分區(qū)協(xié)同開(kāi)采下礦柱力學(xué)響應(yīng)與穩(wěn)定性分析*

熊曉勃，程海勇，吳順川，張小強(qiáng)，劉 津

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

0 引言

隨著采礦技術(shù)的發(fā)展和提升，礦產(chǎn)資源開(kāi)采量急速增加，使得淺部礦產(chǎn)資源迅速減少乃至枯竭。為支撐資源的高效利用，需要對(duì)一些開(kāi)采難度大、地質(zhì)條件復(fù)雜的礦體進(jìn)行開(kāi)發(fā)[1]。在高強(qiáng)度的開(kāi)采下，采空區(qū)的規(guī)模和數(shù)量也將越來(lái)越大，若不及時(shí)處理必然會(huì)出現(xiàn)采空區(qū)應(yīng)力集中、山體崩落、地面塌陷以及植被破壞等災(zāi)害[2]。礦柱是地下礦床開(kāi)采過(guò)程中的重要因素，維護(hù)著采場(chǎng)的穩(wěn)定性[3]。因此，研究礦柱尺寸和規(guī)模的合理布置對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義[4]。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)礦柱穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。王金安等[5]根據(jù)礦巖流變特性，構(gòu)建了采空區(qū)頂板的位移控制方程式；程海勇等[6]推導(dǎo)出礦柱厚度計(jì)算公式并進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同厚度礦柱的應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布規(guī)律；李夕兵等[7]針對(duì)隔離礦柱建立力學(xué)模型，使用FLAC3D軟件，驗(yàn)證了隔離礦柱的穩(wěn)定性；Musa等[8]建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合礦柱所能承受的最大應(yīng)變，對(duì)礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；Pushpendra等[9]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值公式以及數(shù)值模型和解析模型，研究了礦柱的穩(wěn)定性和應(yīng)力狀態(tài)。

本文針對(duì)某釩鐵礦不同分區(qū)回采中的穩(wěn)定性問(wèn)題，探討分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)體系及開(kāi)采方案，運(yùn)用礦柱強(qiáng)度理論及FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)東、西區(qū)鐵礦體中礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 分區(qū)協(xié)同開(kāi)采

某釩鐵礦賦存條件比較復(fù)雜且釩鐵開(kāi)采相互制約。礦體近似平行產(chǎn)出，其開(kāi)采順序、開(kāi)采進(jìn)度、開(kāi)采規(guī)模及采礦方法相互影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，基于協(xié)同開(kāi)采理念[10]，根據(jù)礦體儲(chǔ)量、礦石品位以及礦體產(chǎn)狀之間的關(guān)系，采用不同的采礦方法進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)與分區(qū)回采。根據(jù)資源賦存條件，規(guī)劃勘探線7～10號(hào)線為東區(qū)，10～13號(hào)線為中區(qū)，13～21號(hào)線為西區(qū)。通過(guò)協(xié)同開(kāi)采和分區(qū)開(kāi)采[11]理念，提出針對(duì)該礦區(qū)的分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)體系。

2 礦柱強(qiáng)度理論

2.1 礦柱強(qiáng)度

在地下礦床開(kāi)采中，礦柱的寬高比是影響礦柱強(qiáng)度和礦柱穩(wěn)定性的重要因素[12]。不同形狀礦柱的礦柱強(qiáng)度可以通過(guò)式(1)，(2)確定[13]。

對(duì)b<0.3H

(1)

對(duì)l

(2)

式中：l為礦柱長(zhǎng)度，m；b為礦柱寬度，m；H為礦柱高度，m；σu為礦柱的實(shí)際強(qiáng)度，MPa；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.2 礦柱承受載荷

巖體開(kāi)挖后導(dǎo)致應(yīng)力重分布，礦柱受到上覆巖層壓力，頂板巖層出現(xiàn)壓縮變形，形成小免壓拱，發(fā)展到一定程度時(shí)，相鄰的免壓拱逐漸合并，形成一個(gè)大的免壓拱，礦柱承載機(jī)理如圖1所示[14]。

圖1 礦柱承載機(jī)理示意

根據(jù)礦柱平均應(yīng)力理論，礦柱承受的載荷和礦柱的支撐應(yīng)力可通過(guò)式(3)，(4)進(jìn)行計(jì)算。

P=Sg∑ρihi

(3)

(4)

式中：P為礦柱承受載荷，kN；σp為礦柱承受的壓應(yīng)力，MPa；S為礦柱承受載荷面積，m2；g為重力加速度，取9.8 m/s2；ρi為第i層上覆巖層的平均密度，kg/m3；hi為第i層上覆巖層的厚度，m。

2.3 礦柱安全系數(shù)計(jì)算

安全系數(shù)是一個(gè)定性的結(jié)果，它可以更好地對(duì)礦柱的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，計(jì)算見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：k為礦柱安全系數(shù)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以某釩鐵礦為例，礦區(qū)內(nèi)釩礦體走向約4 200 m，傾角17°～68°，平均厚度為11.3 m，上下盤(pán)圍巖f=6～10，屬于中等穩(wěn)固型巖體。礦區(qū)內(nèi)鐵礦體走向約3 200 m，傾角28°～66°，平均厚度為12.35 m，上盤(pán)圍巖f=8～12，下盤(pán)圍巖f=9～14，整體穩(wěn)固性較好，屬于穩(wěn)固型巖體。

3.2 分區(qū)協(xié)同開(kāi)采方案

礦山根據(jù)勘探線劃分為3個(gè)區(qū)域。東區(qū)鐵礦體傾角相對(duì)較緩，平均為30°～40°，礦體厚度10～20 m；西區(qū)鐵礦體傾角為50°～80°，礦體厚度10～20 m，平均厚度為12 m。中區(qū)鐵礦體傾角平均為35°～60°，礦體厚度20～40 m。

膏體充填即把地表固體廢棄物制備成膏體并充填到地下采空區(qū)，膏體充填具有環(huán)保、接頂好、不沁水以及充填質(zhì)量高等特點(diǎn)[15-16]。針對(duì)某釩鐵礦采空區(qū)隱患大且產(chǎn)生大量的固體廢棄物，礦山采用嗣后膏體微膠結(jié)充填采礦法。

3.2.1 東、西區(qū)開(kāi)采方案

東、西區(qū)鐵礦和釩礦礦量較大，需兩者兼顧開(kāi)采，且鐵礦優(yōu)先開(kāi)采。如圖2和圖3所示，對(duì)于東、西區(qū)鐵礦體內(nèi)的急傾斜礦體采用階段礦房嗣后膏體微膠結(jié)充填法，傾斜礦體采用分段空?qǐng)鏊煤蟾囿w微膠結(jié)充填法進(jìn)行開(kāi)采。

圖2 階段礦房嗣后膏體微膠結(jié)充填法

圖3 分段空?qǐng)鏊煤蟾囿w微膠結(jié)充填法

東、西區(qū)分步開(kāi)采的主要步驟為：開(kāi)采1個(gè)中段并進(jìn)行膏體微膠結(jié)充填后再開(kāi)采下一中段。需要注意的是，沿走向每隔200～300 m，需留設(shè)1個(gè)寬20 m的保安礦柱作為釩礦的回采通道，最后保安礦柱是否回采視情況而定。

3.2.2 中區(qū)開(kāi)采方案

中區(qū)釩礦礦量相對(duì)較少，而鐵礦礦量相對(duì)較多，因此，以鐵礦開(kāi)采為主。如圖4所示，中區(qū)鐵礦體采用分段空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)分段崩落采礦法。

圖4 分段空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)分段崩落法

中區(qū)鐵礦分步開(kāi)采的主要步驟為：采用分段空?qǐng)龇?，每個(gè)礦塊采30 m礦房后留30 m礦柱，對(duì)上盤(pán)釩礦進(jìn)行強(qiáng)采強(qiáng)出；上盤(pán)釩礦回采完后對(duì)剩余鐵礦礦柱全部進(jìn)行回收；采用分段崩落法回收其余礦柱，崩落礦石在覆巖下進(jìn)行出礦。

3.2.3 鐵礦開(kāi)采順序

東、西區(qū)鐵礦第1步開(kāi)采2 150 m中段礦塊的60%，不進(jìn)行充填；第2步開(kāi)采2 020，2 085 m中段的84%并進(jìn)行充填；第3步開(kāi)采2 150 m中段的24%并對(duì)整個(gè)礦房進(jìn)行充填。中區(qū)鐵礦先開(kāi)采2 150 m中段礦塊的50%，再開(kāi)采2 085 m中段礦塊的50%，最后開(kāi)采2 020 m中段礦塊的50%，開(kāi)采順序示意如圖5所示。

圖5 開(kāi)采順序示意

3.3 礦柱強(qiáng)度理論分析

3.3.1 中區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析

1)礦柱強(qiáng)度計(jì)算

中區(qū)鐵礦體開(kāi)采后留下的礦柱尺寸為：長(zhǎng)l=15 m(沿走向)、寬b=15～30 m、高H=195 m，可知l

當(dāng)?shù)V柱長(zhǎng)度l=15 m保持不變，寬度變化時(shí)，得到不同寬度下所對(duì)應(yīng)的礦柱強(qiáng)度和關(guān)系式的變化，見(jiàn)表1。

表1 中區(qū)不同礦柱寬度對(duì)應(yīng)長(zhǎng)、寬關(guān)系式及礦柱強(qiáng)度

由表1可知，礦柱沿走向長(zhǎng)度l保持不變的條件下，礦柱強(qiáng)度隨著礦柱寬度的增大而減小。當(dāng)寬度為15 m時(shí)礦柱強(qiáng)度達(dá)到最大值，寬度為30 m時(shí)達(dá)到最小值。

2)礦柱承受載荷計(jì)算

礦體上方的覆巖以礫狀灰?guī)r為主，平均密度約為2.9 kg/mm3，中區(qū)鐵礦體開(kāi)采范圍為2 020～2 215 m，地表標(biāo)高為2 460 m，由此可知開(kāi)采深度為245 m，礦柱承受荷載即為上方巖層重力。由式(3)、(4)計(jì)算得到σp=26.1 MPa。

3)礦柱安全系數(shù)計(jì)算及分析

當(dāng)?shù)V柱l=15 m不變時(shí)，通過(guò)礦柱寬度變化得到與之對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，見(jiàn)表2。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[17]的規(guī)定，當(dāng)安全系數(shù)k>1.1時(shí)礦柱即可基本滿足穩(wěn)定。因此，中區(qū)鐵礦體開(kāi)采中礦柱長(zhǎng)l=15 m、寬b=15～30 m時(shí)，礦柱是穩(wěn)定的。

表2 中區(qū)不同礦柱寬度對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

3.3.2 東、西區(qū)礦柱穩(wěn)定性分析

根據(jù)東、西區(qū)的開(kāi)采方法，只需按1個(gè)中段高對(duì)礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。東、西區(qū)鐵礦體開(kāi)采后留下的礦柱尺寸為：礦柱長(zhǎng)度l=8 m，礦柱寬度b=10～20 m，仍滿足l

表3 東西區(qū)不同礦柱寬度對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

由表3可知，礦柱寬度為20 m時(shí)得到的礦柱安全系數(shù)最小，為1.2，基本可維持穩(wěn)定。但若再進(jìn)行下一中段開(kāi)采，在不進(jìn)行充填的情況下，開(kāi)采的安全隱患將會(huì)增加。

3.4 基于數(shù)值模型的礦柱穩(wěn)定性分析

3.4.1 幾何模型建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬的方式，根據(jù)礦體實(shí)際賦存條件，對(duì)東、西區(qū)鐵礦體建立模型進(jìn)行開(kāi)挖模擬。模型x方向取150 m，y方向取1 000 m，垂直方向?yàn)閦方向取800 m。

對(duì)模型采用位移約束：模型左右、前后和底部平面分別進(jìn)行x，y，z方向約束。表4為通過(guò)地質(zhì)資料分析、巖樣研究以及充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，得出的巖體和充填體力學(xué)參數(shù)。

表4 某礦巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3.4.2 開(kāi)采模擬與結(jié)果分析

依據(jù)東、西區(qū)鐵礦體開(kāi)采順序進(jìn)行開(kāi)挖模擬，主要分為3步：1個(gè)中段礦房開(kāi)采完后不進(jìn)行充填處理，計(jì)算至平衡；1個(gè)中段礦房開(kāi)采完后進(jìn)行充填處理，計(jì)算至平衡；中段礦房全部開(kāi)采完并進(jìn)行充填處理，計(jì)算至平衡。

第1步開(kāi)采后的位移云圖、主應(yīng)力云圖及塑性區(qū)分布如圖6、圖7所示。

由圖6(a)可知，開(kāi)采后礦柱的最大豎向位移位于頂板的中央位置約為60～80 mm處，最大沉降為46.6 mm，礦房底鼓位于礦房底板的中央，最大位移約為20～37 mm；由圖6(b)可知，最大水平位移均發(fā)生于礦柱的右側(cè)約為4 mm，左側(cè)礦柱未偏移。

圖6 第1步開(kāi)采后的豎向、水平位移

由圖7(a)～(b)可知，礦柱底部位置發(fā)生應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為10.5 MPa；由圖7(c)可知，在礦房的頂、底板處發(fā)生拉伸破壞，出現(xiàn)塑性區(qū)，礦柱底部?jī)蓚?cè)發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)較大且仍在發(fā)生破壞。

圖7 第1步開(kāi)采后的最大、最小主應(yīng)力及塑性區(qū)分布

第2步開(kāi)采后的位移云圖、主應(yīng)力云圖及塑性區(qū)分布如圖8、圖9所示。

圖8 第2步開(kāi)采后的豎向、水平位移

由圖8(a)可知，空區(qū)頂板最大下沉量為48 mm；由圖8(b)可知，沿礦體走向的最大位移為1.7 mm。

由圖9(a)、(b)可知，礦柱的底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力為10 MPa；由圖9(c)可知，塑性區(qū)域未增加，無(wú)新的破壞產(chǎn)生。

圖9 第2步開(kāi)采后的最大、最小主應(yīng)力及塑性區(qū)分布

第3步開(kāi)采后的位移云圖、主應(yīng)力云圖和塑性區(qū)分布如圖10、圖11所示。

由圖10(a)可知，頂板的最大沉降量為53 mm，比第2步只增加了5 mm；由圖10(b)可知，沿礦體走向的最大位移為3.4 mm。

圖10 第3步開(kāi)采后的豎向、水平位移

由圖11(a)～(b)可知，應(yīng)力集中區(qū)域位于礦柱的最底部，最大壓應(yīng)力為12.2 MPa；由圖11(c)可知，塑性區(qū)域未貫通也未出現(xiàn)新的破壞。

圖11 第3步開(kāi)采后的最大、最小主應(yīng)力及塑性區(qū)分布

綜上可知，在第1步開(kāi)采后，礦柱底部存在明顯的塑性區(qū)，發(fā)生了剪切破壞，可能會(huì)發(fā)生局部破壞從而難以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定；在第2步開(kāi)采后，由于進(jìn)行充填處理，礦柱已趨于穩(wěn)定，有效地限制了礦柱的水平位移及頂板下沉；在第3步開(kāi)采后，由于進(jìn)行充填處理，沉降量未增長(zhǎng)，礦柱已穩(wěn)定且未發(fā)生變形。表明采用現(xiàn)有方案開(kāi)采時(shí)，礦柱會(huì)發(fā)生局部破壞，而在采用嗣后膏體微膠結(jié)充填法后可有效提高礦柱的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)某釩鐵礦運(yùn)用分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)體系，將礦體劃分為3個(gè)分區(qū)，對(duì)于東、西區(qū)采用階段礦房嗣后膏體微膠結(jié)充填法或分段空?qǐng)鏊煤蟾囿w微膠結(jié)充填法；對(duì)于中區(qū)鐵礦體采用分段空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)分段崩落采礦法。

2)通過(guò)對(duì)中區(qū)和東、西區(qū)運(yùn)用強(qiáng)度理論進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可知當(dāng)中區(qū)礦柱長(zhǎng)l=15 m、寬b=15～30 m；東、西區(qū)礦柱長(zhǎng)l=8 m、寬b=10～20 m時(shí)，能夠基本保證礦柱的穩(wěn)定。

3)依據(jù)東、西區(qū)鐵礦開(kāi)采順序進(jìn)行開(kāi)挖數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)礦柱的位移云圖、應(yīng)力云圖以及塑性區(qū)分布圖進(jìn)行分析：在采用現(xiàn)有方案開(kāi)采時(shí)，礦柱會(huì)發(fā)生局部破壞，在采用嗣后膏體微膠結(jié)充填法后維持了礦柱的穩(wěn)定性。表明針對(duì)某釩鐵礦不同分區(qū)提出的采礦方法可提高礦柱的穩(wěn)定性。