全面采礦法點柱尺寸與采場頂板穩定性關系研究

汪 亮 王 星

(中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

某鉛鋅礦采用全面留礦法開采了數十年，留下了幾十萬方的采空區群，采空區內有眾多不規則的點柱，給周邊環境造成了較大的安全隱患。采空區調查主要采用CMS空區探測儀，輔以全站儀，基本查清了礦山采空區分布、點柱分布。根據測量的數據，建立三維模型，并結合礦山中段平面圖的劃分和采空區間的空間關系，劃分了10個中段，將采空區和點柱繪制于平面圖上，分別編號，使得復雜的空區分布明朗化，共探測劃分采空區70個，采空區面積為137 842.9 m2，體積為579 654.4 m3，根據空區模型圈定礦柱146個，礦柱總體積為23 429.02 m3，礦柱礦量約84 813.06 t，為下一步的工作打下了基礎。

1 穩定性評價方法

對于單一采空區或采空區較少的情況下，可以采用工程類比法或數值模擬法來判定采空區的穩定性[1-2]，而本礦的采空區較多，達到70個，其中多數采礦區還互相連通，互相影響，工程類比法難以實施，采用數值模擬法逐一判定費時費力，加之采空區間的相互影響，結果的準確性也會受到影響。

針對本礦采空區的特點，采用FLAC3D模擬單一暴露面積下點柱受力情況，通過多次模擬，找出采空區處于極限穩定狀態下的點柱尺寸[3]；采用相同方法模擬出多組不同暴露面積下暴露面積與點柱尺寸的關系；列出暴露面積及其相對應的點柱尺寸，采用數值擬合的方法創建其關系公式；根據查明的點柱及采空區面積，對照創建公式進行穩定性評價。

2 數值模擬分析

2.1 礦巖體力學參數選取

對礦山的主要礦巖(綠片巖、礦石和大理巖)進行節理裂隙調查及取樣，通過室內巖石力學試驗獲取其力學參數，并進行巖體物理力學參數折減，本次數值模擬過程中所用巖體力學參數見表1。

表1 礦巖體力學參數

2.2 單組數值模擬

數值擬合需要多組數據，而為了獲取每組數據的對應關系要進行多次反復模擬，由于內容較多而篇幅有限，在此僅列舉采空區暴露面積為450 m2的數值模擬情況。

2.2.1 模型建立

模擬前假設采空區無限大，其點柱尺寸相同，每個點柱間的空區面積為450 m2，建立采空區群模型,見圖1。

圖1 空區群模型

2.2.2 模擬結果及分析

模擬450 m2的暴露面積時，設定的點柱尺寸有4.0 m×4.0 m、4.5 m×4.5 m、5.0 m×5.0 m、5.5 m×5.5 m，模擬后發現，點柱為4.0 m×4.0 m時，采空區頂板已經發生拉伸破壞；點柱為5.5 m×5.5 m 時，采空區頂板受力情況較好，位移不明顯，這兩組不是所要找的結果；點柱尺寸為4.5 m×4.5 m和5.0 m×5.0 m時的應力云圖和位移云圖符合目標結果的特征，列為備選數據，并進一步對這兩組進行對比分析，找出最佳耦合的一組。2組計算模型剖面位置的最大主應力云圖、最小主應力云圖、位移云圖和采空區頂板位移監測曲線見圖2、圖3。

圖2 4.5 m×4.5 m點柱數值模擬結果

圖3 5 m×5 m點柱數值模擬結果

由圖2、圖3可以看出，當采空區頂板暴露面積為450 m2，點柱尺寸為4.5 m×4.5 m時，圍巖中的最大主應力為27.11 MPa，出現在點柱靠近底板1/3處，并且在點柱和頂底板的交界位置發生應力集中現象，在采空區中央部位產生了拉伸屈服區域，圍巖中的最大位移出現在采空區頂板中央位置，為90.19 mm。點柱尺寸為5 m×5 m時，最大主應力為27.16 MPa，點柱中間靠近底板的位置在計算過程中曾處于剪切屈服狀態，但在模型計算完成之后退出了此狀態，另外，采空區頂板的最大下沉量為9.04 mm。由此可見，頂板暴露面積為450 m2，點柱尺寸由4.5 m×4.5 m增大到5 m×5 m時，采空區頂板中央的位移量顯著減小，因此，增大點柱的尺寸對維護頂板的穩定具有重要作用，并且數值模擬計算結果與理論分析相吻合。此時，與頂板暴露面積為450 m2最佳耦合的點柱尺寸為5 m×5 m。

3 數值擬合

經過多次的模擬，得出4組不同暴露面積采空區在極限穩定時的點柱尺寸，見表2。

將表2中數據統計列表，并得到數據回歸曲線，見圖4。

表2 不同暴露面積采空區在極限穩定時的點柱尺寸

圖4 點柱尺寸與采空區頂板暴露面積關系

由圖4分析可知，合理的點柱尺寸隨著采空區頂板暴露面積的增大而增大，兩者之間符合一定的規律特性，將此規律進行曲線數據擬合后，得到最佳的點柱尺寸與采空區頂板暴露面積之間的關系式，考慮到數值模擬時點柱為規整的，而在實際生產中的點柱卻不完全規整，因此，在公式中加入了點柱尺寸修正系數K，公式如下：

式中,SDZ為點柱尺寸，m2；SDB為采空區頂板暴露面積，m2；K為點柱尺寸修正系數，為點柱橫截面的最窄處尺寸，m,L為點柱橫截面最寬處尺寸,m。

公式的擬合度R2=0.986,適用于采空區頂板暴露面積在最大安全暴露面積內時與點柱尺寸的耦合關系計算。

在各組采空區頂板暴露面積下，頂板下沉量、點柱最大主應力和位移對點柱尺寸的變化表現敏感，表明點柱尺寸對采空區的穩定性影響較大。根據數值模擬結果回歸得出公式的擬合度為0.986，大于0.85，因此，在采空區頂板最大安全暴露面積范圍內，這條曲線關系式在一定程度上能夠反映最合理點柱尺寸與采空區頂板暴露面積之間的關系,即為了確保采空區的安全性，當采空區頂板暴露面積一定時，且小于最大安全暴露面積時，其內留設的點柱尺寸應不小于公式所計算的尺寸。

4 穩定性評價結果

根據礦山采空區調查的結果，結合數值模擬分析數據，同時兼顧考慮到其他因素的影響[4-5]，將采空區穩定性狀況分為穩定、基本穩定、欠穩定和不穩定4級進行評判分析，結果表明，穩定采空區39個，基本穩定采空區15個，欠穩定采空區12個，不穩定采空區4個，在穩定和基本穩定的54個采空區中有點柱的采空區為19個，共有點柱67個，利用創建的公式分析后，有5個礦柱可以回收，礦量約1 099 t。

5 結 語

以數值模擬和數值擬合的方法創建了某礦點柱尺寸與采場頂板穩定性的關系公式，并判定了現有采空區的穩定性，便于采取措施確保礦山周邊的安全性；同時還分析得到有5個礦柱可進行回收，礦量約1 099 t，經濟效益近百萬元。礦山今后在生產過程中可以利用本次研究成果合理確定點柱位置和尺寸，在確保安全的前提下提高回采率，降低貧化率，獲取較好的經濟效益。雖然本次研究成果是在本礦礦巖參數下得到的，具有較強特殊性，不一定適用于其他的礦山，但該研究思路和方法值得借鑒和推廣。

[1] 張建明,陳順滿.基于數值模擬的某銅礦深部采場結構參數優化研究[J].化工礦物與加工,2016,45(12):47-51.

[2] 任賀旭,李占金,李 群,等.點柱分層充填法的點柱間距優化與穩定性分析[J].礦業研究與開發,2015,35(11):60-63.

[3] 宋海龍.礦井房柱式開采尺寸合理性分析[J].煤炭與化工,2015,38(10):13-16.

[4] 王運敏,孫國權,王 星.深部礦床上行式開采采場參數優化數值模擬[J].金屬礦山,2015(5):1-6.

[5] 龔新華.緩傾斜薄礦體點柱群穩定性分析及回采方案優化研究[D].昆明：昆明理工大學,2014.