汪 亮 王 星

(中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

某鉛鋅礦采用全面留礦法開(kāi)采了數(shù)十年，留下了幾十萬(wàn)方的采空區(qū)群，采空區(qū)內(nèi)有眾多不規(guī)則的點(diǎn)柱，給周邊環(huán)境造成了較大的安全隱患。采空區(qū)調(diào)查主要采用CMS空區(qū)探測(cè)儀，輔以全站儀，基本查清了礦山采空區(qū)分布、點(diǎn)柱分布。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，建立三維模型，并結(jié)合礦山中段平面圖的劃分和采空區(qū)間的空間關(guān)系，劃分了10個(gè)中段，將采空區(qū)和點(diǎn)柱繪制于平面圖上，分別編號(hào)，使得復(fù)雜的空區(qū)分布明朗化，共探測(cè)劃分采空區(qū)70個(gè)，采空區(qū)面積為137 842.9 m2，體積為579 654.4 m3，根據(jù)空區(qū)模型圈定礦柱146個(gè)，礦柱總體積為23 429.02 m3，礦柱礦量約84 813.06 t，為下一步的工作打下了基礎(chǔ)。

1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

對(duì)于單一采空區(qū)或采空區(qū)較少的情況下，可以采用工程類(lèi)比法或數(shù)值模擬法來(lái)判定采空區(qū)的穩(wěn)定性[1-2]，而本礦的采空區(qū)較多，達(dá)到70個(gè)，其中多數(shù)采礦區(qū)還互相連通，互相影響，工程類(lèi)比法難以實(shí)施，采用數(shù)值模擬法逐一判定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加之采空區(qū)間的相互影響，結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)受到影響。

針對(duì)本礦采空區(qū)的特點(diǎn)，采用FLAC3D模擬單一暴露面積下點(diǎn)柱受力情況，通過(guò)多次模擬，找出采空區(qū)處于極限穩(wěn)定狀態(tài)下的點(diǎn)柱尺寸[3]；采用相同方法模擬出多組不同暴露面積下暴露面積與點(diǎn)柱尺寸的關(guān)系；列出暴露面積及其相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)柱尺寸，采用數(shù)值擬合的方法創(chuàng)建其關(guān)系公式；根據(jù)查明的點(diǎn)柱及采空區(qū)面積，對(duì)照創(chuàng)建公式進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 礦巖體力學(xué)參數(shù)選取

對(duì)礦山的主要礦巖(綠片巖、礦石和大理巖)進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查及取樣，通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)獲取其力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行巖體物理力學(xué)參數(shù)折減，本次數(shù)值模擬過(guò)程中所用巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 單組數(shù)值模擬

數(shù)值擬合需要多組數(shù)據(jù)，而為了獲取每組數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系要進(jìn)行多次反復(fù)模擬，由于內(nèi)容較多而篇幅有限，在此僅列舉采空區(qū)暴露面積為450 m2的數(shù)值模擬情況。

2.2.1 模型建立

模擬前假設(shè)采空區(qū)無(wú)限大，其點(diǎn)柱尺寸相同，每個(gè)點(diǎn)柱間的空區(qū)面積為450 m2，建立采空區(qū)群模型,見(jiàn)圖1。

圖1 空區(qū)群模型

2.2.2 模擬結(jié)果及分析

模擬450 m2的暴露面積時(shí)，設(shè)定的點(diǎn)柱尺寸有4.0 m×4.0 m、4.5 m×4.5 m、5.0 m×5.0 m、5.5 m×5.5 m，模擬后發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)柱為4.0 m×4.0 m時(shí)，采空區(qū)頂板已經(jīng)發(fā)生拉伸破壞；點(diǎn)柱為5.5 m×5.5 m 時(shí)，采空區(qū)頂板受力情況較好，位移不明顯，這兩組不是所要找的結(jié)果；點(diǎn)柱尺寸為4.5 m×4.5 m和5.0 m×5.0 m時(shí)的應(yīng)力云圖和位移云圖符合目標(biāo)結(jié)果的特征，列為備選數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步對(duì)這兩組進(jìn)行對(duì)比分析，找出最佳耦合的一組。2組計(jì)算模型剖面位置的最大主應(yīng)力云圖、最小主應(yīng)力云圖、位移云圖和采空區(qū)頂板位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 4.5 m×4.5 m點(diǎn)柱數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 5 m×5 m點(diǎn)柱數(shù)值模擬結(jié)果

由圖2、圖3可以看出，當(dāng)采空區(qū)頂板暴露面積為450 m2，點(diǎn)柱尺寸為4.5 m×4.5 m時(shí)，圍巖中的最大主應(yīng)力為27.11 MPa，出現(xiàn)在點(diǎn)柱靠近底板1/3處，并且在點(diǎn)柱和頂?shù)装宓慕唤缥恢冒l(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在采空區(qū)中央部位產(chǎn)生了拉伸屈服區(qū)域，圍巖中的最大位移出現(xiàn)在采空區(qū)頂板中央位置，為90.19 mm。點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m時(shí)，最大主應(yīng)力為27.16 MPa，點(diǎn)柱中間靠近底板的位置在計(jì)算過(guò)程中曾處于剪切屈服狀態(tài)，但在模型計(jì)算完成之后退出了此狀態(tài)，另外，采空區(qū)頂板的最大下沉量為9.04 mm。由此可見(jiàn)，頂板暴露面積為450 m2，點(diǎn)柱尺寸由4.5 m×4.5 m增大到5 m×5 m時(shí)，采空區(qū)頂板中央的位移量顯著減小，因此，增大點(diǎn)柱的尺寸對(duì)維護(hù)頂板的穩(wěn)定具有重要作用，并且數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與理論分析相吻合。此時(shí)，與頂板暴露面積為450 m2最佳耦合的點(diǎn)柱尺寸為5 m×5 m。

3 數(shù)值擬合

經(jīng)過(guò)多次的模擬，得出4組不同暴露面積采空區(qū)在極限穩(wěn)定時(shí)的點(diǎn)柱尺寸，見(jiàn)表2。

將表2中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)列表，并得到數(shù)據(jù)回歸曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

表2 不同暴露面積采空區(qū)在極限穩(wěn)定時(shí)的點(diǎn)柱尺寸

圖4 點(diǎn)柱尺寸與采空區(qū)頂板暴露面積關(guān)系

由圖4分析可知，合理的點(diǎn)柱尺寸隨著采空區(qū)頂板暴露面積的增大而增大，兩者之間符合一定的規(guī)律特性，將此規(guī)律進(jìn)行曲線(xiàn)數(shù)據(jù)擬合后，得到最佳的點(diǎn)柱尺寸與采空區(qū)頂板暴露面積之間的關(guān)系式，考慮到數(shù)值模擬時(shí)點(diǎn)柱為規(guī)整的，而在實(shí)際生產(chǎn)中的點(diǎn)柱卻不完全規(guī)整，因此，在公式中加入了點(diǎn)柱尺寸修正系數(shù)K，公式如下：

式中,SDZ為點(diǎn)柱尺寸，m2；SDB為采空區(qū)頂板暴露面積，m2；K為點(diǎn)柱尺寸修正系數(shù)，為點(diǎn)柱橫截面的最窄處尺寸，m,L為點(diǎn)柱橫截面最寬處尺寸,m。

公式的擬合度R2=0.986,適用于采空區(qū)頂板暴露面積在最大安全暴露面積內(nèi)時(shí)與點(diǎn)柱尺寸的耦合關(guān)系計(jì)算。

在各組采空區(qū)頂板暴露面積下，頂板下沉量、點(diǎn)柱最大主應(yīng)力和位移對(duì)點(diǎn)柱尺寸的變化表現(xiàn)敏感，表明點(diǎn)柱尺寸對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性影響較大。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果回歸得出公式的擬合度為0.986，大于0.85，因此，在采空區(qū)頂板最大安全暴露面積范圍內(nèi)，這條曲線(xiàn)關(guān)系式在一定程度上能夠反映最合理點(diǎn)柱尺寸與采空區(qū)頂板暴露面積之間的關(guān)系,即為了確保采空區(qū)的安全性，當(dāng)采空區(qū)頂板暴露面積一定時(shí)，且小于最大安全暴露面積時(shí)，其內(nèi)留設(shè)的點(diǎn)柱尺寸應(yīng)不小于公式所計(jì)算的尺寸。

4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)礦山采空區(qū)調(diào)查的結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬分析數(shù)據(jù)，同時(shí)兼顧考慮到其他因素的影響[4-5]，將采空區(qū)穩(wěn)定性狀況分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定4級(jí)進(jìn)行評(píng)判分析，結(jié)果表明，穩(wěn)定采空區(qū)39個(gè)，基本穩(wěn)定采空區(qū)15個(gè)，欠穩(wěn)定采空區(qū)12個(gè)，不穩(wěn)定采空區(qū)4個(gè)，在穩(wěn)定和基本穩(wěn)定的54個(gè)采空區(qū)中有點(diǎn)柱的采空區(qū)為19個(gè)，共有點(diǎn)柱67個(gè)，利用創(chuàng)建的公式分析后，有5個(gè)礦柱可以回收，礦量約1 099 t。

5 結(jié) 語(yǔ)

以數(shù)值模擬和數(shù)值擬合的方法創(chuàng)建了某礦點(diǎn)柱尺寸與采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的關(guān)系公式，并判定了現(xiàn)有采空區(qū)的穩(wěn)定性，便于采取措施確保礦山周邊的安全性；同時(shí)還分析得到有5個(gè)礦柱可進(jìn)行回收，礦量約1 099 t，經(jīng)濟(jì)效益近百萬(wàn)元。礦山今后在生產(chǎn)過(guò)程中可以利用本次研究成果合理確定點(diǎn)柱位置和尺寸，在確保安全的前提下提高回采率，降低貧化率，獲取較好的經(jīng)濟(jì)效益。雖然本次研究成果是在本礦礦巖參數(shù)下得到的，具有較強(qiáng)特殊性，不一定適用于其他的礦山，但該研究思路和方法值得借鑒和推廣。

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[2] 任賀旭,李占金,李 群,等.點(diǎn)柱分層充填法的點(diǎn)柱間距優(yōu)化與穩(wěn)定性分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2015,35(11):60-63.

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