某鈾礦上下分區(qū)間保安礦柱破壞規(guī)律研究

程光華，孫剛友，任 賽

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著鈾礦山開采深度的增加，地質(zhì)條件逐漸惡化，為保證鈾礦山的安全高效開采，在上下分區(qū)間留設(shè)水平保安礦柱。水平保安礦柱可使上下采區(qū)同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)活動；也便于在深部采準(zhǔn)工程施工時(shí)，減少上下采區(qū)間地應(yīng)力的相互影響[1]。留設(shè)的水平保安礦柱穩(wěn)定與否直接關(guān)系到深部開采的安全性。采用數(shù)值模擬礦柱破壞規(guī)律，可以較為直觀、真實(shí)地反映保安礦柱的破壞過程[2-5]。通過對留設(shè)不同厚度水平保安礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出該礦山水平保安礦柱的合理尺寸[6-7]，同時(shí)對上盤巖體的失穩(wěn)演化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程背景

某鈾礦山礦體賦存標(biāo)高360～-560 m，埋藏自南向北傾覆，傾角70°，屬急傾斜礦床，礦體分布不均。礦體形態(tài)為復(fù)雜脈狀、透鏡狀，平均厚度為2 m，淺部礦體傾角較陡，深部傾角變緩。礦床地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖石硬度系數(shù)f=8～12，巖石質(zhì)量較好。礦床工程地質(zhì)條件屬簡單類型，且構(gòu)造裂隙導(dǎo)水性差，充水含水層屬弱富水性，水文地質(zhì)條件為簡單類型。

該鈾礦床以-280 m標(biāo)高為界，礦體集中程度有明顯變化。針對規(guī)?；⒓s化開采方案，以-280 m 標(biāo)高為界分為分上下2個采區(qū)，如圖1所示。

2 保安礦柱破壞數(shù)值模擬

2.1 構(gòu)建模型

該鈾礦床開采條件中等，設(shè)計(jì)主要采用廢石充填法開采；但廢石回填體的強(qiáng)度無法達(dá)到原有巖體或膠結(jié)充填的強(qiáng)度，且廢石充填不能充滿整個采場，因此會產(chǎn)生部分的二次應(yīng)力分布。為了明確回采過程中水平保安礦柱、上下盤圍巖的應(yīng)力、位移變化及分布規(guī)律，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析。按照礦山生產(chǎn)實(shí)際，在上下采區(qū)的銜接處留設(shè)水平礦柱，如圖2所示；建立的數(shù)值模型如圖3所示。

模型為垂直礦體走向長400 m，豎直方向高540 m、沿礦體走向方向?qū)?0 m的范圍。模型側(cè)面限制水平位移，模型底部限制垂直位移。巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 上下分區(qū)間保安礦柱示意圖

圖3 建立的保安礦柱數(shù)值模型

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在FLAC3D的平臺，結(jié)合該鈾礦生產(chǎn)實(shí)際，采用逐步逼近法計(jì)算開采體系中水平保安礦柱的適宜厚度。通過不斷減少礦柱尺寸，計(jì)算礦柱由穩(wěn)定狀態(tài)向極限平衡狀態(tài)演化的臨界厚度，得到礦柱安全厚度。水平保安礦柱的作用主要是支撐上下盤圍巖，緩解、降低上部地壓對深部采場的作用，并支撐上部松散充填體。

2.2.1 不同厚度礦柱塑性區(qū)分析

-280 m標(biāo)高分別留設(shè)不同厚度水平保安礦柱的塑性區(qū)分布如圖4所示。可以看出，留設(shè)14 m水平保安礦柱時(shí)，只在礦柱角點(diǎn)有微量礦體發(fā)生塑性破壞，此時(shí)礦柱穩(wěn)定性較好(圖4-a)；礦柱減小到12 m時(shí)，塑性區(qū)有所增加，但沒有貫通(圖4-b)；礦柱減小為10 m時(shí)，礦柱中塑性區(qū)基本連通，破壞嚴(yán)重(圖4-c)，且部分礦柱經(jīng)歷多次剪切和拉伸破壞，礦柱的整體性受到嚴(yán)重破壞，此時(shí)它已不能以整體結(jié)構(gòu)在地壓控制過程中發(fā)揮積極作用。水平礦柱先是從兩端出現(xiàn)塑性區(qū)，最后沿礦柱對角線產(chǎn)生破壞。

圖4 -280 m分別留設(shè)不同厚度水平保安礦柱的塑性區(qū)分布

礦柱失穩(wěn)是礦柱塑性區(qū)擴(kuò)展演化而誘發(fā)礦柱發(fā)生大規(guī)模的塑性流動，伴隨著礦柱失去承載力，而發(fā)生的橫向屈服變形、頂板垮落、開采區(qū)被上覆巖層充填、巖層發(fā)生彎曲下沉等現(xiàn)象。不同礦柱寬度下礦柱塑性區(qū)所占比例如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著礦柱厚度的減小，礦柱內(nèi)的塑性單元所占比例增加。當(dāng)-280 m水平礦柱厚度由10 m變?yōu)?2 m時(shí)，礦柱內(nèi)處于塑性狀態(tài)的單元所占比例由42.71%驟降為19.57%；當(dāng)?shù)V柱厚度為12～14 m時(shí)，塑性區(qū)所占比例較小，比較安全。

圖5 留設(shè)不同厚度水平保安礦柱塑性區(qū)所占比例

2.2.2 不同厚度礦柱拉應(yīng)力分析

-280 m標(biāo)高留設(shè)不同厚度水平保安礦柱的最大應(yīng)力分布如圖6所示，在FLAC3D中拉應(yīng)力為正。從數(shù)值分析結(jié)果可看出，當(dāng)保安礦柱厚度分別為14、12、10 m時(shí)，僅僅是在靠近水平保安礦柱下盤頂部和上盤底部位置產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力分別為6.54、6.41、6.37 MPa，均小于巖體的抗拉強(qiáng)度，且拉應(yīng)力變化幅度較小，說明保安礦柱并未產(chǎn)生拉伸破壞。但水平保安礦柱底部靠近上盤位置拉應(yīng)力較大，屬于比較危險(xiǎn)區(qū)域，生產(chǎn)活動中應(yīng)加強(qiáng)對該區(qū)域的應(yīng)力監(jiān)測。

2.2.3 不同厚度礦柱位移分析

在礦柱跨度一定的情況下，水平保安礦柱厚度不同導(dǎo)致上盤巖層位移不同。隨著礦柱厚度的減少，開采區(qū)上覆巖層向充填區(qū)域位移增加，礦柱頂板沉降量也增加；且當(dāng)?shù)V柱厚度減少到一定尺寸時(shí)，出現(xiàn)礦柱失穩(wěn)，上下采區(qū)上盤巖體冒落區(qū)域發(fā)生合并，威脅上部采區(qū)的安全作業(yè)。礦柱中位移最大區(qū)域分布在礦柱的端點(diǎn)部位，礦柱位移監(jiān)測點(diǎn)根據(jù)礦柱危險(xiǎn)部位人為設(shè)定，位移監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。在礦柱內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，整理模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，并繪制位移曲線(圖8)。

圖6 -280 m留設(shè)不同尺寸水平保安礦柱最大應(yīng)力分布

圖7 位移監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖

圖8 -280 m水平礦柱監(jiān)測點(diǎn)位移曲線

從圖8可看出，當(dāng)-280 m水平礦柱厚度為12 m時(shí)，礦柱在監(jiān)測點(diǎn)4、監(jiān)測點(diǎn)2、監(jiān)測點(diǎn)3、監(jiān)測點(diǎn)1的豎向沉降量依次減小。這說明水平保安礦柱在靠近上盤的角點(diǎn)位置最為危險(xiǎn)，礦柱可能從該位置開始發(fā)生破壞，應(yīng)加強(qiáng)在該位置的應(yīng)力、位移監(jiān)測。水平礦柱頂板在產(chǎn)生一定的位移后趨于平穩(wěn)，此時(shí)保安礦柱仍保持相對穩(wěn)定，在控制地壓活動中起到積極作用。根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，從塑性區(qū)分布、應(yīng)力和位移分析得出，-280 m留設(shè)保安礦柱厚度為12 m時(shí)，可以保證其穩(wěn)定性。

3 上盤巖體失穩(wěn)演化模式

開采區(qū)的形成導(dǎo)致周邊圍巖應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布，水平保安礦柱厚度不同時(shí)，其上盤巖體的移動規(guī)律不同。水平保安礦柱的失穩(wěn)演化模式如圖9所示?？梢钥闯?，水平保安礦柱的強(qiáng)度決定了開采區(qū)上盤圍巖是否垮落。上下采區(qū)間保安礦柱的破壞可分為3個階段。

3.1 承壓區(qū)、卸壓區(qū)形成階段

礦體開采后采用廢石充填，廢石充填體的強(qiáng)度低、空隙大，上盤巖體將形成應(yīng)力拱。由于水平保安礦柱的存在，各應(yīng)力拱之間相互獨(dú)立，應(yīng)力拱內(nèi)礦巖受拉，同時(shí)將巖體的自重轉(zhuǎn)載至相鄰的水平保安礦柱上，導(dǎo)致礦柱上下盤圍巖應(yīng)力集中，形成承壓區(qū)。此時(shí)水平保安礦柱強(qiáng)度大于上下盤圍巖的集中應(yīng)力，處于穩(wěn)定階段(圖9-a)。

3.2 卸壓區(qū)疊加階段

受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，保安礦柱的強(qiáng)度逐漸趨近于上下盤圍巖的集中應(yīng)力，原本相互獨(dú)立的應(yīng)力、位移區(qū)開始出現(xiàn)重合區(qū)域，此時(shí)水平保安礦柱處于極限應(yīng)力平衡狀態(tài)(圖9-b)。

3.3 卸壓區(qū)冒落階段

隨著礦柱強(qiáng)度的繼續(xù)降低，處于極限應(yīng)力平衡的水平保安礦柱開始失穩(wěn)，無法再支撐上盤圍巖的集中應(yīng)力。上盤圍巖由于卸壓區(qū)過大形成垮落帶(圖9-c)，原本部分區(qū)域重合的應(yīng)力拱現(xiàn)已完全合并，形成更大的應(yīng)力拱；但由于廢石充填體的存在，垮落帶范圍不會太大。

圖9 水平保安礦柱失穩(wěn)演化模式

4 結(jié)論

1)通過FLAC3D對某鈾礦山上下分區(qū)開采水平保安礦柱留設(shè)厚度進(jìn)行數(shù)值模擬，確定12 m為水平保安礦柱的安全厚度。

2)通過對礦柱破壞引發(fā)的上盤巖體冒落演化過程進(jìn)行分析，由于礦體的開采，造成地應(yīng)力二次分布，在開采區(qū)上盤形成卸壓區(qū)和承壓區(qū)，礦柱發(fā)生從穩(wěn)定階段到變形階段、破壞階段的演化，與巖石的壓破壞類似，說明水平保安礦柱的破壞機(jī)制符合巖石的破壞規(guī)律。

3)水平保安礦柱的穩(wěn)定性是一個動態(tài)過程，應(yīng)在保安礦柱應(yīng)力集中區(qū)域安裝相應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握礦柱應(yīng)力、位移變化大小及規(guī)律。