近地房柱法礦柱尺寸對石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性影響研究

郁富林，肖國喜

(1.江西小龍鎢業(yè)有限公司， 江西吉安市 343723；2.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西南昌 330038)

近地房柱法礦柱尺寸對石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性影響研究

郁富林1，肖國喜2

(1.江西小龍鎢業(yè)有限公司， 江西吉安市 343723；2.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西南昌 330038)

為確保某石膏礦地下礦體回采不影響地表大面積變形和塌陷，對其所預(yù)留的礦柱尺寸大小與采場穩(wěn)定性關(guān)系分析，由面積承載理論構(gòu)建簡易混合礦柱模式，得到礦柱安全系數(shù)隨礦柱寬高比增大而增大的結(jié)論。采用FLAC3D軟件模擬地下開挖過程采場周圍巖體應(yīng)力應(yīng)變變化情況，結(jié)果表明:預(yù)留礦柱在3m及以上時，能較好的維護采場穩(wěn)定，不會出現(xiàn)較大的塑性破壞，滿足地表非重要建筑物的安全要求。

礦柱；采場穩(wěn)定；面積承載理論；數(shù)值模擬

0 引 言

由于石膏礦山軟弱巖石的膨脹、低強度、流變等特性，當(dāng)采用房柱法回采礦體時，為加強和保證采場的穩(wěn)定性，往往需留設(shè)不同形式的礦柱，而礦柱留設(shè)的大小對礦山的安全生產(chǎn)具有明顯的影響[1]，礦柱留設(shè)過大，礦石回收率降低；礦柱留設(shè)過小，將使礦柱強度變小，若其支撐強度小于上部覆巖壓力時，將可能導(dǎo)致采場的失穩(wěn)坍塌，進而引起一系列地表環(huán)境巖土工程問題，如地面塌陷、道路積水、房屋倒塌等[2]。某石膏礦自2013年以來，附近多個礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)失穩(wěn)、地面塌陷事故，引起安全等相關(guān)部門的高度重視，為避免同類問題在該礦山發(fā)生，有必要對在不同礦柱寬高比條件下的采空區(qū)穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

該石膏礦礦體為隱伏礦體，礦層近地表處被第四系所覆蓋，產(chǎn)于上白堊統(tǒng)贛州組第三巖性段的灰色含膏泥巖。其頂、底板圍巖為該段的灰色含膏泥巖或厚層狀紫紅色粉砂質(zhì)泥巖。其中11＃礦層賦存標(biāo)高＋20～－70m，NE走向，傾角12°。在礦段內(nèi)礦層走向長1200m，傾向延伸220m，平均厚度2.52m。礦柱是含石膏層的灰色泥巖，石膏與泥巖呈薄層交替出現(xiàn)，巖石層理發(fā)育，遇水后容易膨脹，脫水后容易沿著巖層面裂開。本文以該石膏礦11＃礦體所布設(shè)的礦房參數(shù)為研究背景，對其不同礦柱寬高條件下采空區(qū)穩(wěn)定性分析，確定合理的安全礦柱尺寸。

2 礦柱尺寸對礦柱穩(wěn)定性理論分析

由于礦柱的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs可由礦柱強度Sp與礦柱平均應(yīng)力σp的比值得到[3]，即:Fs＝Sp/σp，其中礦柱強度Sp采用Lunder公式[4]進行的計算，計算公式為:

式中，Ka為礦柱摩擦系數(shù)；Cp為礦柱平均強度系數(shù)；Wp和h分別為礦柱的寬度和高度。Sl是指完整的巖樣強度，根據(jù)面積承載理論[5]，頂板及上覆巖層巖柱重力由礦柱所承受，礦柱的平均應(yīng)力σp可認(rèn)為是頂板及上覆巖柱重力與該面積內(nèi)的礦柱底面積之比。常見的礦柱有條帶式、正方形、矩形等，該石膏礦是采用的條帶式和正方形混合礦柱，其簡化模型如下圖1所示。

圖1 條帶式與正方形混合礦柱

則該礦柱的平均應(yīng)力計算公式為:

其中:σp為礦柱平均應(yīng)力；γ為礦柱上覆蓋巖層的容重；H為采場埋深；lo為礦房的長度；wo為礦房的寬度；lp為礦柱的長度；wp為礦柱的寬度；wp1為礦壁的寬度。

代入礦房各參數(shù):γ＝23 KN/m、lo＝20m、wo＝7m、wp1＝3m，當(dāng)?shù)V體平均埋深H在60m時，則礦柱安全系數(shù)Fs與礦柱寬高比wp/h之間的關(guān)系如表1所示。

表1 礦柱安全系數(shù)與礦柱寬高比關(guān)系

圖2 礦柱寬高比與礦柱安全系數(shù)關(guān)系

由圖2可知，礦柱安全系數(shù)是隨著礦柱寬高比增大而增大的，根據(jù)Bieniawski[6](1992年)建議的礦柱安全系數(shù)取值，并考慮礦柱長期負(fù)載而失穩(wěn)可能對地表機動車房等非重要建筑物造成損害，礦柱的安全系數(shù)取值為1.5，因此，根據(jù)擬合公式:y＝0.259 x2＋0.407 x＋0.813，擬合相關(guān)系數(shù)為0.999，求得在礦柱寬高比為1.02時，礦柱的安全系數(shù)取得臨界值，即預(yù)留礦柱寬度在2.55m以上，才能保證該礦采空區(qū)的穩(wěn)定，滿足地表非重要建筑物的安全要求。

3 數(shù)值方法模擬

3.1 計算模型構(gòu)建

根據(jù)石膏礦地質(zhì)資料，構(gòu)建200m×120m×120m(X×Y×Z)計算模型，X方向由－100m到100m共 200m，Y方向由0m到120m共120m，Z方向由0m到120m共120m高，其中Y軸為沿礦體走向方向。建立的計算模型劃分的正六面體單元共有384000個，初始節(jié)點有440271個。礦體單元體尺寸:1m×0.5m×0.5m(X×Y×Z)。計算模型圖如圖3所示。在模擬過程中，模型的左右邊界、前后邊界及底邊界采用零位移邊界條件。本文采用摩爾—庫侖模型，巖體破壞采用摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則，所采用礦巖力學(xué)參數(shù)均從礦山采集，具體見表2。

圖3 計算模型

表2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

為節(jié)省的計算時間，將不同水平礦房按照①→②→③→④→⑤→⑥依次進行開挖。其中礦房尺寸為20m×7m(長×寬)，石膏礦層預(yù)留0.5m厚度作為頂板支撐層，在礦柱高2.5m條件下，分別設(shè)置礦柱寬為1，2，3，4m，即寬高比分別為:0.4，0.8，1.2，1.6，對采場埋深Z＝60m即礦房3的采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力應(yīng)變分布進行分析。

圖4 模擬開挖順序

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 位移分析

由圖5～圖8可知，頂板沉降量隨礦柱寬高比的增加而減少。當(dāng)?shù)V柱寬高比為0.4時，位移為－24.91mm；當(dāng)?shù)V柱寬高比小于1.2時，隨著寬高比的增加，頂板沉降每次增加量約為1.0mm，但當(dāng)?shù)V柱寬高比為1.2時，增加量僅為0.4mm。與此同時，底板鼓起量在寬高比為0.4時，底鼓量為20.08mm，其后當(dāng)?shù)V柱寬高比小于1.2時，隨著寬高比的增加，每次增加約為3.0mm，而當(dāng)?shù)V柱寬高比為1.2時，增加量為0.15mm，這說明頂板及底板在礦柱寬高比在0.8時，沉降量發(fā)生突變，寬高比為0.8時的礦柱不足以承受采場上部的壓力發(fā)生了塑性屈服，導(dǎo)致了礦柱兩旁的采場由先前的簡支梁受力狀態(tài)變化為懸臂梁受力狀態(tài)，采空區(qū)極易發(fā)生大規(guī)模的失穩(wěn)。

圖5 礦柱寬高比0.4時z方向位移

圖6 礦柱寬高比0.8時z方向位移

圖7 礦柱寬高比1.2時z方向位移

3.2.2 應(yīng)力分析

由圖9～圖12可知，礦柱端部存在明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)?shù)V柱寬高比為0.8時，最大壓應(yīng)力最大，值為－5.670 MPa，其后隨著礦柱寬高比的增加，壓應(yīng)力集中得到緩解，而礦柱寬高比0.4時，最大壓應(yīng)力最小為－4.634 MPa。與之對應(yīng)的是，當(dāng)?shù)V柱寬高比0.4時，頂板最大拉應(yīng)力最大為0.178 MPa，而礦柱寬高比0.8時，最大拉應(yīng)力最小值為0.147 MPa。這說明，當(dāng)?shù)V柱寬高比在0.8時，采空區(qū)頂板可能局部發(fā)生冒落塌陷，使得最大拉應(yīng)力降低明顯。

圖8 礦柱寬高比1.6時z方向位移

圖9 礦柱寬高比0.4時z方向應(yīng)力

圖10 礦柱寬高比0.8時z方向應(yīng)力

3.2.3 塑性區(qū)分析

由圖13～圖16可知，隨著預(yù)留礦柱寬高比的尺寸增大，塑性區(qū)域逐漸變小，在礦柱寬高比為1.2和1.6時，均只在礦柱局部出現(xiàn)剪切破壞，而當(dāng)?shù)V柱寬高比0.8時，整個礦柱都出現(xiàn)了剪切破壞，而且局部頂板也出現(xiàn)剪切破壞，這將導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)破壞，促使采空區(qū)頂板巖體的完整性遭受嚴(yán)重破壞，裂隙更為發(fā)育，當(dāng)裂隙貫穿至地表，將誘發(fā)地表塌陷現(xiàn)象。

因此，結(jié)合前面對采場位移、應(yīng)力及塑性區(qū)分析，可初步判斷當(dāng)?shù)V柱寬高比為0.8時，礦柱遭受壓應(yīng)力破壞，使得局部采場失穩(wěn)破壞，而礦柱寬高比為1.2時，只在礦柱局部出現(xiàn)塑性變形。為能較好的維持采場的穩(wěn)定，所留礦柱尺寸應(yīng)滿足礦柱寬高比在1.2以上。

圖11 礦柱寬高比1.2時z方向應(yīng)力

圖12 礦柱寬高比1.2時z方向應(yīng)力

圖13 礦柱寬高比0.4時塑性區(qū)域分布

4 結(jié) 論

對某石膏礦埋深60m處礦段，不同礦柱尺寸條件下采空區(qū)穩(wěn)定狀態(tài)進行了數(shù)值模擬，通過進行模擬結(jié)果對比，得到以下幾點結(jié)論。

圖14 礦柱寬高比0.8時塑性區(qū)域分布

圖15 礦柱寬高比1.2時塑性區(qū)域分布

圖16 礦柱寬高比1.6時塑性區(qū)域分布

(1)依據(jù)面積承載理論，將該石膏礦礦柱布置形式簡化為條帶式和正方形礦柱混合布置，并根據(jù)Lunder礦柱強度公式，得到礦柱安全系數(shù)與礦柱寬高比之間的關(guān)系，認(rèn)為該石膏礦礦柱寬度在2.55m以上時，才能滿足地表非重要建筑物的安全要求。

(2)運用FLAC3D軟件構(gòu)建出某石膏礦開挖計算模型，分析在H＝60m處采場位移、應(yīng)力、塑性區(qū)變化情況，認(rèn)為當(dāng)?shù)V柱寬高比在0.8時，礦柱發(fā)生塑性屈服，并促使采空區(qū)頂板巖體的完整性遭受嚴(yán)重破壞，將可能誘發(fā)地表塌陷現(xiàn)象，而礦柱寬高比在1.2即礦柱寬3m時，只在礦柱局部發(fā)生塑性破壞，仍然能維持采場穩(wěn)定，這與理論分析結(jié)果相互吻合。

(3)結(jié)合理論與模擬分析結(jié)果，認(rèn)為該石膏礦礦柱預(yù)留應(yīng)在3m以上，才能保證采場穩(wěn)定。

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2015-05-12)