，仅将矿房内的分层回采过程进行简化。

为对竖井井筒的变形情况进行全面统计，在井筒内壁4 个方向沿轴向布置监测点，形成4 条监测线（1#～4#），用以提取井壁从井口至井底的变形数据。监测线布置位置见图3。

3.3 数值模拟可靠性检验

地下开采会引起围岩发生位移和变形，当变形发展到地表时，则表现为地表的沉降和移动。根据该矿山2019 年12 月出示的矿区地质环境监测报告，在整个开采时期，采区岩移范围内大部分监测点的沉降量在3 mm 以内，矿区地表最大沉降值不超过4 mm。

本次研究以模型地表沉降值来检验计算结果是否合理。模拟开采结束后，提取模型上表面地表垂直位移云图，见图4。从图4中可以看出，模型模拟开采结束后，地表最大沉降值为3.7 mm，位于主采区正上方，主井所在位置的沉降值为1.9 mm。模拟结果与矿区实际监测值相近，说明本次数值模拟在物理力学方面接近实际，对矿山工作具有一定的指导价值。

4 井筒变形分析

提取、梳理4 条监测线上测点的位移数据，并计算井壁倾斜值、井壁曲率和井壁竖向变形值，从而判断主井井筒受开采的影响。

4.1 井壁倾斜变形

图5 为各监测点井壁倾斜变形计算结果，可以看出，井壁倾斜变形值在不同标高有较大差别，且4条监测线呈现相似的结果，均在-210，-190，-160，-60，-50 m 等几个节点出现突变。分析认为-210，-190和-160 m 等几个节点的变化是受采空区群岩层移动的影响，其中井底至-210 m 段主要受-250 m 中段采空区顶板岩层移动区和-200 m 中段采空区底板岩层移动区共同影响。与-250 m 中段相比，-200 m中段保安矿柱采空区距离井筒较近，随着井筒标高的增加，井壁受-200 m 中段保安矿柱采空区的影响越来越明显，故形成由井底至-210 m 中段倾斜变形值负增长的趋势。-210～-190 m 段的倾斜变形值反向急剧增加，主要是因为-200 m 水平顶底柱在一定程度上限制了井筒的侧向变形；-190～-160 m 对应着-200 m 中段采空区的位置，整体呈现最大拐点值减小至最小拐点值。而-160 m 中段以上均为所有中段采空区群的顶板岩层移动影响范围，同时由于上覆岩层力学性质的不同，导致变形量的较大波动，例如-130，-50，-60 m等，均属于岩层交界位置。

4 条监测线上最大倾斜变形值均在-50 m 标高处，分别为4.2×10-2，4.18×10-2，5.87×10-2和4.03×10-2mm/m，均未超过规定的Ⅰ级保护的构（建）筑物临界变形标准，说明井筒发生井壁错动和径向水平、挤压破坏的可能性较小。

4.2 井壁竖向变形

图6为各监测点井壁竖向变形计算结果（负值表示井壁受压，正值表示井壁受拉）。可以看出，除个别监测点外，井壁竖向变形量整体从上到下呈现先增大后减小的V 形变化趋势，且在-200～-240 m 部分取得较大值，分析认为这是受距离井筒较近的-200 m 中段的保安矿柱采空区围岩变形影响所致。当矿体被开挖之后，上覆岩层的重量逐渐向采场两侧的间柱及井筒保安矿柱上转移，即采场围岩发生应力重分布，因此-200～-240 m 段的井筒段在竖直方向上处于受压状态。对于井筒其他段的竖向变形值，均随着与-200 m 中段保安矿柱采场之间距离的增加而减小，整体也仍处于受压状态。

对比不同监测线上竖向变形量可知，井筒在-200 m 水平取得最大变形负值，此处对应着-200 m中段保安矿柱采空区所在位置，井筒受压最明显。从数值上对比而言，1#监测线上的最大竖向变形量是其他3 条的2～3 倍，分析认为这是由于1#监测线正好对应-200 m中段采空区，受采动影响也相对较大。1#监测线在-220 m 水平的竖向变形量为0.068 mm/m，未超过规定的Ⅰ级保护建（构）筑物临界变形标准，说明井筒发生竖向拉伸或挤压破坏等情况的可能性相对较小。

4.3 井壁弯曲变形

图7 为各监测点井壁弯曲变形计算结果。除2#监测线波动较为剧烈外，其他监测线上的井壁曲率变形量均是在小幅波动，但均在-300，-200，-50 m 水平附件出现突变值，其中较明显的是-50 m 水平的监测点。1#、2#、3#、4#监测线在该水平的曲率分别为0.002×10-3，0.005×10-3，0.007×10-3和0.01×10-3m-1。以上监测的最大曲率变形值均未超过规定的Ⅰ级保护建（构）筑物临界变形标准，说明井筒发生弯曲破坏的可能性较小。

5 结论

（1）通过对比地表沉降实测值与数值模拟结果，发现模拟结果与实测值接近，说明本次数值模拟在物理力学方面的准确度较高，对矿山工作具有一定的指导价值。

（2）通过数值模拟计算井壁倾斜值、井壁曲率和井壁竖向变形值，发现-200 m 中段内井筒保安矿柱的开采对井壁存在一定的影响，但各项指标均处于《有色金属采矿设计规范》规定的竖井临界变形允许标准范围之内，可认为主井能保持自身的稳定，井壁发生破坏的可能性相对较小。

（3）本次数值模拟未考虑地表薄土层、各中段与主井相连的马头门结构、地下水等因素对井筒变形的影响，建议在后期实际生产中加强对表土层、马头门结构及含水层等部位的监测工作。