全面采礦法點柱尺寸與采場頂板穩(wěn)定性關(guān)系研究

汪 亮 王 星

(中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

某鉛鋅礦采用全面留礦法開采了數(shù)十年，留下了幾十萬方的采空區(qū)群，采空區(qū)內(nèi)有眾多不規(guī)則的點柱，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)探測儀，輔以全站儀，基本查清了礦山采空區(qū)分布、點柱分布。根據(jù)測量的數(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個中段，將采空區(qū)和點柱繪制于平面圖上，分別編號，使得復(fù)雜的空區(qū)分布明朗化，共探測劃分采空區(qū)70個，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，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)定性評價方法

對于單一采空區(qū)或采空區(qū)較少的情況下，可以采用工程類比法或數(shù)值模擬法來判定采空區(qū)的穩(wěn)定性[1-2]，而本礦的采空區(qū)較多，達到70個，其中多數(shù)采礦區(qū)還互相連通，互相影響，工程類比法難以實施，采用數(shù)值模擬法逐一判定費時費力，加之采空區(qū)間的相互影響，結(jié)果的準(zhǔn)確性也會受到影響。

針對本礦采空區(qū)的特點，采用FLAC3D模擬單一暴露面積下點柱受力情況，通過多次模擬，找出采空區(qū)處于極限穩(wěn)定狀態(tài)下的點柱尺寸[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柱尺寸的關(guān)系；列出暴露面積及其相對應(yīng)的點柱尺寸，采用數(shù)值擬合的方法創(chuàng)建其關(guān)系公式；根據(jù)查明的點柱及采空區(qū)面積，對照創(chuàng)建公式進行穩(wěn)定性評價。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 礦巖體力學(xué)參數(shù)選取

對礦山的主要礦巖(綠片巖、礦石和大理巖)進行節(jié)理裂隙調(diào)查及取樣，通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗獲取其力學(xué)參數(shù)，并進行巖體物理力學(xué)參數(shù)折減，本次數(shù)值模擬過程中所用巖體力學(xué)參數(shù)見表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)的對應(yīng)關(guān)系要進行多次反復(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)無限大，其點柱尺寸相同，每個點柱間的空區(qū)面積為450 m2，建立采空區(qū)群模型,見圖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，設(shè)定的點柱尺寸有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)，點柱為4.0 m×4.0 m時，采空區(qū)頂板已經(jīng)發(fā)生拉伸破壞；點柱為5.5 m×5.5 m 時，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；點柱尺寸為4.5 m×4.5 m和5.0 m×5.0 m時的應(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)，并進一步對這兩組進行對比分析，找出最佳耦合的一組。2組計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)測曲線見圖2、圖3。

圖2 4.5 m×4.5 m點柱數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 5 m×5 m點柱數(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，點柱尺寸為4.5 m×4.5 m時，圍巖中的最大主應(yīng)力為27.11 MPa，出現(xiàn)在點柱靠近底板1/3處，并且在點柱和頂?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。點柱尺寸為5 m×5 m時，最大主應(yīng)力為27.16 MPa，點柱中間靠近底板的位置在計算過程中曾處于剪切屈服狀態(tài)，但在模型計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，頂板暴露面積為450 m2，點柱尺寸由4.5 m×4.5 m增大到5 m×5 m時，采空區(qū)頂板中央的位移量顯著減小，因此，增大點柱的尺寸對維護頂板的穩(wěn)定具有重要作用，并且數(shù)值模擬計算結(jié)果與理論分析相吻合。此時，與頂板暴露面積為450 m2最佳耦合的點柱尺寸為5 m×5 m。

3 數(shù)值擬合

經(jīng)過多次的模擬，得出4組不同暴露面積采空區(qū)在極限穩(wěn)定時的點柱尺寸，見表2。

將表2中數(shù)據(jù)統(tǒng)計列表，并得到數(shù)據(jù)回歸曲線，見圖4。

表2 不同暴露面積采空區(qū)在極限穩(wěn)定時的點柱尺寸

圖4 點柱尺寸與采空區(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)律進行曲線數(shù)據(jù)擬合后，得到最佳的點柱尺寸與采空區(qū)頂板暴露面積之間的關(guān)系式，考慮到數(shù)值模擬時點柱為規(guī)整的，而在實際生產(chǎn)中的點柱卻不完全規(guī)整，因此，在公式中加入了點柱尺寸修正系數(shù)K，公式如下：

式中,SDZ為點柱尺寸，m2；SDB為采空區(qū)頂板暴露面積，m2；K為點柱尺寸修正系數(shù)，為點柱橫截面的最窄處尺寸，m,L為點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)時與點柱尺寸的耦合關(guān)系計算。

在各組采空區(qū)頂板暴露面積下，頂板下沉量、點柱最大主應(yīng)力和位移對點柱尺寸的變化表現(xiàn)敏感，表明點柱尺寸對采空區(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)，這條曲線關(guān)系式在一定程度上能夠反映最合理點柱尺寸與采空區(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，且小于最大安全暴露面積時，其內(nèi)留設(shè)的點柱尺寸應(yīng)不小于公式所計算的尺寸。

4 穩(wěn)定性評價結(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級進行評判分析，結(jié)果表明，穩(wěn)定采空區(qū)39個，基本穩(wěn)定采空區(qū)15個，欠穩(wěn)定采空區(qū)12個，不穩(wěn)定采空區(qū)4個，在穩(wěn)定和基本穩(wěn)定的54個采空區(qū)中有點柱的采空區(qū)為19個，共有點柱67個，利用創(chuàng)建的公式分析后，有5個礦柱可以回收，礦量約1 099 t。

5 結(jié) 語

以數(shù)值模擬和數(shù)值擬合的方法創(chuàng)建了某礦點柱尺寸與采場頂板穩(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；同時還分析得到有5個礦柱可進行回收，礦量約1 099 t，經(jīng)濟效益近百萬元。礦山今后在生產(chǎn)過程中可以利用本次研究成果合理確定點柱位置和尺寸，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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