采矿方法转变中的隔离矿柱稳定性分析*

任少峰 褚夫蛟 宋 华 王玉杰 任高峰

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司焦家金矿;2.中南大学资源与安全工程学院;3.武汉理工大学资源与环境工程学院)

在矿山企业生产中，由于上部矿体的不断减少，将不可避免地进入深部开采。随着深度的增加，地质条件不断恶化，地压持续增加，可能出现冒顶片帮现象，造成采场以及巷道的破坏，甚至危及矿山的正常生产［1-3］。基于此种情况，结合矿山生产实际，在适当水平布设一定厚度的隔离矿柱［3-5］，可以保证矿山生产的安全稳定，减小因地压过大而造成的围岩破坏现象，利于浅部的采空区处理，为下部采矿提供有利条件。

在留设隔离矿柱时，应保证矿柱的稳定，若矿柱失稳，势必造成不可修复的破坏，对矿山的生产造成影响。如果隔离矿柱留设过薄，其稳定性不能保证;如果隔离矿柱留设过厚，则会造成矿石的损失，对其回采也会导致成本高回采低的现象。因此，需要对隔离矿柱的稳定性进行分析研究。本研究采用极限平衡理论［3，6-7］确定合理的隔离矿柱厚度，并应用RFPA［8-10］数值分析软件对其稳定性进行分析。

1 矿山现状

1.1 工程概况

某金矿在开采初期采用房柱法开采，且未充填。矿山向深部开采，在－280 m以下矿体产状发生变化，矿床位于裂隙破碎带中，矿岩稳定性差，采场地压明显，矿石及围岩的破碎以及巷道坍塌程度比较严重;采场范围内含有裂隙渗透水，无涌水现象，但局部有淋水，对岩石的稳固性造成影响;采场顶板暴露时间较长，会影响采场的稳定性，容易产生冒顶、偏帮等现象［11-12］，因此拟采用充填法采矿。因开采工艺发生变化，为避免上部空区对下部采矿的影响，需在上下采场中间布设一定厚度的隔离矿柱，矿柱布置在－280 m水平以下。

1.2 矿床地质

该矿体控矿构造为矿体上盘的主断裂，矿体赋存于主断裂下盘蚀变带内，主断裂控制矿体的上盘边界。矿体总体走向68°，倾向NW，在－280 m水平以上倾角平均为60°左右，－280 m水平以下倾角平均为30°左右。矿体平均水平厚度为20 m，矿体属于含金黄铁矿化、黄铁绢英岩化破碎蚀变岩型，矿体赋矿岩石主要为黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗岩。含金黄铁矿等硫化物主要呈浸染状、细脉网状充填于矿石中。矿体上盘围岩为矽卡岩，节理较发育，稳固性一般，暴露面积较大或时间较长，易出现冒顶、偏帮等现象。上盘与围岩为断层接触关系，界线较明显。矿体下盘围岩为大理岩，其内亦发育相互交错的裂隙节理，造成局部围岩破碎。

2 稳定性分析

2.1 极限平衡法计算隔离矿柱厚度

对隔离矿柱安全性的影响因素主要有采场围岩、上覆岩体、隔离矿柱自重等。可对隔离矿柱进行条块微分，由此来计算其重力及剪应力。由于不同位置的条块物理力学参数不同，因此微分条块越多，计算结果越准确。在利用微分条块办法的基础上，应用极限平衡法估算隔离矿柱的极限厚度。隔离矿柱受力情况如图1。

图1 隔离矿柱受力示意

采场开挖后，由于矿柱上部为采空区，因此将计算隔离矿柱侧边抗滑力R与其滑动力W之比的比值，即安全系数η的公式简化为

其中，φ、γ、μ、c、h分别为岩层的内摩擦角、容重、泊松比、凝聚力以及隔离矿柱厚度，σx、σz分别为水平应力和上覆荷载(由于上部为采空区，σz取0)，θ为矿体倾角。

为减少矿体的永久损失，拟选取安全系数为1.1来计算隔离矿柱厚度。通过采用极限平衡法，计算得出隔离矿柱厚度为10 m。

2.2 模型的构建

二维数值分析软件RFPA建立数值分析模型。模型尺寸为300 m×300 m。模型上表面为－105 m水平，由于地表海拔约为+75 m，因此在模型加载过程中施加4.8 MPa的竖向约束。模型设计下部开采为1个分段，从极限角度出发研究采场的稳定性。根据矿山地质报告，选取的岩石力学参数如表1所示。

表1 数值模拟岩石力学参数

2.3 模型的数值模拟分析

从RFPA软件模拟结果可以看出，矿山开采之后，上部空区以及下部矿房基本稳定，但由于地应力过大以及围岩的位移，在采空区上方靠近上盘的位置和下部采场下方靠近下盘的位置因应力集中而产生了破坏，在生产中应注意及时充填，避免因岩体破坏对生产造成影响。如图2所示，应力集中区域主要存在于隔离矿柱中，最大剪应力高达96.1 MPa;从最大主应力云图中可以看出，在隔离矿柱中局部出现了44.8 MPa的压应力;在最小主应力云图中可以看出，有最大高达21.4 MPa的拉应力。由于最大剪应力和最大拉应力均大于岩体的强度，因此隔离矿柱内会出现剪切破坏和拉伸破坏。但从图2中可以看出，由于仅是局部的应力集中，因此而导致了局部的破坏，隔离矿柱的完整性依然存在，在实际生产中有可能会出现冒顶现象。为保证矿柱的充分安全，企业可以在生产过程中合理提高隔离矿柱的安全系数，减少或避免安全隐患的存在。

3 结论

图2 矿房开采后应力分布云图

隔离矿柱的稳定为下部采场的开采乃至整个矿山的安全提供了保障。根据矿山实际情况，采用极限平衡理论计算隔离矿柱的厚度，拟设置10 m厚的隔离矿柱。采用数值分析软件RFPA对矿山的稳定性进行加载分析，通过分析可以得出:留设隔离矿柱可以有效地增加围岩的稳定性，避免因地压问题而造成采场破坏;10 m的隔离矿柱在开采过程中会出现局部应力集中过大现象，并因此而产生局部破坏，但不影响其完整性，矿柱的稳定性可以保证，在开采过程中应注意及时充填空区，或适当提高隔离矿柱的安全系数，保证采场的充分安全。

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