不同布置形式的矿柱受拉破坏研究

曲文峰，谢 良，马乾天，郭钟群

(1．新疆地矿局第一地质大队， 新疆鄯善县 838204;2．江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州市 341000;3．江西理工大学建筑与测绘工程学院， 江西赣州市 341000)

不同布置形式的矿柱受拉破坏研究

曲文峰1，谢 良2，马乾天2，郭钟群3

(1．新疆地矿局第一地质大队， 新疆鄯善县 838204;2．江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州市 341000;3．江西理工大学建筑与测绘工程学院， 江西赣州市 341000)

矿柱的安全性是矿山安全生产的重要前提，所以矿柱安全性的研究对地下矿山安全开采具有重要意义。针对某银矿的现场实际情况，在采场同一个位置按3种不同形式留设的矿柱进行了数值模拟分析，并以岩石拉破坏理论为基础，对矿柱的安全性进行了评价。研究表明，在采场垂直矿体走向设置矿柱时，矿柱所受的拉应力最小，其安全性最好。

矿柱;数值模拟;拉破坏;安全性评价

我国的矿产资源尤其是有色金属和黄金等金属矿山很多都是通过地下开采的方式进行开采。矿山在进行地下开采时，造成采场的原始应力状态被破坏，使采场的应力重新分布，这时采场的稳定性就要依靠留设的矿柱和矿岩自身的强度来维持，所以矿柱稳定性的好坏是关系到矿山地下安全生产的重要问题［1］。矿柱的留设主要包括确定矿柱的位置、矿柱的尺寸以及矿柱的留设形式3部分内容。其中对于留设矿柱位置和留设矿柱的尺寸应根据采场的实际情况，经济合理的确定。在矿山确定好经济合理的矿柱以后，如何设置矿柱的留设形式就显得非常重要。同样的矿柱如果设置形式不同，矿柱所受的拉应力大小和拉破坏的程度也就不同。如果采场中矿柱的留设形式不科学合理，就很容易发生由于矿柱所承受的应力超过自身强度而导致矿柱失稳破坏，引发上盘岩体破坏，造成冒顶等事故［2］。所以应尽可能的在留设矿柱后，让其所承受的拉应力最小，受到的拉破坏最小，从而提高矿柱的安全性。

本文结合某银矿开采的特点，对其中1个采场内的同一位置3种具有代表性的矿柱留设形式，采用数值模拟的方法，进行了安全性的评价和分析。

1 岩石拉张破裂的判据

岩石的破坏形式一般分为拉破坏和剪破坏2种［3］。其中剪破坏是指当岩石剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度。拉破坏是指岩石的拉伸荷载超过了岩石的抗拉强度。虽然岩体工程中的岩石大多处于受压状态，但由于岩石受拉强度低，在很多情况下，岩体工程的破坏是从岩石局部受拉破坏开始的，岩石拉破坏后会形成拉张破裂面，而拉张破裂面形成以后岩体就不能再承受拉应力，并且会形成岩石介质的不连续［4］。

岩石的抗拉强度比较低，一般为抗压强度的1/10。岩石拉张破裂的判据如下［5］。

(1)当某一节点的最大拉应力大于岩石的抗拉强度时，此节点就破裂，即:σ≥［σ］，其中，σ为节点的最大拉应力，［σ］为岩石的抗拉强度。

(2)当主压应力矢量方向与最大拉应力方向垂直时，岩石破裂。

(3)在众多承受拉应力的应力场中，承受最大主拉应力的点优先破裂。

(4)当岩石破裂后仍可承受压应力。

2 数值计算模型

本次数值模拟计算，按不同的矿柱留设形式共建立了如下3种平面模型［6］。

模型1:在某银矿－160 m水平中段的1个采场内，留设竖直方向的矿柱，模型高度112 m，长度80 m，倾角为45°。

模型2:在某银矿－160 m水平中段的1个采场的同一位置留设水平方向矿柱，模型高度112 m，长度80 m，倾角为45°。

模型3:在某银矿－160 m水平中段的1个采场的同一位置留设垂直矿体走向的矿柱，模型高度112 m，长度80 m，矿体倾角为45°。

根据需要，模拟了3种方案下采场矿体开挖后矿柱的受力情况，数值计算平面模型有以下特点:

(1)计算选用的物理力学指标综合考虑了室内岩石力学试验结果，以及以往的研究与设计资料;

(2)模型的上覆岩层厚度195 m，取为上部边界，取模型长度的5倍为其左、右边界，取模型高度的5倍为其下部边界;

(3)模型的上边界不加载，模型左、右边界以水平位移约束，模型底部以固定位移约束。

3 数值计算结果及分析

采用ANSYS计算程序对以上3个平面模型进行计算，计算结果见图1～图3。根据计算得到的应力云图分析矿柱受拉破坏情况。

(1)如图1所示，在矿体开挖后，采空区中竖直留设的矿柱中部没有出现应力集中，较大区域受到拉应力作用，其最大拉应力值为1．02 MPa，但矿柱在右上角和左下角出现应力集中，矿柱所受的最大压应力值为7．39 MPa。

图1 竖直留设的矿柱的应力云图

图2 水平留设的矿柱的应力云图

(2)在矿体开挖后，水平留设的矿柱在左上部和右下部产生应力集中，受到很大的拉应力作用，最大拉应力值为17．1 MPa;矿柱右下角也出现应力集中，所受的最大压应力值7．31 MPa(见图2)。

图3 垂直矿体走向留设的矿柱的应力云图

(3)如图3所示，在矿体开挖后，垂直矿体走向留设在采空区的矿柱，其中部没有出现应力集中，较大区域受到拉应力作用，最大拉应力值为0．82 MPa，但矿柱的左上角出现应力集中，受到压应力作用，最大压应力值9．27 MPa。

由以上数值计算的结果可知，当采空区的矿柱水平留设时，矿柱局部拉应力集中部位受到非常大的拉应力作用，最大拉应力值为17．1 MPa。当采空区中的矿柱竖直留设时，矿柱没有出现拉应力集中，且受到的最大拉应力值为1．02 MPa。而当采空区中的矿柱垂直矿体走向留设时，矿柱所受到的拉应力值最小，为0．82 MPa，且矿柱上没有出现拉应力集中现象。根据银矿以往的研究与设计资料，并综合考虑了室内岩石力学试验结果，测得现场岩石的抗拉强度在6．5～9．7 MPa之间，抗压强度为53．9～97．6 MPa。根据岩石拉张破裂的判据可以得到:矿柱垂直矿体走向留设时，矿柱所受的拉应力最小，受拉破坏最小，矿柱的安全性最高，其次是竖直留设的矿柱，此时矿柱所受的拉应力较小，受拉破坏也较小，矿柱的安全性次之。水平留设的矿柱其安全性最差，矿柱不仅出现拉应力集中，而且拉应力最大值达到17．1 MPa，远远超过了现场岩石抗拉强度的范围，以这种方式留设的矿柱在采场回采过程中，很容易受拉破坏。

4 结论

本文以某银矿矿区工程地质、开采技术条件为背景，采用有限元数值计算软件ANSYS，对其中1个采场的开采进行了数值模拟，研究了采场在不同的矿柱留设形式方案下，矿体开挖后矿柱所受到的拉应力情况，进而得到受拉破坏的程度，判断和评价矿柱的安全性。研究发现，采空区中的矿柱垂直矿体走向留设时，在矿体开挖后矿柱所受到的拉应力最小，受拉破坏最小，矿柱的安全性最好。本结论对该矿山生产过程中合理留设矿柱具有指导作用。

［1］ 赵 奎，袁海平．矿山地压监测［M］．北京:化学工业出版社，2009．

［2］ 赵 奎．岩金矿山采空区及残留矿柱回采稳定性研究［J］．石力学与工程学报，2003，22(8):1404 －1406．

［3］ 王来贵，赵 娜，初 影，等．不同面积载荷作用下的岩石试件破裂数值模拟［J］．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007，23(6):918－921．

［4］ 代高飞，夏才初，晏 成．龙滩工程岩石试件在拉伸条件下的变形特性试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(3):384－388．

［5］ 王来贵，赵 娜，周永发，等．岩石受拉破坏的数值模拟方法［J］．辽宁工程技术大学学报，2007，26(2):198 －200．

［6］ 赵 奎，袁海平．有限元简明教程［M］．北京:冶金工业出版社，2009．

［7］ 郭建军，窦源东．开采对矿柱及围岩扰动破坏规律的数值模拟研究［J］．黄金，2008，29(6):30 －35．

2010－12－22)

曲文峰(1968－)，男，辽宁营口人，高级工程师，主要从事采矿工程技术的工作，Email:927851879@qq．com。