采礦方法轉變中的隔離礦柱穩定性分析*

任少峰 褚夫蛟 宋 華 王玉杰 任高峰

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司焦家金礦;2.中南大學資源與安全工程學院;3.武漢理工大學資源與環境工程學院)

在礦山企業生產中，由于上部礦體的不斷減少，將不可避免地進入深部開采。隨著深度的增加，地質條件不斷惡化，地壓持續增加，可能出現冒頂片幫現象，造成采場以及巷道的破壞，甚至危及礦山的正常生產［1-3］?；诖朔N情況，結合礦山生產實際，在適當水平布設一定厚度的隔離礦柱［3-5］，可以保證礦山生產的安全穩定，減小因地壓過大而造成的圍巖破壞現象，利于淺部的采空區處理，為下部采礦提供有利條件。

在留設隔離礦柱時，應保證礦柱的穩定，若礦柱失穩，勢必造成不可修復的破壞，對礦山的生產造成影響。如果隔離礦柱留設過薄，其穩定性不能保證;如果隔離礦柱留設過厚，則會造成礦石的損失，對其回采也會導致成本高回采低的現象。因此，需要對隔離礦柱的穩定性進行分析研究。本研究采用極限平衡理論［3，6-7］確定合理的隔離礦柱厚度，并應用RFPA［8-10］數值分析軟件對其穩定性進行分析。

1 礦山現狀

1.1 工程概況

某金礦在開采初期采用房柱法開采，且未充填。礦山向深部開采，在－280 m以下礦體產狀發生變化，礦床位于裂隙破碎帶中，礦巖穩定性差，采場地壓明顯，礦石及圍巖的破碎以及巷道坍塌程度比較嚴重;采場范圍內含有裂隙滲透水，無涌水現象，但局部有淋水，對巖石的穩固性造成影響;采場頂板暴露時間較長，會影響采場的穩定性，容易產生冒頂、偏幫等現象［11-12］，因此擬采用充填法采礦。因開采工藝發生變化，為避免上部空區對下部采礦的影響，需在上下采場中間布設一定厚度的隔離礦柱，礦柱布置在－280 m水平以下。

1.2 礦床地質

該礦體控礦構造為礦體上盤的主斷裂，礦體賦存于主斷裂下盤蝕變帶內，主斷裂控制礦體的上盤邊界。礦體總體走向68°，傾向NW，在－280 m水平以上傾角平均為60°左右，－280 m水平以下傾角平均為30°左右。礦體平均水平厚度為20 m，礦體屬于含金黃鐵礦化、黃鐵絹英巖化破碎蝕變巖型，礦體賦礦巖石主要為黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖。含金黃鐵礦等硫化物主要呈浸染狀、細脈網狀充填于礦石中。礦體上盤圍巖為矽卡巖，節理較發育，穩固性一般，暴露面積較大或時間較長，易出現冒頂、偏幫等現象。上盤與圍巖為斷層接觸關系，界線較明顯。礦體下盤圍巖為大理巖，其內亦發育相互交錯的裂隙節理，造成局部圍巖破碎。

2 穩定性分析

2.1 極限平衡法計算隔離礦柱厚度

對隔離礦柱安全性的影響因素主要有采場圍巖、上覆巖體、隔離礦柱自重等?？蓪Ω綦x礦柱進行條塊微分，由此來計算其重力及剪應力。由于不同位置的條塊物理力學參數不同，因此微分條塊越多，計算結果越準確。在利用微分條塊辦法的基礎上，應用極限平衡法估算隔離礦柱的極限厚度。隔離礦柱受力情況如圖1。

圖1 隔離礦柱受力示意

采場開挖后，由于礦柱上部為采空區，因此將計算隔離礦柱側邊抗滑力R與其滑動力W之比的比值，即安全系數η的公式簡化為

其中，φ、γ、μ、c、h分別為巖層的內摩擦角、容重、泊松比、凝聚力以及隔離礦柱厚度，σx、σz分別為水平應力和上覆荷載(由于上部為采空區，σz取0)，θ為礦體傾角。

為減少礦體的永久損失，擬選取安全系數為1.1來計算隔離礦柱厚度。通過采用極限平衡法，計算得出隔離礦柱厚度為10 m。

2.2 模型的構建

二維數值分析軟件RFPA建立數值分析模型。模型尺寸為300 m×300 m。模型上表面為－105 m水平，由于地表海拔約為+75 m，因此在模型加載過程中施加4.8 MPa的豎向約束。模型設計下部開采為1個分段，從極限角度出發研究采場的穩定性。根據礦山地質報告，選取的巖石力學參數如表1所示。

表1 數值模擬巖石力學參數

2.3 模型的數值模擬分析

從RFPA軟件模擬結果可以看出，礦山開采之后，上部空區以及下部礦房基本穩定，但由于地應力過大以及圍巖的位移，在采空區上方靠近上盤的位置和下部采場下方靠近下盤的位置因應力集中而產生了破壞，在生產中應注意及時充填，避免因巖體破壞對生產造成影響。如圖2所示，應力集中區域主要存在于隔離礦柱中，最大剪應力高達96.1 MPa;從最大主應力云圖中可以看出，在隔離礦柱中局部出現了44.8 MPa的壓應力;在最小主應力云圖中可以看出，有最大高達21.4 MPa的拉應力。由于最大剪應力和最大拉應力均大于巖體的強度，因此隔離礦柱內會出現剪切破壞和拉伸破壞。但從圖2中可以看出，由于僅是局部的應力集中，因此而導致了局部的破壞，隔離礦柱的完整性依然存在，在實際生產中有可能會出現冒頂現象。為保證礦柱的充分安全，企業可以在生產過程中合理提高隔離礦柱的安全系數，減少或避免安全隱患的存在。

3 結論

圖2 礦房開采后應力分布云圖

隔離礦柱的穩定為下部采場的開采乃至整個礦山的安全提供了保障。根據礦山實際情況，采用極限平衡理論計算隔離礦柱的厚度，擬設置10 m厚的隔離礦柱。采用數值分析軟件RFPA對礦山的穩定性進行加載分析，通過分析可以得出:留設隔離礦柱可以有效地增加圍巖的穩定性，避免因地壓問題而造成采場破壞;10 m的隔離礦柱在開采過程中會出現局部應力集中過大現象，并因此而產生局部破壞，但不影響其完整性，礦柱的穩定性可以保證，在開采過程中應注意及時充填空區，或適當提高隔離礦柱的安全系數，保證采場的充分安全。

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