金屬礦開(kāi)采深度對(duì)留設(shè)礦柱穩(wěn)定性的影響

胡娟新，張?jiān)瞥?/p>

（1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

我國(guó)是世界上主要的金屬礦生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，且已探明的金屬資源儲(chǔ)量及其開(kāi)采量均居世界前列。依據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)[1]，截止2019年，我國(guó)金屬儲(chǔ)量在230億左右，金屬礦山數(shù)量有900多座，年開(kāi)采量為4億噸左右。長(zhǎng)期以來(lái)，金屬在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)顯著地位，是我國(guó)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)強(qiáng)有力的重要保障之一。

近些年以來(lái)，金屬礦開(kāi)采強(qiáng)度越來(lái)越大，使得礦井發(fā)生災(zāi)害的頻次及災(zāi)害程度越來(lái)越嚴(yán)重，其中留設(shè)礦柱失穩(wěn)發(fā)生的災(zāi)害尤為突出。因此，留設(shè)礦柱的穩(wěn)定性現(xiàn)已成為制約礦井安全高效開(kāi)采的重要問(wèn)題，也是眾多科技工作者關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。費(fèi)鴻祿等[2]采用FLAC數(shù)據(jù)軟件模擬了礦柱爆破回采過(guò)程中對(duì)留設(shè)礦柱的穩(wěn)定性影響[1]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在這些災(zāi)害事故中，關(guān)于留設(shè)礦柱發(fā)生的災(zāi)害問(wèn)題尤為突出。為此，開(kāi)展關(guān)于礦層埋深對(duì)留設(shè)礦柱的穩(wěn)定性影響至關(guān)重要。針對(duì)該問(wèn)題，采用數(shù)值模擬軟件，建立不同埋深及開(kāi)采寬度下金屬礦開(kāi)采數(shù)值模型，獲得了留設(shè)礦柱的支承應(yīng)力、變形及彈性應(yīng)變能演化規(guī)律，進(jìn)而探討了留設(shè)礦柱穩(wěn)定性。

1 金屬礦開(kāi)采數(shù)值模型及其模擬方案

1.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D 建立深部采場(chǎng)模型，模型中X 方向?yàn)楣ぷ髅娌贾梅较颍琘 方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向。模型采用位移控制邊界，限制模型X、Y 方向水平移動(dòng)，限制模型Z 方向底面邊界垂直位移，模型Z 方向頂面為自由邊界，施加豎直均布荷載以模擬上覆巖層自重載荷，給模型施加的重力加速度取9.8m/s2。同時(shí)為了消除邊界效應(yīng)的影響在模型兩邊界處各留設(shè)40m 礦柱，建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

1.2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)數(shù)值模擬研究礦體層埋深對(duì)圍巖及其礦柱穩(wěn)定性影響的目的，同時(shí)，為了便于研究分析，將深部開(kāi)采留設(shè)礦柱寬度固定為100m。模擬礦層埋深600m、800m、1000m、1200m 及1500m等不同埋深時(shí)，揭示地下金屬開(kāi)采對(duì)留設(shè)礦柱變形、應(yīng)力及能量演化規(guī)律，以探究埋深對(duì)留設(shè)礦柱及其穩(wěn)定性的影響。在開(kāi)采面布置方向上開(kāi)采兩個(gè)類條帶，留設(shè)一個(gè)金屬礦柱，建立的模型幾何結(jié)構(gòu)如圖2 所示，制定的地下開(kāi)采數(shù)值模擬方案如表1 所列。

表1 開(kāi)采數(shù)值模擬方案

圖2 模型幾何結(jié)構(gòu)

（1）礦層埋深600m 時(shí)，分別取開(kāi)采寬度為80m、100m、120m 及140m 進(jìn)行數(shù)值模擬。

（2）礦層埋深800m 時(shí)，分別取開(kāi)采寬度為80m、100m、120m 及140m 進(jìn)行數(shù)值模擬。

（3）礦層埋深1000m 時(shí)，分別取開(kāi)采寬度為80m、100m、120m 及140m 進(jìn)行數(shù)值模擬。

（4）礦層埋深1200m 時(shí)，分別取開(kāi)采寬度為80m、100m、120m 及140m 進(jìn)行數(shù)值模擬。

（5）礦層埋深1500m 時(shí)，分別取開(kāi)采寬度為80m、100m、120m 及140m 進(jìn)行數(shù)值模擬。

備注：表3.2 中編號(hào)600～100 表示金屬層埋深600m 時(shí)，條帶開(kāi)采寬度100m。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)束后，采用Origin 等后處理軟件，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，獲得不同模擬方案下留設(shè)礦柱變形、應(yīng)力及彈性應(yīng)變能分布曲線，從而揭示隨礦層采深的逐漸增加開(kāi)采誘發(fā)礦柱失穩(wěn)機(jī)制。

2 金屬礦開(kāi)采數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于上述數(shù)值模擬方案，模擬監(jiān)測(cè)了不同埋深條件下，礦層開(kāi)采過(guò)程中礦柱應(yīng)力、變形及能量變化。

2.1 留設(shè)礦柱支承應(yīng)力演化規(guī)律分析

數(shù)值模擬不同埋深及不同采寬條件下，監(jiān)測(cè)開(kāi)采過(guò)程中留設(shè)礦柱100m 寬度范圍內(nèi)的支承壓力分布特征，如圖3 所示。

圖3 不同埋深及采寬時(shí)留設(shè)礦柱支承壓力分布

由圖3 可知，當(dāng)?shù)V體開(kāi)采寬度為120m 時(shí)，礦層埋深600m 最大支承壓力值為43.9MPa，礦柱核區(qū)最小應(yīng)力值為18.8MPa；礦層埋深1200m 最大支承壓力值為63.7MPa，礦柱核區(qū)最小應(yīng)力值為36.8MPa；礦層埋深1500m 最大支承壓力值為73.6MPa，礦柱核區(qū)最小應(yīng)力值為44.3MPa。對(duì)比埋深600m 和1500m 可知，礦柱埋深1500m 最大支承壓力值和核區(qū)最小應(yīng)力值分別是金屬柱埋深600m最大支承壓力值和核區(qū)最小應(yīng)力值的1.68倍和2.36倍。

2.2 留設(shè)礦柱變形規(guī)律分析

在模擬開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)不同埋深條件下的留設(shè)100m范圍內(nèi)的礦柱變形量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析不同采深條件下礦柱豎直變形分布特征，并對(duì)不同采寬條件下的礦柱豎直位移進(jìn)行分析，留設(shè)礦柱最大豎直位移量及留設(shè)礦柱平均豎直位移量分布分別如圖4和圖5所示。

由圖4 和圖5 分析可知，對(duì)同一開(kāi)采寬度而言，通過(guò)礦層埋深800m、1000m、1200m、1500m 與礦層埋深600m 相比較可知，留設(shè)條帶礦柱隨著埋深的增加，礦柱最大豎直位移量分別增加了10.803mm、24.26mm、37.852mm、67.081mm，分別占礦層埋深600m 的條帶礦柱最大豎直位移量的百分比為22.2%、49.8%、77.8%、137.8%；條帶礦柱最大豎直位移量隨著金屬層開(kāi)采深度的增加而顯著增加。

圖4 不同埋深時(shí)留設(shè)礦柱最大豎直位移分布

圖5 不同埋深時(shí)留設(shè)礦柱平均豎直位移量分布

同時(shí)，對(duì)于同一條帶采寬而言，通過(guò)礦層埋深800m、1000m、1200m 及1500m 與礦層埋深600m 相比較可知，留設(shè)條帶礦柱的平均豎直位移量分別增加了11.411mm、25.248mm、40.419mm、64.89mm，分別占礦層埋深600m 的條帶礦柱平均豎直位移量的百分比為26.6%、59.5%、94.3%、151.2%，較條帶礦柱最大豎直位移量增加百分比顯著增加。

2.3 留設(shè)礦柱彈性應(yīng)變能演化規(guī)律分布

大量研究表明，礦體動(dòng)力失穩(wěn)誘發(fā)沖擊一般發(fā)生于處于脆性狀態(tài)的礦體之中，此時(shí)，礦體處于三向受力狀態(tài)，受復(fù)雜地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，礦體中積蓄了大量的彈性應(yīng)變能，而且受采動(dòng)應(yīng)力及頂板運(yùn)動(dòng)疊加等附加應(yīng)力的影響。

根據(jù)廣義胡克定理可知，三向受力狀態(tài)下礦體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能計(jì)算公式為：

式中：E——彈性模量。μ——泊松比。σ1——最大主應(yīng)力。σ2——中間主應(yīng)力。σ3——最小主應(yīng)力。

基于廣義胡克定理礦體三向受力狀態(tài)下的彈性應(yīng)變能公式（1），運(yùn)用FISH 語(yǔ)言編寫受采動(dòng)影響的礦體彈性應(yīng)變能分布計(jì)算命令，計(jì)算得出不同埋深及采寬條件下的礦體彈性應(yīng)變能分，導(dǎo)出條帶開(kāi)采后留設(shè)礦柱100m 寬度范圍內(nèi)的彈性應(yīng)變能并生產(chǎn)曲線，彈性應(yīng)變能密度分布如圖6 所示。

圖6 不同埋深及采寬時(shí)留設(shè)礦柱彈性應(yīng)變能密度分布

由圖6 分析可知，對(duì)于同一條帶開(kāi)采寬度而言，通過(guò)金屬層埋深800m、1000m、1200m 及1500m 與埋深600m 相比較可知，條帶金屬柱最大彈性應(yīng)變能值分別增加了44.6kJ/m3、82.6kJ/m3、146.9kJ/m3及241kJ/m3，分別占埋深600m 時(shí)留設(shè)礦柱最大彈性應(yīng)變能值的百分比為32.1%、59.4%、105.7%及173.4%，礦柱最大彈性應(yīng)變能隨著礦層埋深的增加而顯著增加。隨著礦層埋深的增加，礦柱兩側(cè)彈性應(yīng)變能峰值之間的距離逐漸減小，礦柱內(nèi)所儲(chǔ)存的彈性能越大，礦柱的穩(wěn)定性顯著減弱。

3 結(jié)論

（1）隨著礦層埋深的增加，礦柱核區(qū)內(nèi)的支承應(yīng)力值不斷增加至其極限強(qiáng)度值，使得留設(shè)礦柱兩側(cè)開(kāi)采后，礦柱支承壓力分布特征隨著礦層埋深逐漸增加由“馬鞍形”向“極限馬鞍形”轉(zhuǎn)變，進(jìn)而致使礦柱核區(qū)范圍不斷減少，礦柱-頂板系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生礦柱失穩(wěn)。

（2）隨著開(kāi)采深度的增加，留設(shè)礦柱發(fā)生的最大豎直位移量及平均豎直位移量限制增加，尤其開(kāi)采過(guò)程中，埋深的增加使得留設(shè)礦柱內(nèi)發(fā)生的塑性變形逐漸向深部延展，從而導(dǎo)致礦柱核區(qū)寬度減少，礦柱變形隨之增大。

（3）礦層埋深的增加，開(kāi)采條件下使得礦柱兩側(cè)彈性應(yīng)變能峰值之間的距離逐漸減小，礦柱內(nèi)所儲(chǔ)存的彈性能越大，礦柱的穩(wěn)定性顯著減弱，為礦柱的失穩(wěn)提供了能量支持。