付士根,許開(kāi)立

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110006； 2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

礦柱留設(shè)對(duì)于礦房的開(kāi)采起著非常重要的作用，礦柱不僅用于維護(hù)礦房的穩(wěn)定，又能使礦石回收率最高，多年來(lái)，對(duì)于礦柱穩(wěn)定性研究一直是采礦工程師及巖體力學(xué)研究者研究的核心問(wèn)題之一。由于礦柱所起的關(guān)鍵作用，其破壞模式、破壞機(jī)理及其穩(wěn)定可靠性是研究的核心內(nèi)容，通過(guò)多種方法進(jìn)行了研究。劉沐宇、劉學(xué)增[1-2]等運(yùn)用點(diǎn)安全系數(shù)法和可靠度分析法分別計(jì)算了礦柱的點(diǎn)安全系數(shù)和可靠指標(biāo)；趙奎[3]等采用工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)、聲波測(cè)試結(jié)合三維有限元數(shù)值分析方法；李俊平[4]等應(yīng)用材料力學(xué)理論，根據(jù)巖梁假說(shuō)推導(dǎo)了計(jì)算頂板最大允許跨度公式，據(jù)此確定礦柱間距；趙興東[5]等采用數(shù)值模擬方法對(duì)采場(chǎng)礦柱破裂過(guò)程進(jìn)行了分析模擬；王連國(guó)[6]等采用突變理論建立了金礦礦柱失穩(wěn)的一個(gè)尖點(diǎn)突變模型,并據(jù)此對(duì)礦柱失穩(wěn)破壞發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析。這些研究取得了許多進(jìn)展，為采場(chǎng)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和實(shí)際參考價(jià)值。

為了分析谷家臺(tái)巖溶水礦床采場(chǎng)礦柱的穩(wěn)定性問(wèn)題，本研究通過(guò)FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法[7-9],定量地計(jì)算和分析礦體開(kāi)采過(guò)程中采場(chǎng)充填后不同開(kāi)采步驟下采場(chǎng)點(diǎn)柱和間柱的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布狀況, 模擬出它們隨每步開(kāi)采應(yīng)力和應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為礦山采場(chǎng)礦柱設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

谷家臺(tái)鐵礦屬于典型的大水巖溶礦床，礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表有河流橫穿礦體中部，主要兩個(gè)含水層是第四系砂礫巖和巖溶發(fā)育的奧陶系灰?guī)r，兩含水層之間有第三系隔水層。礦體埋藏于大理巖和閃長(zhǎng)巖接觸帶中,礦體呈似層狀。礦體直接頂板主要是大理巖,底板主要為矽卡巖，也有矽卡巖化閃長(zhǎng)巖、蝕變閃長(zhǎng)巖。

為解決巖溶水礦床的安全開(kāi)采，首先對(duì)預(yù)采區(qū)域進(jìn)行礦體頂板帷幕注漿，形成一個(gè)厚度為20m的堵水隔障帶，采用點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦法。礦房沿走向布置，長(zhǎng)27.5m，寬20m，階段高40～50m，分段高10m， 每隔兩個(gè)礦房留一寬度5m的間柱，每分段分三層回采，淺眼落礦，分層高度3～4m，采場(chǎng)內(nèi)留5m×5m的規(guī)則點(diǎn)柱，點(diǎn)柱中心距12m，間柱與點(diǎn)柱均為永久性的自然礦柱。

2 模型建立

本研究采用三維非線性數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算模型X方向?qū)?00m，Y方向長(zhǎng)315m，高度約152m。三維模型共劃分為25422個(gè)單元，29836個(gè)結(jié)點(diǎn)。圖1是三維模型的總圖以及剖面圖。

圖1 計(jì)算模型巖性分布圖

地表第四系取最小厚度12m，第三系隔水層取最小厚度20m，礦體層厚度取20m，傾角37°，注漿頂板厚度取20m，預(yù)留10m隔水礦柱。鐵礦預(yù)留高度20m，從地下-102m位置開(kāi)挖，開(kāi)挖高度50m。計(jì)算模型內(nèi)包括2個(gè)礦房，每個(gè)礦房每分段內(nèi)包含兩個(gè)點(diǎn)柱，兩個(gè)礦房之間包含一個(gè)間柱，具體見(jiàn)圖2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，巖石在不同圍壓條件下，具有明顯的彈塑性變形特征，本計(jì)算采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則則判斷巖體的破壞，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，c，φ分別是粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs>0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，土體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

圖2 鐵礦開(kāi)采最終狀態(tài)圖

3 礦柱穩(wěn)定性分析

為了研究因開(kāi)采而引起的礦體圍巖將可能出現(xiàn)的狀況，應(yīng)系統(tǒng)模擬整個(gè)開(kāi)采歷史和開(kāi)采過(guò)程。開(kāi)挖為分步進(jìn)行，一次開(kāi)挖一個(gè)分段，采全厚。

3.1 點(diǎn)柱穩(wěn)定性分析

圖3給出了第一、二礦房跳采結(jié)束后點(diǎn)柱的最大主應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，點(diǎn)柱內(nèi)應(yīng)力最大值為4.25MPa，點(diǎn)柱位置原巖應(yīng)力最大值為2.9MPa，點(diǎn)柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)最小為1.47，說(shuō)明點(diǎn)柱對(duì)于支撐上部礦體起到了一定的作用。

圖4給出了點(diǎn)柱的破壞場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出受到礦房開(kāi)采擾動(dòng)的影響，點(diǎn)柱全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，破壞性質(zhì)為沿礦層傾向的拉剪復(fù)合破壞。

圖3 礦房開(kāi)采后點(diǎn)柱最大主應(yīng)力分布圖

圖4 礦房開(kāi)采后點(diǎn)柱破壞場(chǎng)分布圖

點(diǎn)柱的垂直位移最大值為1.17cm，出現(xiàn)在點(diǎn)柱中上部(圖5)，而點(diǎn)柱X方向水平位移最大值為1.06cm，出現(xiàn)在點(diǎn)柱中下部(圖6)。

圖5 礦房開(kāi)采后點(diǎn)柱垂直位移場(chǎng)分布圖

圖6 礦房開(kāi)采后點(diǎn)柱X方向水平位移場(chǎng)分布圖

3.2 間柱穩(wěn)定性分析

圖7給出了第一、二礦房跳采結(jié)束后間柱的最大主應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，間柱內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)在間柱下方，應(yīng)力最大值為5.78MPa，集中系數(shù)為1.99，大于點(diǎn)柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，說(shuō)明間柱的支撐作用要強(qiáng)于點(diǎn)柱，對(duì)支撐上部礦體以及維護(hù)礦房穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。

圖8給出了間柱的破壞場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出受到礦房開(kāi)采擾動(dòng)的影響，間柱部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，破壞區(qū)未貫通，破壞性質(zhì)為沿礦層傾向的拉剪復(fù)合破壞。

從間柱的位移場(chǎng)分布圖9、圖10看出，間柱的最大垂直位移主要發(fā)生在間柱上盤(pán)一側(cè)，最大值為4.6mm，而間柱X方向水平位移最大值出現(xiàn)在間柱下盤(pán)一側(cè)，最大值為3.18mm，Y方向水平位移最大值出現(xiàn)在礦房分段標(biāo)高對(duì)應(yīng)的間柱中心位置，最大值為9.55mm，說(shuō)明間柱主要承受了來(lái)自于頂板和底板的擠壓運(yùn)動(dòng)，對(duì)于支撐頂板、維護(hù)礦房穩(wěn)定起到了很好的作用。

圖7 礦房開(kāi)采后間柱最大主應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖8 礦房開(kāi)采后間柱破壞場(chǎng)分布圖

圖9 各分段間柱垂直位移曲線(負(fù)數(shù)代表向下)

圖10 各分段間柱頂板X(qián)方向水平位移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)地分析和研究了開(kāi)采過(guò)程中礦柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布、破壞場(chǎng)的發(fā)展、位移場(chǎng)的變化，得出以下結(jié)論：

點(diǎn)柱內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，對(duì)支撐上部礦體起到了一定的作用，隨著礦房開(kāi)采空間的增加，點(diǎn)柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減小，點(diǎn)柱對(duì)上部礦體的支撐作用逐漸減弱。受到礦房開(kāi)采擾動(dòng)的影響，點(diǎn)柱全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，破壞性質(zhì)為沿礦層傾向的拉剪復(fù)合破壞。

間柱內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在間柱下方，隨著開(kāi)采空間的增加，間柱內(nèi)應(yīng)力系數(shù)逐漸增加，且大于點(diǎn)柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，說(shuō)明間柱的支撐作用要強(qiáng)于點(diǎn)柱，對(duì)支撐上部礦體以及維護(hù)礦房穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。

[1] 劉沐宇,徐長(zhǎng)佑. 地下采空區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析[J]. 礦冶工程,2000,20(1):19-21

[2] 劉學(xué)增,翟德元.礦柱可靠度設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,18(6):86-88

[3] 趙奎,蔡美峰.某金礦殘留礦柱回采的穩(wěn)定性研究[J].有色金屬，2003，55(02):83-85

[4] 李俊平,馮長(zhǎng)根,郭新亞，等. 礦柱參數(shù)計(jì)算研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(5):662-665

[5] 趙興東, 李元輝, 劉建坡. 紅透山銅礦采場(chǎng)礦柱破裂過(guò)程的數(shù)值模擬[J].金屬礦山,2012，(9)：5-8

[6] 郭建軍,竇源東. 開(kāi)采對(duì)礦柱及圍巖擾動(dòng)破壞規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].黃金，2008,29(6):30-32

[7] 王連國(guó),繆協(xié)興. 基于尖點(diǎn)突變模型的礦柱失穩(wěn)機(jī)理研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào),2006,23(2):137-139

[8] 汪洪濤，隋少飛. 冬瓜山銅礦隔離礦柱開(kāi)采方法及穩(wěn)定性分析[J]. 金 屬 礦 山,2013,441(3):39-42

[9] 付士根,張乃寶,馬海濤,許開(kāi)立.定位注漿頂板的穩(wěn)定性數(shù)值模[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技,2010,6(3):60-64