不同布置形式的礦柱受拉破壞研究

曲文峰，謝 良，馬乾天，郭鐘群

(1．新疆地礦局第一地質大隊， 新疆鄯善縣 838204;2．江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州市 341000;3．江西理工大學建筑與測繪工程學院， 江西贛州市 341000)

不同布置形式的礦柱受拉破壞研究

曲文峰1，謝 良2，馬乾天2，郭鐘群3

(1．新疆地礦局第一地質大隊， 新疆鄯善縣 838204;2．江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州市 341000;3．江西理工大學建筑與測繪工程學院， 江西贛州市 341000)

礦柱的安全性是礦山安全生產的重要前提，所以礦柱安全性的研究對地下礦山安全開采具有重要意義。針對某銀礦的現場實際情況，在采場同一個位置按3種不同形式留設的礦柱進行了數值模擬分析，并以巖石拉破壞理論為基礎，對礦柱的安全性進行了評價。研究表明，在采場垂直礦體走向設置礦柱時，礦柱所受的拉應力最小，其安全性最好。

礦柱;數值模擬;拉破壞;安全性評價

我國的礦產資源尤其是有色金屬和黃金等金屬礦山很多都是通過地下開采的方式進行開采。礦山在進行地下開采時，造成采場的原始應力狀態被破壞，使采場的應力重新分布，這時采場的穩定性就要依靠留設的礦柱和礦巖自身的強度來維持，所以礦柱穩定性的好壞是關系到礦山地下安全生產的重要問題［1］。礦柱的留設主要包括確定礦柱的位置、礦柱的尺寸以及礦柱的留設形式3部分內容。其中對于留設礦柱位置和留設礦柱的尺寸應根據采場的實際情況，經濟合理的確定。在礦山確定好經濟合理的礦柱以后，如何設置礦柱的留設形式就顯得非常重要。同樣的礦柱如果設置形式不同，礦柱所受的拉應力大小和拉破壞的程度也就不同。如果采場中礦柱的留設形式不科學合理，就很容易發生由于礦柱所承受的應力超過自身強度而導致礦柱失穩破壞，引發上盤巖體破壞，造成冒頂等事故［2］。所以應盡可能的在留設礦柱后，讓其所承受的拉應力最小，受到的拉破壞最小，從而提高礦柱的安全性。

本文結合某銀礦開采的特點，對其中1個采場內的同一位置3種具有代表性的礦柱留設形式，采用數值模擬的方法，進行了安全性的評價和分析。

1 巖石拉張破裂的判據

巖石的破壞形式一般分為拉破壞和剪破壞2種［3］。其中剪破壞是指當巖石剪切面上的剪應力超過了峰值剪切強度。拉破壞是指巖石的拉伸荷載超過了巖石的抗拉強度。雖然巖體工程中的巖石大多處于受壓狀態，但由于巖石受拉強度低，在很多情況下，巖體工程的破壞是從巖石局部受拉破壞開始的，巖石拉破壞后會形成拉張破裂面，而拉張破裂面形成以后巖體就不能再承受拉應力，并且會形成巖石介質的不連續［4］。

巖石的抗拉強度比較低，一般為抗壓強度的1/10。巖石拉張破裂的判據如下［5］。

(1)當某一節點的最大拉應力大于巖石的抗拉強度時，此節點就破裂，即:σ≥［σ］，其中，σ為節點的最大拉應力，［σ］為巖石的抗拉強度。

(2)當主壓應力矢量方向與最大拉應力方向垂直時，巖石破裂。

(3)在眾多承受拉應力的應力場中，承受最大主拉應力的點優先破裂。

(4)當巖石破裂后仍可承受壓應力。

2 數值計算模型

本次數值模擬計算，按不同的礦柱留設形式共建立了如下3種平面模型［6］。

模型1:在某銀礦－160 m水平中段的1個采場內，留設豎直方向的礦柱，模型高度112 m，長度80 m，傾角為45°。

模型2:在某銀礦－160 m水平中段的1個采場的同一位置留設水平方向礦柱，模型高度112 m，長度80 m，傾角為45°。

模型3:在某銀礦－160 m水平中段的1個采場的同一位置留設垂直礦體走向的礦柱，模型高度112 m，長度80 m，礦體傾角為45°。

根據需要，模擬了3種方案下采場礦體開挖后礦柱的受力情況，數值計算平面模型有以下特點:

(1)計算選用的物理力學指標綜合考慮了室內巖石力學試驗結果，以及以往的研究與設計資料;

(2)模型的上覆巖層厚度195 m，取為上部邊界，取模型長度的5倍為其左、右邊界，取模型高度的5倍為其下部邊界;

(3)模型的上邊界不加載，模型左、右邊界以水平位移約束，模型底部以固定位移約束。

3 數值計算結果及分析

采用ANSYS計算程序對以上3個平面模型進行計算，計算結果見圖1～圖3。根據計算得到的應力云圖分析礦柱受拉破壞情況。

(1)如圖1所示，在礦體開挖后，采空區中豎直留設的礦柱中部沒有出現應力集中，較大區域受到拉應力作用，其最大拉應力值為1．02 MPa，但礦柱在右上角和左下角出現應力集中，礦柱所受的最大壓應力值為7．39 MPa。

圖1 豎直留設的礦柱的應力云圖

圖2 水平留設的礦柱的應力云圖

(2)在礦體開挖后，水平留設的礦柱在左上部和右下部產生應力集中，受到很大的拉應力作用，最大拉應力值為17．1 MPa;礦柱右下角也出現應力集中，所受的最大壓應力值7．31 MPa(見圖2)。

圖3 垂直礦體走向留設的礦柱的應力云圖

(3)如圖3所示，在礦體開挖后，垂直礦體走向留設在采空區的礦柱，其中部沒有出現應力集中，較大區域受到拉應力作用，最大拉應力值為0．82 MPa，但礦柱的左上角出現應力集中，受到壓應力作用，最大壓應力值9．27 MPa。

由以上數值計算的結果可知，當采空區的礦柱水平留設時，礦柱局部拉應力集中部位受到非常大的拉應力作用，最大拉應力值為17．1 MPa。當采空區中的礦柱豎直留設時，礦柱沒有出現拉應力集中，且受到的最大拉應力值為1．02 MPa。而當采空區中的礦柱垂直礦體走向留設時，礦柱所受到的拉應力值最小，為0．82 MPa，且礦柱上沒有出現拉應力集中現象。根據銀礦以往的研究與設計資料，并綜合考慮了室內巖石力學試驗結果，測得現場巖石的抗拉強度在6．5～9．7 MPa之間，抗壓強度為53．9～97．6 MPa。根據巖石拉張破裂的判據可以得到:礦柱垂直礦體走向留設時，礦柱所受的拉應力最小，受拉破壞最小，礦柱的安全性最高，其次是豎直留設的礦柱，此時礦柱所受的拉應力較小，受拉破壞也較小，礦柱的安全性次之。水平留設的礦柱其安全性最差，礦柱不僅出現拉應力集中，而且拉應力最大值達到17．1 MPa，遠遠超過了現場巖石抗拉強度的范圍，以這種方式留設的礦柱在采場回采過程中，很容易受拉破壞。

4 結論

本文以某銀礦礦區工程地質、開采技術條件為背景，采用有限元數值計算軟件ANSYS，對其中1個采場的開采進行了數值模擬，研究了采場在不同的礦柱留設形式方案下，礦體開挖后礦柱所受到的拉應力情況，進而得到受拉破壞的程度，判斷和評價礦柱的安全性。研究發現，采空區中的礦柱垂直礦體走向留設時，在礦體開挖后礦柱所受到的拉應力最小，受拉破壞最小，礦柱的安全性最好。本結論對該礦山生產過程中合理留設礦柱具有指導作用。

［1］ 趙 奎，袁海平．礦山地壓監測［M］．北京:化學工業出版社，2009．

［2］ 趙 奎．巖金礦山采空區及殘留礦柱回采穩定性研究［J］．石力學與工程學報，2003，22(8):1404 －1406．

［3］ 王來貴，趙 娜，初 影，等．不同面積載荷作用下的巖石試件破裂數值模擬［J］．沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007，23(6):918－921．

［4］ 代高飛，夏才初，晏 成．龍灘工程巖石試件在拉伸條件下的變形特性試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(3):384－388．

［5］ 王來貴，趙 娜，周永發，等．巖石受拉破壞的數值模擬方法［J］．遼寧工程技術大學學報，2007，26(2):198 －200．

［6］ 趙 奎，袁海平．有限元簡明教程［M］．北京:冶金工業出版社，2009．

［7］ 郭建軍，竇源東．開采對礦柱及圍巖擾動破壞規律的數值模擬研究［J］．黃金，2008，29(6):30 －35．

2010－12－22)

曲文峰(1968－)，男，遼寧營口人，高級工程師，主要從事采礦工程技術的工作，Email:927851879@qq．com。