貴州省深部采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)及試驗(yàn)研究

候玉強(qiáng)

（赤水市岔角煤礦，貴州 習(xí)水 564600）

1 貴州省深部采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

貴州省深部采場(chǎng)礦柱的尺寸隨著深度而變化，同時(shí)適應(yīng)局部的地質(zhì)條件。其穩(wěn)定性預(yù)測(cè)需要計(jì)算平均應(yīng)力，礦柱的平均應(yīng)力要根據(jù)上覆載荷以及巖石的平均抗壓強(qiáng)度計(jì)算而得出的礦柱強(qiáng)度來估計(jì)。當(dāng)計(jì)算的安全系數(shù)為1.2時(shí)～1.6時(shí)，該礦柱穩(wěn)定性比較合理。通過建立穩(wěn)定性預(yù)測(cè)三維實(shí)體模型，結(jié)合三維模擬貴州省深部采場(chǎng)礦計(jì)算，對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，完成穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。

（1）建立穩(wěn)定性預(yù)測(cè)三維實(shí)體模型。以Windows 2010/NT為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合可視化編程語言以及ADO數(shù)據(jù)庫建立穩(wěn)定性預(yù)測(cè)三維實(shí)體模型。建立的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)三維實(shí)體模型可以存儲(chǔ)多種矢量漢字庫、地質(zhì)符號(hào)，強(qiáng)化了穩(wěn)定性計(jì)算功能。在預(yù)測(cè)過程中，首先生成采場(chǎng)礦柱剖面圖。根據(jù)三維礦場(chǎng)信息，搭建以結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)三維實(shí)體模型。三維實(shí)體模型以垂直礦體走向?yàn)閄軸，鉛垂線方向?yàn)閅軸，垂直向上為Z軸，能夠預(yù)測(cè)的范圍為110m×50m×50m。通過漸變式向外劃分礦柱，使得模型動(dòng)作，依靠左右邊界方向?qū)ο蛲鈩澐值V柱的位移進(jìn)行約束，當(dāng)邊界Y軸方向位移量為0時(shí)，向外劃分結(jié)束，模型停止動(dòng)作。根據(jù)礦柱力學(xué)性質(zhì)以及巖體質(zhì)量特性，需要在穩(wěn)定性預(yù)測(cè)時(shí)施加上覆巖層重力，具體巖層重力參數(shù)由具體采場(chǎng)礦確定。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

（2）三維模擬貴州省深部采場(chǎng)礦計(jì)算。通過模型模擬貴州省深部采場(chǎng)采礦過程，以及開采造成的頂?shù)装宓淖冃巍⒌V性破壞等狀態(tài)。貴州省深部采場(chǎng)規(guī)格105m×30m，采用長方形礦柱作為安全礦柱，其巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

同時(shí)根據(jù)貴州省深部采場(chǎng)礦巖層重力，賦值三維模擬貴州省深部采場(chǎng)礦計(jì)算的楷體參數(shù)，具體賦值的楷體參數(shù)包括：彈性模量28.5GPa、泊松比0.28、粘聚力4.17MPa、內(nèi)摩擦角36°、抗拉強(qiáng)度7.0MPa、采場(chǎng)礦密度2710kg/m3。將巖體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合賦值的楷體參數(shù)，計(jì)算三維模擬貴州省深部采場(chǎng)礦。

（3）礦柱穩(wěn)定性綜合預(yù)測(cè)。通過計(jì)算出的三維模擬貴州省深部采場(chǎng)礦相關(guān)參數(shù)，對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。根據(jù)模擬的巖體物理力學(xué)參數(shù)以及計(jì)算出的采場(chǎng)礦相關(guān)參數(shù)，可知，貴州省深部采場(chǎng)礦在開采后，采場(chǎng)中部發(fā)生形變較大，礦柱的寬度與頂板圍巖變形成反比例，即礦柱的寬度越小，頂板圍巖變形越大。通過計(jì)算，當(dāng)?shù)V柱寬度為4m的時(shí)候，計(jì)算得出的安全系數(shù)介于0.8到1之間，此時(shí)頂板圍巖處于破壞狀態(tài)；當(dāng)?shù)V柱寬度為5m的時(shí)候，計(jì)算得出的安全系數(shù)介于1.0到1.2之間，此時(shí)頂板圍巖處于臨界破壞狀態(tài)；當(dāng)?shù)V柱寬度為6m的時(shí)候，計(jì)算得出的安全系數(shù)介于1.2到1.6之間，此時(shí)頂板圍巖處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。通過計(jì)算完成的貴州省深部采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中安全系數(shù)一致，從而完成礦柱穩(wěn)定性綜合預(yù)測(cè)。

2 貴州省深部采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性試驗(yàn)

（1）貴州省深部采場(chǎng)礦工程概況。貴州省采場(chǎng)礦體深部中段礦體傾向SE，礦體最大水平厚度為80m，石灰?guī)r、鐵礦石與閃長巖平均厚度為56 m，傾角15°～25°，礦巖堅(jiān)固性系數(shù)f處于8至12之間，采用典型房柱法布置圖，所用礦柱為長方形。其開采方式為點(diǎn)柱式上向水平允填法，礦體深部礦柱垂直礦體進(jìn)行布置，深部采場(chǎng)寬30m，頂板跨度8m，長方形礦柱寬度為5m。通過對(duì)貴州省深部采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)，確定礦體深部是否存在安全隱患。

（2）礦巖力學(xué)參數(shù)的確定。選取完整較好的石灰?guī)r、鐵礦石與閃長巖塊，直徑為Ф60mm左右，高徑比約為3：2；對(duì)各塊巖石的進(jìn)行單軸抗壓、抗拉試驗(yàn)，從而確定深部采場(chǎng)礦礦巖力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理，最后計(jì)算礦巖力學(xué)之間的關(guān)系，計(jì)算公式下所示：

式中，?1為礦體遭到破壞時(shí)，最大主應(yīng)力；?3為試驗(yàn)時(shí)，巖石最小主應(yīng)力；?c為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；mi為巖石軟硬程度；si為巖石的破碎程度。對(duì)計(jì)算后的礦巖力學(xué)參數(shù)與資料相對(duì)比，確保試驗(yàn)所用參數(shù)的有效性，統(tǒng)計(jì)兩者數(shù)據(jù)的偏差情況如圖1所示。

圖1 計(jì)算后的礦巖力學(xué)參數(shù)與資料對(duì)比

由圖1可知，試驗(yàn)計(jì)算出的礦巖力學(xué)參數(shù)具有準(zhǔn)確性，可以確保礦柱穩(wěn)定性計(jì)算具有有效性。

（3）礦柱穩(wěn)定性計(jì)算。通過確定礦巖力學(xué)參數(shù)，對(duì)深部采場(chǎng)礦柱載荷進(jìn)行計(jì)算，從而完成礦柱穩(wěn)定性試驗(yàn)。

目前貴州省深部采場(chǎng)礦的開采深度為150 m左右，此時(shí)礦柱寬度為5m，頂板跨度8m，計(jì)算礦柱的安全系數(shù)，計(jì)算公式如下所示：

式中，Sp為礦柱所承受的壓強(qiáng)（載荷），通過計(jì)算得出貴州省深部采場(chǎng)礦柱的安全系數(shù)為1.54，即目前深度下，該礦柱能夠有效保障礦山的穩(wěn)定性以及安全性。

3 總結(jié)

本文提出了貴州省深部采場(chǎng)礦柱穩(wěn)定性預(yù)測(cè)及試驗(yàn)研究，通過建立穩(wěn)定性預(yù)測(cè)三維實(shí)體模型，結(jié)合三維模擬貴州省深部采場(chǎng)礦計(jì)算，對(duì)礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，完成穩(wěn)定性預(yù)測(cè)，最后依托穩(wěn)定性試驗(yàn)完成本文的研究。由試驗(yàn)可知，當(dāng)開采深度為150 m左右，頂板跨度8m時(shí)，5m寬的礦柱能夠有效保障礦山的穩(wěn)定性以及安全性。希望本文能夠?yàn)椴蓤?chǎng)礦柱穩(wěn)定性研究提供參考依據(jù)。