采礦方法轉(zhuǎn)變中的隔離礦柱穩(wěn)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(yè)(萊州)有限公司焦家金礦;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院;3.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

在礦山企業(yè)生產(chǎn)中，由于上部礦體的不斷減少，將不可避免地進(jìn)入深部開(kāi)采。隨著深度的增加，地質(zhì)條件不斷惡化，地壓持續(xù)增加，可能出現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象，造成采場(chǎng)以及巷道的破壞，甚至危及礦山的正常生產(chǎn)［1-3］。基于此種情況，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，在適當(dāng)水平布設(shè)一定厚度的隔離礦柱［3-5］，可以保證礦山生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，減小因地壓過(guò)大而造成的圍巖破壞現(xiàn)象，利于淺部的采空區(qū)處理，為下部采礦提供有利條件。

在留設(shè)隔離礦柱時(shí)，應(yīng)保證礦柱的穩(wěn)定，若礦柱失穩(wěn)，勢(shì)必造成不可修復(fù)的破壞，對(duì)礦山的生產(chǎn)造成影響。如果隔離礦柱留設(shè)過(guò)薄，其穩(wěn)定性不能保證;如果隔離礦柱留設(shè)過(guò)厚，則會(huì)造成礦石的損失，對(duì)其回采也會(huì)導(dǎo)致成本高回采低的現(xiàn)象。因此，需要對(duì)隔離礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)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(yīng)用RFPA［8-10］數(shù)值分析軟件對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 礦山現(xiàn)狀

1.1 工程概況

某金礦在開(kāi)采初期采用房柱法開(kāi)采，且未充填。礦山向深部開(kāi)采，在－280 m以下礦體產(chǎn)狀發(fā)生變化，礦床位于裂隙破碎帶中，礦巖穩(wěn)定性差，采場(chǎng)地壓明顯，礦石及圍巖的破碎以及巷道坍塌程度比較嚴(yán)重;采場(chǎng)范圍內(nèi)含有裂隙滲透水，無(wú)涌水現(xiàn)象，但局部有淋水，對(duì)巖石的穩(wěn)固性造成影響;采場(chǎng)頂板暴露時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)影響采場(chǎng)的穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生冒頂、偏幫等現(xiàn)象［11-12］，因此擬采用充填法采礦。因開(kāi)采工藝發(fā)生變化，為避免上部空區(qū)對(duì)下部采礦的影響，需在上下采場(chǎng)中間布設(shè)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(zhì)

該礦體控礦構(gòu)造為礦體上盤(pán)的主斷裂，礦體賦存于主斷裂下盤(pán)蝕變帶內(nèi)，主斷裂控制礦體的上盤(pán)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(xì)脈網(wǎng)狀充填于礦石中。礦體上盤(pán)圍巖為矽卡巖，節(jié)理較發(fā)育，穩(wěn)固性一般，暴露面積較大或時(shí)間較長(zhǎng)，易出現(xiàn)冒頂、偏幫等現(xiàn)象。上盤(pán)與圍巖為斷層接觸關(guān)系，界線較明顯。礦體下盤(pán)圍巖為大理巖，其內(nèi)亦發(fā)育相互交錯(cuò)的裂隙節(jié)理，造成局部圍巖破碎。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 極限平衡法計(jì)算隔離礦柱厚度

對(duì)隔離礦柱安全性的影響因素主要有采場(chǎng)圍巖、上覆巖體、隔離礦柱自重等?？蓪?duì)隔離礦柱進(jìn)行條塊微分，由此來(lái)計(jì)算其重力及剪應(yīng)力。由于不同位置的條塊物理力學(xué)參數(shù)不同，因此微分條塊越多，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。在利用微分條塊辦法的基礎(chǔ)上，應(yīng)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(chǎng)開(kāi)挖后，由于礦柱上部為采空區(qū)，因此將計(jì)算隔離礦柱側(cè)邊抗滑力R與其滑動(dòng)力W之比的比值，即安全系數(shù)η的公式簡(jiǎn)化為

其中，φ、γ、μ、c、h分別為巖層的內(nèi)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(yīng)力和上覆荷載(由于上部為采空區(qū)，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(shù)為1.1來(lái)計(jì)算隔離礦柱厚度。通過(guò)采用極限平衡法，計(jì)算得出隔離礦柱厚度為10 m。

2.2 模型的構(gòu)建

二維數(shù)值分析軟件RFPA建立數(shù)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(guò)程中施加4.8 MPa的豎向約束。模型設(shè)計(jì)下部開(kāi)采為1個(gè)分段，從極限角度出發(fā)研究采場(chǎng)的穩(wěn)定性。根據(jù)礦山地質(zhì)報(bào)告，選取的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

2.3 模型的數(shù)值模擬分析

從RFPA軟件模擬結(jié)果可以看出，礦山開(kāi)采之后，上部空區(qū)以及下部礦房基本穩(wěn)定，但由于地應(yīng)力過(guò)大以及圍巖的位移，在采空區(qū)上方靠近上盤(pán)的位置和下部采場(chǎng)下方靠近下盤(pán)的位置因應(yīng)力集中而產(chǎn)生了破壞，在生產(chǎn)中應(yīng)注意及時(shí)充填，避免因巖體破壞對(duì)生產(chǎn)造成影響。如圖2所示，應(yīng)力集中區(qū)域主要存在于隔離礦柱中，最大剪應(yīng)力高達(dá)96.1 MPa;從最大主應(yīng)力云圖中可以看出，在隔離礦柱中局部出現(xiàn)了44.8 MPa的壓應(yīng)力;在最小主應(yīng)力云圖中可以看出，有最大高達(dá)21.4 MPa的拉應(yīng)力。由于最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均大于巖體的強(qiáng)度，因此隔離礦柱內(nèi)會(huì)出現(xiàn)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(yīng)力集中，因此而導(dǎo)致了局部的破壞，隔離礦柱的完整性依然存在，在實(shí)際生產(chǎn)中有可能會(huì)出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。為保證礦柱的充分安全，企業(yè)可以在生產(chǎn)過(guò)程中合理提高隔離礦柱的安全系數(shù)，減少或避免安全隱患的存在。

3 結(jié)論

圖2 礦房開(kāi)采后應(yīng)力分布云圖

隔離礦柱的穩(wěn)定為下部采場(chǎng)的開(kāi)采乃至整個(gè)礦山的安全提供了保障。根據(jù)礦山實(shí)際情況，采用極限平衡理論計(jì)算隔離礦柱的厚度，擬設(shè)置10 m厚的隔離礦柱。采用數(shù)值分析軟件RFPA對(duì)礦山的穩(wěn)定性進(jìn)行加載分析，通過(guò)分析可以得出:留設(shè)隔離礦柱可以有效地增加圍巖的穩(wěn)定性，避免因地壓?jiǎn)栴}而造成采場(chǎng)破壞;10 m的隔離礦柱在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中過(guò)大現(xiàn)象，并因此而產(chǎn)生局部破壞，但不影響其完整性，礦柱的穩(wěn)定性可以保證，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)注意及時(shí)充填空區(qū)，或適當(dāng)提高隔離礦柱的安全系數(shù)，保證采場(chǎng)的充分安全。

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