石膏礦隔離礦柱留設厚度數(shù)值模擬研究

郭霆，楊超群，楊平偉，段建杰，婁一博，陳曉博

(陜西冶金設計研究院有限公司，陜西 西安 710012)

0 引言

目前，對隔離礦柱的研究主要基于巖體工程的穩(wěn)定性，常用的方法有工程類比法、數(shù)值模擬分析法、相似模型試驗。運用較為廣泛的突變理論是在材料力學的基礎上，建立了對稱和非對稱開采條件下的巖梁—礦柱力學模型，預測不同寬度礦柱的失穩(wěn)情況，進而優(yōu)選出礦柱的合理尺寸。隨著數(shù)值模擬軟件的快速發(fā)展，F(xiàn)LAC3D、ANSYS 等軟件已被廣泛用于模擬分析隔離礦柱的穩(wěn)定性。以某地下開采石膏礦為工程背景，對開采擾動下的隔離礦柱位移與應力分布特征、塑性區(qū)分布特征進行模擬分析，以研究其隔離礦柱的破壞規(guī)律，得出隔離礦柱的破壞范圍，確定隔離礦柱的合理厚度。

1 礦床開采技術條件

礦區(qū)位于漢南地塊東南側(cè)（揚子地塊西北部），米倉山北東向構造帶中白勉峽至五里壩斷裂帶內(nèi)。礦體頂、底板均為碳酸鹽巖，近礦部位均較破碎，尤以頂板更甚。底板以粉晶白云巖為主，局部含泥質(zhì)白云巖及含變鮞粒白云質(zhì)灰?guī)r，常見去白云巖化（方解石化）；頂板以亮晶砂屑白云巖和泥晶砂屑白云巖為主，夾泥—粉晶灰?guī)r、角礫狀泥—粉晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、亮晶鮞粒灰?guī)r，含鮞粒粉晶灰?guī)r等。礦體埋深為10～145 m，平均埋深為64 m，礦床實際賦存標高為880～115 m，礦體厚度為16.5～421.6 m，厚度變化系數(shù)60.78%，平均厚度為177.24 m，傾角較小，一般為20°～30°，最大為50°。

該礦山經(jīng)過長達三十多年的不規(guī)范開采，形成了眾多的采空區(qū)，現(xiàn)已形成的采空區(qū)最高標高為731.38 m，最低標高為560 m。礦井整合前相鄰礦權之間雖然留設有境界保安礦柱，但井下多處已打通；井下采場超寬、超高現(xiàn)象比較普遍，尤其是礦房超寬、超高開采，遺留眾多超大采空區(qū)，這些采空區(qū)有的已經(jīng)冒落、坍塌，并與地表貫通，在地表形成眾多面積及深度不等的塌陷坑，給上部礦體開采帶來極大的安全隱患。

2 基于FLAC3D的隔離礦柱厚度數(shù)值模擬研究

2.1 計算參數(shù)

表1 為數(shù)值模型需要定義的材料參數(shù)。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

2.2 數(shù)值模型的建立

某石膏礦隔離礦柱下部為房柱法開采后形成的采空區(qū)，研究上部礦床采用無底柱分段崩落法回采過程中的隔離礦柱破壞規(guī)律。根據(jù)地質(zhì)資料，礦山整合后，形成了標高不同的采空區(qū)，但不同標高采空區(qū)原不在同一礦權范圍內(nèi)，且各礦權之間留有礦柱，相互之間影響較小。采空區(qū)最高標高為731.38 m。根據(jù)礦區(qū)實際情況并考慮計算的需要，確定圖1 所示的力學模型，在建立力學模型的過程中，使主要研究區(qū)域處于邊界效應影響的范圍外，消除邊界效應的影響。根據(jù)力學模型建立三維數(shù)值計算模型，在建模過程中，盡可能保持重要區(qū)域網(wǎng)格的統(tǒng)一，避免長細比大于5∶1 的單元，以保證計算的準確。三維計算模型應用rhinoceros 生成，尺寸為：寬×厚×高=1200 m×200 m×1000 m，工作面推進方向沿x軸正方向，采用Mohr-Coulomb plasticity model 本構模型，采用大變形模式，用brick 單元模擬礦床及圍巖，模型底部限制垂直移動，模型前后和側(cè)面限制水平移動，整個模型由590 360 個單元、107 397 個節(jié)點組成，三維數(shù)值模型見圖2，原巖應力云圖見圖3。

圖1 力學模型（單位：m）

圖2 數(shù)值計算模型

圖3 原巖應力云圖（左為傾向，右為走向）

2.3 數(shù)值模擬方案

隔離礦柱下部采空區(qū)及其周邊圍巖依然可以認為是一個穩(wěn)定的動態(tài)平衡體系，隔離礦柱上部礦體的開采對隔離礦柱穩(wěn)定性的影響更為顯著，隔離礦柱上部礦體采用無底柱分段崩落法，研究上部礦體開采后礦柱的位移、應力、塑性區(qū)分布特征。

計算模擬石膏礦厚177.24 m，傾角25°，先對下部房柱法礦房進行開挖，形成下部采空區(qū)；然后再開挖上部礦體（870～780 m），分11 次開挖模擬工作面的推進過程。具體的回采方案及計算時步見圖4。

圖4 數(shù)值模擬回采方案

3 數(shù)值模擬結果分析

借助FLAC3D軟件模擬了礦體的回采過程，通過分析典型剖面在每一步回采過程中的應力、位移以及塑性區(qū)的變化規(guī)律，以此來評估隔離礦柱的穩(wěn)定性。限于篇幅，本文取典型剖面作為研究對象，分析其在模擬回采過程中的各項指標變化情況。

如圖5 所示，工作面回采過程中，工作面頂板位移場呈拱形分布，且隨工作面的推進，位移范圍和位移量都不斷增加，最終趨于穩(wěn)定。隨工作面下行開采，工作面底板位移量較小，但采場中部出現(xiàn)最大底鼓量，且隨著工作面推進，底鼓量進一步增加。

圖5 圍巖位移分布

如圖6 所示，工作面回采至780 m 分段時， 工作面圍巖應力場分布沒有明顯變化，工作面頂?shù)装鍑鷰r中形成應力降低區(qū)和左右兩側(cè)形成應力升高區(qū)，由于開采空間增大，應力釋放區(qū)范圍增大且向下擴展，應力釋放區(qū)與下部采空區(qū)相互貫通，對隔離礦柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，左右兩側(cè)最大垂直應力值為40.43 MPa。

圖6 圍巖垂直應力分布

如圖7 所示，回采780 m 時，工作面左右兩側(cè)的破壞區(qū)寬為10 m，工作面頂?shù)装宄霈F(xiàn)不同大小的塑性區(qū)，其多為拉伸和剪切破壞。由于開采范圍增加，頂板塑性區(qū)開始繼續(xù)擴展，下部采空區(qū)圍巖的塑性區(qū)范圍有所擴大，受下部采空區(qū)應力釋放影響，采場底板塑性區(qū)發(fā)展深度有所降低，工作面開采后在圍巖中形成的破壞場成拱形，左右兩側(cè)拱角落在工作面左右兩側(cè)巖層中，工作面底板破壞區(qū)發(fā)展深度為37 m。

圖7 圍巖塑性區(qū)分布

4 結論

（1）工作面回采過程中，工作面頂板位移場呈拱形分布，且隨著工作面的推進，位移場范圍和位移量都不斷增加，最終趨于穩(wěn)定。隨著工作面下行開采，工作面底板位移量較小，但采場中部出現(xiàn)最大底鼓量，且隨著工作面推進，底鼓量進一步增加。

（2）上部礦體采用無底柱分段崩落法開采后，圍巖垂直應力發(fā)生重新分布，在工作面兩側(cè)形成應力集中，且隨開采范圍的增加，應力集中隨之增加，壓應力最大為62.85 MPa，在工作面頂?shù)装逍纬蓱︶尫艆^(qū)，且隨著開采范圍的不斷增加，應力釋放區(qū)開始與下部采空區(qū)貫通，對隔離礦柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

（3）上部礦體采用無底柱分段崩落法開采后，工作面左右兩側(cè)的破壞區(qū)寬為10 m，工作面頂?shù)装宄霈F(xiàn)不同大小的塑性區(qū)，其多為拉伸和剪切破壞。隨著開采范圍增大，頂?shù)装逅苄詤^(qū)繼續(xù)擴展，下部采空區(qū)塑性區(qū)范圍有所增加，工作面開采后在圍巖中形成的破壞場成拱形，左右兩側(cè)拱角落在工作面左右兩側(cè)巖層中。隨著開采范圍繼續(xù)增加，受下部采空區(qū)應力釋放影響，工作面底板破壞區(qū)發(fā)展深度為37 m，因此，建議隔離礦柱厚度不小于37 m。