巖溶水礦床開采的礦柱穩(wěn)定性分析

付士根,許開立

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110006； 2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

礦柱留設(shè)對于礦房的開采起著非常重要的作用，礦柱不僅用于維護礦房的穩(wěn)定，又能使礦石回收率最高，多年來，對于礦柱穩(wěn)定性研究一直是采礦工程師及巖體力學(xué)研究者研究的核心問題之一。由于礦柱所起的關(guān)鍵作用，其破壞模式、破壞機理及其穩(wěn)定可靠性是研究的核心內(nèi)容，通過多種方法進(jìn)行了研究。劉沐宇、劉學(xué)增[1-2]等運用點安全系數(shù)法和可靠度分析法分別計算了礦柱的點安全系數(shù)和可靠指標(biāo)；趙奎[3]等采用工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場應(yīng)力變化監(jiān)測、聲波測試結(jié)合三維有限元數(shù)值分析方法；李俊平[4]等應(yīng)用材料力學(xué)理論，根據(jù)巖梁假說推導(dǎo)了計算頂板最大允許跨度公式，據(jù)此確定礦柱間距；趙興東[5]等采用數(shù)值模擬方法對采場礦柱破裂過程進(jìn)行了分析模擬；王連國[6]等采用突變理論建立了金礦礦柱失穩(wěn)的一個尖點突變模型,并據(jù)此對礦柱失穩(wěn)破壞發(fā)生機理進(jìn)行了分析。這些研究取得了許多進(jìn)展，為采場設(shè)計提供了理論指導(dǎo)和實際參考價值。

為了分析谷家臺巖溶水礦床采場礦柱的穩(wěn)定性問題，本研究通過FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法[7-9],定量地計算和分析礦體開采過程中采場充填后不同開采步驟下采場點柱和間柱的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的分布狀況, 模擬出它們隨每步開采應(yīng)力和應(yīng)變的動態(tài)變化過程，為礦山采場礦柱設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

谷家臺鐵礦屬于典型的大水巖溶礦床，礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表有河流橫穿礦體中部，主要兩個含水層是第四系砂礫巖和巖溶發(fā)育的奧陶系灰?guī)r，兩含水層之間有第三系隔水層。礦體埋藏于大理巖和閃長巖接觸帶中,礦體呈似層狀。礦體直接頂板主要是大理巖,底板主要為矽卡巖，也有矽卡巖化閃長巖、蝕變閃長巖。

為解決巖溶水礦床的安全開采，首先對預(yù)采區(qū)域進(jìn)行礦體頂板帷幕注漿，形成一個厚度為20m的堵水隔障帶，采用點柱上向水平分層充填采礦法。礦房沿走向布置，長27.5m，寬20m，階段高40～50m，分段高10m， 每隔兩個礦房留一寬度5m的間柱，每分段分三層回采，淺眼落礦，分層高度3～4m，采場內(nèi)留5m×5m的規(guī)則點柱，點柱中心距12m，間柱與點柱均為永久性的自然礦柱。

2 模型建立

本研究采用三維非線性數(shù)值模擬計算，計算模型X方向?qū)?00m，Y方向長315m，高度約152m。三維模型共劃分為25422個單元，29836個結(jié)點。圖1是三維模型的總圖以及剖面圖。

圖1 計算模型巖性分布圖

地表第四系取最小厚度12m，第三系隔水層取最小厚度20m，礦體層厚度取20m，傾角37°，注漿頂板厚度取20m，預(yù)留10m隔水礦柱。鐵礦預(yù)留高度20m，從地下-102m位置開挖，開挖高度50m。計算模型內(nèi)包括2個礦房，每個礦房每分段內(nèi)包含兩個點柱，兩個礦房之間包含一個間柱，具體見圖2。

根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖石力學(xué)試驗結(jié)果，巖石在不同圍壓條件下，具有明顯的彈塑性變形特征，本計算采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則則判斷巖體的破壞，計算公式如下：

(1)

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，c，φ分別是粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，土體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。計算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

圖2 鐵礦開采最終狀態(tài)圖

3 礦柱穩(wěn)定性分析

為了研究因開采而引起的礦體圍巖將可能出現(xiàn)的狀況，應(yīng)系統(tǒng)模擬整個開采歷史和開采過程。開挖為分步進(jìn)行，一次開挖一個分段，采全厚。

3.1 點柱穩(wěn)定性分析

圖3給出了第一、二礦房跳采結(jié)束后點柱的最大主應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，點柱內(nèi)應(yīng)力最大值為4.25MPa，點柱位置原巖應(yīng)力最大值為2.9MPa，點柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)最小為1.47，說明點柱對于支撐上部礦體起到了一定的作用。

圖4給出了點柱的破壞場分布圖，從圖中可以看出受到礦房開采擾動的影響，點柱全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，破壞性質(zhì)為沿礦層傾向的拉剪復(fù)合破壞。

圖3 礦房開采后點柱最大主應(yīng)力分布圖

圖4 礦房開采后點柱破壞場分布圖

點柱的垂直位移最大值為1.17cm，出現(xiàn)在點柱中上部(圖5)，而點柱X方向水平位移最大值為1.06cm，出現(xiàn)在點柱中下部(圖6)。

圖5 礦房開采后點柱垂直位移場分布圖

圖6 礦房開采后點柱X方向水平位移場分布圖

3.2 間柱穩(wěn)定性分析

圖7給出了第一、二礦房跳采結(jié)束后間柱的最大主應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，間柱內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)在間柱下方，應(yīng)力最大值為5.78MPa，集中系數(shù)為1.99，大于點柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，說明間柱的支撐作用要強于點柱，對支撐上部礦體以及維護礦房穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。

圖8給出了間柱的破壞場分布圖，從圖中可以看出受到礦房開采擾動的影響，間柱部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，破壞區(qū)未貫通，破壞性質(zhì)為沿礦層傾向的拉剪復(fù)合破壞。

從間柱的位移場分布圖9、圖10看出，間柱的最大垂直位移主要發(fā)生在間柱上盤一側(cè)，最大值為4.6mm，而間柱X方向水平位移最大值出現(xiàn)在間柱下盤一側(cè)，最大值為3.18mm，Y方向水平位移最大值出現(xiàn)在礦房分段標(biāo)高對應(yīng)的間柱中心位置，最大值為9.55mm，說明間柱主要承受了來自于頂板和底板的擠壓運動，對于支撐頂板、維護礦房穩(wěn)定起到了很好的作用。

圖7 礦房開采后間柱最大主應(yīng)力場分布圖

圖8 礦房開采后間柱破壞場分布圖

圖9 各分段間柱垂直位移曲線(負(fù)數(shù)代表向下)

圖10 各分段間柱頂板X方向水平位移曲線

4 結(jié)語

運用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)地分析和研究了開采過程中礦柱內(nèi)應(yīng)力場的分布、破壞場的發(fā)展、位移場的變化，得出以下結(jié)論：

點柱內(nèi)有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，對支撐上部礦體起到了一定的作用，隨著礦房開采空間的增加，點柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減小，點柱對上部礦體的支撐作用逐漸減弱。受到礦房開采擾動的影響，點柱全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，破壞性質(zhì)為沿礦層傾向的拉剪復(fù)合破壞。

間柱內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在間柱下方，隨著開采空間的增加，間柱內(nèi)應(yīng)力系數(shù)逐漸增加，且大于點柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，說明間柱的支撐作用要強于點柱，對支撐上部礦體以及維護礦房穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。

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