高應(yīng)力環(huán)境水平礦柱尺寸演變過程力學(xué)響應(yīng)及穩(wěn)定性

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明，650093)

未來10～15 a，我國將有50%鐵礦資源、33%有色金屬資源以及53%煤炭資源開采進(jìn)入1 km 以下，千米級深部資源開采已成為常態(tài)[1]。與地下淺部工程相比，深地巖體賦存環(huán)境復(fù)雜，深地巷道圍巖表現(xiàn)出特有的力學(xué)特征，采區(qū)地應(yīng)力將達(dá)到45 MPa 以上，圍巖的大變形、強(qiáng)流變性以及動力響應(yīng)的突變性等問題將引發(fā)重大安全隱患。在深部資源開采過程中多采用雙中段同時回采模式，雙中段回采過程中將形成由厚至薄動態(tài)變化的水平礦柱。水平礦柱在不斷變薄的過程中需要承擔(dān)異常復(fù)雜的高應(yīng)力擾動和應(yīng)力轉(zhuǎn)移[2]。水平礦柱的穩(wěn)定性成為制約礦山生產(chǎn)安全和保障生產(chǎn)進(jìn)度的重要因素。

傳統(tǒng)意義上，理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、安全系數(shù)評價、物理相似模型以及數(shù)值模擬等手段是研究采場穩(wěn)定性的主要方法。姚高輝等[3]通過擴(kuò)展后的Hoek-Brown 節(jié)理強(qiáng)度準(zhǔn)則分析破碎圍巖條件下的采場留存礦柱的巖體力學(xué)參數(shù)，確定礦柱安全存留尺寸；鄒洋等[4]通過普氏拱理論建立礦柱合理寬度計(jì)算模型，并采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)危險(xiǎn)性分級；徐曉鼎等[5]運(yùn)用能量理論分析采空區(qū)塑性支撐系統(tǒng)，構(gòu)建支撐系統(tǒng)尖點(diǎn)突變模型，得到支撐體系相關(guān)的失穩(wěn)判別條件；張濤等[6]對比寬度折減法和Lunder經(jīng)驗(yàn)公式得到的水平礦柱厚度，提出了礦柱的臨界寬度；趙興東[7]采用極限跨度法、經(jīng)驗(yàn)公式法以及極限平衡分析方法，分析隔離礦柱尺寸，并采用FLAC驗(yàn)算深部開采隔離礦柱穩(wěn)定性；陳順滿等[8]為研究深部回采過程中礦柱穩(wěn)定性影響因素的敏感程度，運(yùn)用BIENIAWSKI 礦柱強(qiáng)度公式推導(dǎo)了方形礦柱安全系數(shù)計(jì)算公式；羅斌玉等[9]根據(jù)應(yīng)力圓與Mohr-Coulomb強(qiáng)度包絡(luò)線之間的關(guān)系，建立考慮礦體傾角及礦柱受正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下礦柱的安全系數(shù)解析式；宋衛(wèi)東等[10]根據(jù)礦柱載荷、強(qiáng)度、失穩(wěn)形式及影響因素，確定等推導(dǎo)出安全系數(shù)計(jì)算公式，研究主要影響因素與礦柱安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系；ZHOU 等[11-12]利用Fisher 判別、支持向量機(jī)和貝葉斯理論等，識別地下礦山礦柱穩(wěn)定性，預(yù)測水平礦柱的安全系數(shù)；余偉健等[13-14]采用平均壓應(yīng)力、平均剪應(yīng)力和屈服比3個指標(biāo)評價水平礦柱穩(wěn)定性；ESTERHUIZEN等[15]基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和FLAC3D 數(shù)值模型，分析長壁回采頂板的穩(wěn)定性，利用模型比較載荷路徑和地面響應(yīng)，證明數(shù)值模型在優(yōu)化長壁布置方面的潛力；SHERIZADEH 等[16]采用3DEC 數(shù)值模擬，評價礦柱尺寸對頂板的穩(wěn)定性影響，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件和開采因素是影響頂板穩(wěn)定性的重要因素，其中層理面影響最大；李夕兵等[17]應(yīng)用中厚板理論建立FLAC3D 隔離礦柱模型，得出安全厚度為20 m；馬卓宇等[18]應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立矩形進(jìn)路的礦柱穩(wěn)定性分析模型，確定最優(yōu)的礦柱厚度為24 m；劉杰等[19]分析某露天轉(zhuǎn)地下礦山的穩(wěn)定性，采用強(qiáng)度折減法和FLAC3D數(shù)值模擬方法，得出不留境界礦柱的地下回采過程中，覆蓋層厚度要至少25 m；徐文斌等[20]分析某金屬礦山階段嗣后充填礦柱破壞機(jī)理，進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬，建立階段嗣后礦柱失穩(wěn)演化模型，得到礦柱破壞方式和采場失穩(wěn)演化過程；周科平等[21]基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嵌入FLAC3D，對水平礦柱進(jìn)行強(qiáng)度折減進(jìn)行數(shù)值模擬；LIU 等[22]通過極限分析法嵌入FLAC3D，分析水平礦柱穩(wěn)定性。由于水平礦柱材料性質(zhì)和應(yīng)力特性復(fù)雜[23-24]，通過單一理論和方法進(jìn)行水平礦柱穩(wěn)定性研究具有局限性[25]。

本文對水平礦柱形成過程進(jìn)行力學(xué)解析，總結(jié)水平礦柱穩(wěn)定性分析方法，探究基于充填體-圍巖拱效應(yīng)的水平礦柱穩(wěn)定性，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)分析水平礦柱穩(wěn)定性，以期實(shí)現(xiàn)深部高應(yīng)力環(huán)境中雙中段同時回采的安全性。

1 水平礦柱形成過程與力學(xué)解析

1.1 水平礦柱形成過程

采用下向水平分層充填采礦法[26-27]對礦山雙中段同時開采時，由分段道掘進(jìn)分層聯(lián)絡(luò)道至礦體，以層為單位進(jìn)行礦體回采，上中段和下中段同時作業(yè)。每層回采完畢后進(jìn)行充填，充填體達(dá)到一定強(qiáng)度時可作為下一分層的頂板，在這一高強(qiáng)頂板的保護(hù)作用下進(jìn)行下一分層的采充作業(yè)。隨著開采，上中段充填體越來越厚，礦體越來越薄，在上中段回采進(jìn)路和下中段首層充填體之間便形成應(yīng)力顯著集中的水平礦柱。水平礦柱形成過程如圖1所示。

圖1 水平礦柱形成過程Fig.1 Formation process of horizontal pillars

在深部高應(yīng)力環(huán)境，水平礦柱內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸凸顯[28]。當(dāng)回采至某一分層時，水平礦柱內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象大幅增加，甚至發(fā)生大范圍應(yīng)力釋放，引起水平礦柱的嚴(yán)重破壞，改變整個生產(chǎn)中段的應(yīng)力生態(tài)，對生產(chǎn)安全形成重大威脅，甚至引發(fā)不可恢復(fù)的生產(chǎn)中斷。

1.2 水平礦柱力學(xué)解析

采用水平進(jìn)路式充填采礦法時，每條進(jìn)路分多次進(jìn)行充填作業(yè)，充分保證采場接頂率，故在力學(xué)分析和模擬中均采用接頂假設(shè)。當(dāng)水平礦柱發(fā)展到某一階段，可認(rèn)為水平礦柱整體符合平板梁力學(xué)模型，其簡化力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 雙中段回采水平礦柱力學(xué)模型Fig.2 Force model of horizontal pillar in double-level mining

根據(jù)圖2，將水平礦柱穩(wěn)定性問題簡化為理想彈性平面問題，應(yīng)力狀態(tài)如式(1)～(2)所示。

式中：σx和σy分別為x和y方向正應(yīng)力；和為x和y方向正應(yīng)力初始值；和分別為x和y方向正應(yīng)力增量；τxy為剪切應(yīng)力；為剪切應(yīng)力初始值；為剪切應(yīng)力增量；r為礦石容量，kN/m3；T為礦柱厚度，m。

考慮設(shè)備行走等因素，可以得到全應(yīng)力分析公式：

式中：σ′x和σ′y分別為設(shè)備自重載荷對礦柱的x和y方向應(yīng)力；σ″x和σ″y分別為設(shè)備行走動載荷對礦柱的x和y方向應(yīng)力；τ′xy為設(shè)備自重載荷對礦柱的剪切應(yīng)力；τ″xy為設(shè)備行走載荷對礦柱的剪切應(yīng)力。

2 水平礦柱穩(wěn)定性分析方法

2.1 水平礦柱破壞模式

水平礦柱是雙中段同時回采至一定程度的產(chǎn)物，在下向水平分層開采過程中，水平礦柱的破壞失穩(wěn)是漸進(jìn)發(fā)生的。圖3所示為水平礦柱內(nèi)應(yīng)力分布形式。由圖3(a)可見：在水平礦柱厚度足夠大時，礦柱內(nèi)部載荷均勻分布，礦柱破壞形式以局部破壞為主。由圖3(b)可見：當(dāng)水平礦柱厚度降低至某一水平時，礦柱內(nèi)應(yīng)力場以“拱形”分布為主，礦柱破壞形式演變?yōu)橐源笮屯话l(fā)性破壞為主[29]。

圖3 水平礦柱內(nèi)應(yīng)力分布形式Fig.3 Distribution form of internal stress in horizontal pillar

水平礦柱的破壞模式主要受自身性質(zhì)以及外部環(huán)境影響。圖4所示為幾種典型水平礦柱破壞模式。

圖4 幾種典型水平礦柱破壞模式Fig.4 Several typical failure modes of horizontal pillars

由圖4(a)可見：如果水平礦柱在采動等動力學(xué)影響下發(fā)育節(jié)理裂隙，在高應(yīng)力環(huán)境，水平礦柱易產(chǎn)生巖體垮落和質(zhì)量劣化等破壞。由圖4(b)可見：如果水平應(yīng)力增強(qiáng)至某一程度，礦柱內(nèi)的節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育貫穿性裂隙，產(chǎn)生剪切破壞。由圖4(c)可見：如果水平應(yīng)力場持續(xù)增強(qiáng)，在高水平應(yīng)力作用下，產(chǎn)生縱向拉伸破壞。

2.2 經(jīng)典穩(wěn)定性分析方法

水平礦柱穩(wěn)定性主要受礦柱高跨比、礦柱尺寸和巖體穩(wěn)定性等參數(shù)綜合影響。礦柱穩(wěn)定性分析方法主要有固定梁理論、厚跨比法、荷載傳遞線交匯法、結(jié)構(gòu)力學(xué)簡華梁法、普氏拱理論估算法、K.B.盧佩涅伊特理論估算法、極限平衡發(fā)以及數(shù)值模擬分析方法。下面對幾種典型的理論算法進(jìn)行分析。

1)固定梁理論[30]

將水平礦柱視為兩端固定的平板梁，結(jié)合全應(yīng)力分析公式，考慮上覆均布載荷及礦柱自重作用，以抗彎失穩(wěn)為準(zhǔn)則，獲得水平礦柱厚度T計(jì)算公式：

式中：K為安全系數(shù)，取4～8；S為水平礦柱的跨度，m；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

由此可見，在保證穩(wěn)定性條件下，礦柱厚度隨空區(qū)跨度呈指數(shù)增長。水平礦柱厚度過大，將形成較大資源損失率；水平礦柱厚度過小，將嚴(yán)重影響采場穩(wěn)定性，形成安全威脅。

2)K.B.魯別涅伊特公式[31]

K.B.魯別涅伊特主要考慮空區(qū)跨度及頂柱巖體特性(強(qiáng)度及構(gòu)造破壞特性)對安全頂柱厚度的影響，同時也考慮水平礦柱上部充填體的作用，提出安全厚度計(jì)算公式如下：

式中：B為空區(qū)跨度，m；γ為充填體密度，kg/m3；為在彎曲條件下巖石強(qiáng)度極限，考慮到強(qiáng)度安全系數(shù)K3和結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)K0條件下頂板強(qiáng)度極限，MPa；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；g為水平礦柱上方的充填體對水平礦柱的壓力，MPa。

3)極限平衡法[[32]

水平礦柱上覆巖層包括上盤圍巖、充填體以及水壓作用，可以利用微分條塊辦法劃分計(jì)算重力和剪應(yīng)力，微分條塊數(shù)量越多計(jì)算結(jié)果越精確。在考慮每一微分條塊不同物理力學(xué)指標(biāo)的同時，就可以應(yīng)用極限平衡法估算水平礦柱極限高度，開挖后，采空區(qū)上覆m條巖層(對于i條厚度hzi)重力與側(cè)邊剪力比值η為：

4)數(shù)值分析

高地應(yīng)力環(huán)境下水平礦柱形成過程復(fù)雜，采用理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)等方法難以真實(shí)還原其演變過程。數(shù)值分析方法可分析大尺度巖體開挖工程，模擬開挖時巖體內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況、巖體破壞形式和破壞程度。FLAC3D分析步驟一般可分為建立數(shù)值模型、材料參數(shù)賦值和邊界條件約束等，計(jì)算完成后，通過云圖分析和監(jiān)測點(diǎn)的過程監(jiān)控，分析工程體所處應(yīng)力和位移情況。

經(jīng)典理論分析法基于外加均布荷載，經(jīng)過了合理簡化。K.B.魯別涅伊特理論考慮生產(chǎn)實(shí)際因素較多，計(jì)算過程復(fù)雜且效率低。固定梁理論和極限平衡法考慮因素相對較少，計(jì)算結(jié)果較保守，易造成資源浪費(fèi)。數(shù)值模擬能夠在礦體尺度精細(xì)化預(yù)知水平礦柱隨開采進(jìn)度的穩(wěn)定性，其結(jié)論具有重要工程意義。

3 基于充填體-圍巖拱效應(yīng)的水平礦柱穩(wěn)定性

3.1 基本假設(shè)

根據(jù)彈性力學(xué)理論，假設(shè)：

1)礦體及充填體是均勻、各向同性的材料[33-34]；

2)礦體及充填體2種介質(zhì)是完全彈性的；

3)充填體及水平礦柱受力后，各質(zhì)點(diǎn)位移遠(yuǎn)小于原物體尺寸；

4)礦柱受到充填體的垂直應(yīng)力σv視為均布荷載。

3.2 充填體-圍巖耦合應(yīng)力分析模型

水平礦柱縱向受到頂柱和充填體重力作用和圍巖側(cè)向擠壓作用，垂直荷載是礦柱破壞的主要原因。拱效應(yīng)是在充填體-圍巖耦合狀態(tài)下的特定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致垂直應(yīng)力小于自身重力的現(xiàn)象。吳愛祥等[35]發(fā)現(xiàn)窄長型充填體的拱架效應(yīng)，可降低圍巖垂直應(yīng)力；姜立春等[36]建立充填體拱效應(yīng)水平礦柱分析模型，計(jì)算出水平礦柱的預(yù)留安全厚度。本文在充填體拱效應(yīng)的基礎(chǔ)上，充分考慮圍巖影響，建立充填體-圍巖拱效應(yīng)模型。充填體-圍巖拱效應(yīng)影響下垂直應(yīng)力的變化如圖5所示。深部環(huán)境下充填體的垂直應(yīng)力分布可采用Thomas 公式進(jìn)行分析：

式中：σv為作用在充填體的垂直應(yīng)力，MPa；h為充填體的高度，m；ω為充填體寬度，m。

圖5 充填體-圍巖拱效應(yīng)下垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution under effect of backfill surrounding rock arch

3.3 水平礦柱穩(wěn)定性

基于充填體-圍巖拱效應(yīng)理論，在雙中段同時回采過程中，水平礦柱不斷變薄，且由于其高度一般都遠(yuǎn)小于其跨度，故可將水平礦柱視為橋拱。

根據(jù)第一強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)最大拉應(yīng)力σmax超過拉應(yīng)力允許值[σt]時，巖體將發(fā)生破壞。σmax應(yīng)滿足：

根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則：

式中：m和s為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù)，m=5，s=0.1。因此，水平礦柱的安全厚度表達(dá)式可表述為：

考慮水平礦柱下部礦體被采出后，當(dāng)水平礦柱下部充填體未被壓縮到承壓狀態(tài)時，水平礦柱只依靠自身強(qiáng)度維持穩(wěn)定。基于充填體-圍巖拱效應(yīng)的水平礦柱穩(wěn)定性分析模型，考慮深部高應(yīng)力環(huán)境下的原巖應(yīng)力和充填體特性，該模型分析速度快，同時具有較廣的識別范圍。

4 工程分析

4.1 工程概況

甘肅某鎳礦處于高應(yīng)力回采區(qū)域，最大主應(yīng)力為30～50 MPa，方向接近水平。該礦區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力245萬t/a，采用雙中段同時回采模式進(jìn)行資源回收。礦體平均真厚為100 m 左右，平均傾角為70°，上盤圍巖為混合巖，下盤圍巖為大理巖，礦體頂部圍巖為二輝橄欖巖，礦山各部分的巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

礦山采用應(yīng)力解除法和改進(jìn)型空心包體應(yīng)變計(jì)測量技術(shù)，測量礦區(qū)3 個中段10 個監(jiān)測點(diǎn)的地應(yīng)力，分析該礦區(qū)深部地應(yīng)力的分布規(guī)律，并利用線性回歸的方法得出最大水平主應(yīng)力σcmax隨深度變化的回歸方程：

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

充填體-圍巖拱效應(yīng)影響下水平礦柱實(shí)際垂直應(yīng)力的可行域?yàn)椋?/p>

式中：[σv]為水平礦柱實(shí)際垂直應(yīng)力；H為礦體深度。

根據(jù)該礦區(qū)的巖體力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力狀態(tài)，水平礦柱可能存在拉破壞或剪切破壞，故針對水平礦柱形成特點(diǎn)，結(jié)合地應(yīng)力分布規(guī)律和充填體強(qiáng)度分析，基于充填體-圍巖拱效應(yīng)模型建立水平礦柱最大主應(yīng)力的分布函數(shù)，得出最大主應(yīng)力的可行域，如圖6所示。

圖6 最大主應(yīng)力隨礦體深度變化特征Fig.6 Variation characteristics of maximum principal stress with ore body depth

采用充填體-圍巖耦合分析模型研究水平礦柱穩(wěn)定性。若采用分層一次性揭露，采場走向長度為200 m，沿礦體寬度為100 m，將上述參數(shù)代入式(14)，得到式(17)：

由h與σv的關(guān)系式繪制曲線，如圖7所示。由圖7可見：隨著最大主應(yīng)力增加，水平礦柱預(yù)留厚度非線性增長，當(dāng)最大主應(yīng)力為20～80 MPa時，水平礦柱應(yīng)預(yù)留厚度達(dá)到28.3～56.6 m，這將形成巨大的資源損失率。

為克服上述問題，降低高地應(yīng)力環(huán)境對采礦活動帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，礦山采用進(jìn)路式充填采礦方案，最大限度減少暴露面積。同時為有效緩解高應(yīng)力對進(jìn)路的破壞程度，采用具有生態(tài)學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的六角形進(jìn)路形式，六角形底寬為4 m，高為5 m，腰寬為6 m。在六角形鑲嵌結(jié)構(gòu)形態(tài)下，水平礦柱的穩(wěn)定性可通過數(shù)值分析手段進(jìn)行精細(xì)化描述。

圖7 礦柱厚度隨最大主應(yīng)力變化特征Fig.7 Variation characteristics of thickness of reserved pillar with maximum principal stress

4.2 雙中段同時開采水平礦柱數(shù)值模型

根據(jù)所研究的問題和礦山開采現(xiàn)狀，建立數(shù)值模型，模型X方向即垂直于礦體走向，長為830 m，模型Y方向即沿礦體走向，為500 m，模型Z方向即豎直方向高度為720 m。采礦方式為雙中段同時回采，六角形全斷面一次性開挖。模型總網(wǎng)格數(shù)55 萬。巖體力學(xué)參數(shù)根據(jù)礦山前期研究成果獲取，應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)充填體-拱效應(yīng)耦合應(yīng)力分析結(jié)果賦值。同時在不同分層布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測開挖時各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力及位移狀態(tài)。在1 540 m關(guān)鍵分段的3 個典型分層布設(shè)30 個水平監(jiān)測點(diǎn)，沿礦體縱剖面布設(shè)16 個豎直監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)分布位置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)分布位置Fig.8 Distribution of monitoring points

4.3 主應(yīng)力與X向位移隨開挖進(jìn)程響應(yīng)特征

模擬試驗(yàn)共進(jìn)行14 步開挖充填過程，水平礦柱最大主應(yīng)力演變?nèi)鐖D9所示。在開挖至第6步之前，水平礦柱內(nèi)部應(yīng)力均勻分布在16 MPa 左右；后期開挖中應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，開挖至第10步時，水平礦柱內(nèi)最大主應(yīng)力達(dá)到15.0～22.5 MPa，高于同水平上下盤處應(yīng)力12.5 MPa 左右，水平礦柱的應(yīng)力已達(dá)到最大值；第12 步開挖后，最大主應(yīng)力降低至7.5～15.0 MPa，表明水平礦柱回采至一定程度后，應(yīng)力集中程度有減弱趨勢，標(biāo)志著最危險(xiǎn)時期已經(jīng)過去；第14 步開挖后，上中段充填體內(nèi)最大主應(yīng)力為1.1～2.5 MPa，下中段充填體內(nèi)最大主應(yīng)力為2.5～7.5 MPa，水平礦柱實(shí)現(xiàn)全部回采。

水平礦柱各階段的最小主應(yīng)力隨開挖進(jìn)程變化如圖10所示。由圖10可見：第6 步開挖后，水平礦柱內(nèi)最小主應(yīng)力為2～3 MPa，越靠近上下盤的位置最小應(yīng)力越大，最大達(dá)5～6 MPa。第10 步開挖后，水平礦柱可能的破壞形式為壓破壞或剪切破壞。第12 步開挖后，水平礦柱最小主應(yīng)力為0.1～2.0 MPa，拉破壞可能性下降。

統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，開挖過程中X方向水平位移現(xiàn)象顯著，巖體移動范圍明顯，并表現(xiàn)出典型的收縮性移動，即上盤巖體向下盤方向移動，下盤巖體向上盤方向移動。開挖進(jìn)程中X方向位移響應(yīng)如圖11所示。上盤巖體從開挖至結(jié)束時移動量最大為47 mm，下盤巖體最大巖移動量為40 mm。大規(guī)模的巖體移動將導(dǎo)致靠近上下盤進(jìn)路的嚴(yán)重變形。在上下盤進(jìn)路開挖時應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和卸壓措施。

4.4 塑性區(qū)隨開挖進(jìn)程分布規(guī)律

分析開挖進(jìn)程中的塑性區(qū)分布如圖12所示。由圖12可見：

1)第6步開挖后，水平礦柱曾出現(xiàn)剪切屈服和拉伸屈服，在上下盤位置及開挖進(jìn)路底板處曾出現(xiàn)剪切屈服。

2)第10步開挖后，水平礦柱全部處于塑性區(qū)，曾出現(xiàn)剪切屈服。以往開挖進(jìn)路中的充填體在本步開挖中曾出現(xiàn)剪切屈服和拉伸屈服，在充填體和圍巖交界處曾出現(xiàn)剪切屈服。

3)第12步開挖后，水平礦柱內(nèi)部經(jīng)歷過剪切屈服，但在水平礦柱上下盤部分位置正在發(fā)生剪切屈服，巖體的整體穩(wěn)定性較差，開挖時巖體有可能產(chǎn)生垮落現(xiàn)象。

4)第14步開挖后，進(jìn)路附近未有正在發(fā)生的剪切屈服，本層進(jìn)路回采未出現(xiàn)大規(guī)模的力學(xué)擾動，穩(wěn)定性良好。

圖9 水平礦柱最大主應(yīng)力隨開挖進(jìn)程響應(yīng)Fig.9 Response of maximum principal stress with excavation progress of horizontal pillar

圖10 水平礦柱最小主應(yīng)力隨開挖進(jìn)程響應(yīng)Fig.10 Response of the minimum principal stress with excavation process of horizontal pillar

圖11 開挖進(jìn)程中X方向位移響應(yīng)Fig.11 X-direction displacement response with excavation process

4.5 最大主應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律

1)不同深度監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)

圖12 塑性區(qū)隨開挖進(jìn)程分布Fig.12 Distribution of plastic zone with excavation process

由圖13可見：在距離地表190～220 m 處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯。并隨著深度增加，最大主應(yīng)力逐漸增大。水平礦柱的最低位置即220 m處，在開挖第10 步時應(yīng)力集中最大值達(dá)到16.3 MPa，在下中段的最低水平也逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為18.25 MPa。由此可見，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要在水平礦柱內(nèi)，在開挖第10 步時，水平礦柱內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到最大，在開挖至11 步以后，最大主應(yīng)力又逐漸減小，并隨著充填最終趨于穩(wěn)定。

2)不同水平監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)

在1 540 m和1 560 m水平各布置10個監(jiān)測點(diǎn)，分布如圖14所示。由圖14可見：不同水平上下盤圍巖及礦體內(nèi)的初始狀態(tài)最大主應(yīng)力分布幾乎在同一水平。但隨著開挖，上下盤圍巖及礦體內(nèi)最大主應(yīng)力分布表現(xiàn)出巨大差異。在上盤，越靠近礦體最大主應(yīng)力波動范圍越大，且最大主應(yīng)力表現(xiàn)出往小值波動，開挖過程中最大主應(yīng)力均小于初始狀態(tài)的最大主應(yīng)力。在下盤同樣表現(xiàn)出同樣變化規(guī)律。在礦體內(nèi)部則表現(xiàn)出越靠近上盤，水平礦柱內(nèi)最大主應(yīng)力集中程度越高，下盤次之，礦體中間部位最大主應(yīng)力集中程度最弱。1 560 m水平靠近礦體上盤最大主應(yīng)力最大值為13.53 MPa，高于初始應(yīng)力3.01 MPa。在1 540 m水平靠近礦體上盤出現(xiàn)的最大值為18.32 MPa，高于初始應(yīng)力7.03 MPa。

圖13 不同深度監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化曲線Fig.13 Change curve of maximum principal stress of each monitoring point at different depths

綜合上述分析可以判斷，水平礦柱厚度在剩余10～20 m 范圍時，最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象較顯著，在靠近上下盤進(jìn)路易出現(xiàn)壓縮變形破壞。在水平礦柱厚度小于10 m 以下時，發(fā)生大規(guī)模應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，水平礦柱內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)基本穩(wěn)定。

圖14 水平礦柱內(nèi)同水平監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力隨X距離變化Fig.14 Maximum principal stress of same horizontal monitoring point in horizontal pillar changes with X distance

5 結(jié)論

1)隨著雙中段同時開挖的不斷推進(jìn)，當(dāng)水平礦柱厚度降低至10～30 m時，水平礦柱內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)狀逐漸顯著，應(yīng)力集中程度最大達(dá)22.5 MPa。在此階段，進(jìn)路可能存在垮塌、底板底鼓和頂板冒落等現(xiàn)象。尤其靠近上盤進(jìn)路最容易產(chǎn)生巷道變形及頂板冒落，上盤部分進(jìn)路存在整體垮塌失穩(wěn)的可能性，下中段開挖進(jìn)路底鼓現(xiàn)象較嚴(yán)重。

2)危險(xiǎn)階段發(fā)生在水平礦柱厚度剩余10～20 m時，靠近上盤的進(jìn)路經(jīng)歷過剪切屈服，巖體整體穩(wěn)固性較差，最容易產(chǎn)生巷道側(cè)向擠壓變形和頂板冒落。

3)當(dāng)水平礦柱厚度降至10 m 以下時，發(fā)生大規(guī)模應(yīng)力轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，充填體吸收部分應(yīng)力，水平礦柱內(nèi)應(yīng)力較低，并且狀態(tài)穩(wěn)定。在充填體的保護(hù)作用下，水平礦柱可安全回收。

4)水平礦柱最危險(xiǎn)狀態(tài)并非隨礦柱尺寸線性增強(qiáng)，而是發(fā)生在礦柱厚度為10～20 m 范圍附近，此時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測狀態(tài)設(shè)置永久礦柱。