岩溶水矿床开采的矿柱稳定性分析

2014-01-15付士根许开立

华北科技学院学报 2014年2期

付士根,许开立

(1.东北大学，辽宁沈阳 110006； 2.中国安全生产科学研究院，北京 100012)

0 引言

矿柱留设对于矿房的开采起着非常重要的作用，矿柱不仅用于维护矿房的稳定，又能使矿石回收率最高，多年来，对于矿柱稳定性研究一直是采矿工程师及岩体力学研究者研究的核心问题之一。由于矿柱所起的关键作用，其破坏模式、破坏机理及其稳定可靠性是研究的核心内容，通过多种方法进行了研究。刘沐宇、刘学增[1-2]等运用点安全系数法和可靠度分析法分别计算了矿柱的点安全系数和可靠指标；赵奎[3]等采用工程地质调查、现场应力变化监测、声波测试结合三维有限元数值分析方法；李俊平[4]等应用材料力学理论，根据岩梁假说推导了计算顶板最大允许跨度公式，据此确定矿柱间距；赵兴东[5]等采用数值模拟方法对采场矿柱破裂过程进行了分析模拟；王连国[6]等采用突变理论建立了金矿矿柱失稳的一个尖点突变模型,并据此对矿柱失稳破坏发生机理进行了分析。这些研究取得了许多进展，为采场设计提供了理论指导和实际参考价值。

为了分析谷家台岩溶水矿床采场矿柱的稳定性问题，本研究通过FLAC3D有限差分数值模拟方法[7-9],定量地计算和分析矿体开采过程中采场充填后不同开采步骤下采场点柱和间柱的应力、位移和塑性区的分布状况, 模拟出它们随每步开采应力和应变的动态变化过程，为矿山采场矿柱设计提供参考依据。

1 工程概况

谷家台铁矿属于典型的大水岩溶矿床，矿山水文地质条件复杂，地表有河流横穿矿体中部，主要两个含水层是第四系砂砾岩和岩溶发育的奥陶系灰岩，两含水层之间有第三系隔水层。矿体埋藏于大理岩和闪长岩接触带中,矿体呈似层状。矿体直接顶板主要是大理岩,底板主要为矽卡岩，也有矽卡岩化闪长岩、蚀变闪长岩。

为解决岩溶水矿床的安全开采，首先对预采区域进行矿体顶板帷幕注浆，形成一个厚度为20m的堵水隔障带，采用点柱上向水平分层充填采矿法。矿房沿走向布置，长27.5m，宽20m，阶段高40～50m，分段高10m，每隔两个矿房留一宽度5m的间柱，每分段分三层回采，浅眼落矿，分层高度3～4m，采场内留5m×5m的规则点柱，点柱中心距12m，间柱与点柱均为永久性的自然矿柱。

2 模型建立

本研究采用三维非线性数值模拟计算，计算模型X方向宽600m，Y方向长315m，高度约152m。三维模型共划分为25422个单元，29836个结点。图1是三维模型的总图以及剖面图。

图1 计算模型岩性分布图

地表第四系取最小厚度12m，第三系隔水层取最小厚度20m，矿体层厚度取20m，倾角37°，注浆顶板厚度取20m，预留10m隔水矿柱。铁矿预留高度20m，从地下-102m位置开挖，开挖高度50m。计算模型内包括2个矿房，每个矿房每分段内包含两个点柱，两个矿房之间包含一个间柱，具体见图2。

根据现场取样和岩石力学试验结果，岩石在不同围压条件下，具有明显的弹塑性变形特征，本计算采用莫尔-库仑屈服准则则判断岩体的破坏，计算公式如下：

(1)

式中，σ1、σ3分别是最大和最小主应力，c，φ分别是粘结力和摩擦角。当fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，土体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则(σ3≥σT)判断岩体是否产生拉破坏。计算采用的岩体力学参数见表1。

表1 岩石力学参数

图2 铁矿开采最终状态图

3 矿柱稳定性分析

为了研究因开采而引起的矿体围岩将可能出现的状况，应系统模拟整个开采历史和开采过程。开挖为分步进行，一次开挖一个分段，采全厚。

3.1 点柱稳定性分析

图3给出了第一、二矿房跳采结束后点柱的最大主应力分布图，从图中可以看出，点柱内应力最大值为4.25MPa，点柱位置原岩应力最大值为2.9MPa，点柱内应力集中系数最小为1.47，说明点柱对于支撑上部矿体起到了一定的作用。

图4给出了点柱的破坏场分布图，从图中可以看出受到矿房开采扰动的影响，点柱全部进入塑性状态，破坏性质为沿矿层倾向的拉剪复合破坏。

图3 矿房开采后点柱最大主应力分布图

图4 矿房开采后点柱破坏场分布图

点柱的垂直位移最大值为1.17cm，出现在点柱中上部(图5)，而点柱X方向水平位移最大值为1.06cm，出现在点柱中下部(图6)。

图5 矿房开采后点柱垂直位移场分布图

图6 矿房开采后点柱X方向水平位移场分布图

3.2 间柱稳定性分析

图7给出了第一、二矿房跳采结束后间柱的最大主应力分布图，从图中可以看出，间柱内有应力集中现象，出现在间柱下方，应力最大值为5.78MPa，集中系数为1.99，大于点柱内应力集中系数，说明间柱的支撑作用要强于点柱，对支撑上部矿体以及维护矿房稳定起到了关键作用。

图8给出了间柱的破坏场分布图，从图中可以看出受到矿房开采扰动的影响，间柱部分进入塑性状态，破坏区未贯通，破坏性质为沿矿层倾向的拉剪复合破坏。

从间柱的位移场分布图9、图10看出，间柱的最大垂直位移主要发生在间柱上盘一侧，最大值为4.6mm，而间柱X方向水平位移最大值出现在间柱下盘一侧，最大值为3.18mm，Y方向水平位移最大值出现在矿房分段标高对应的间柱中心位置，最大值为9.55mm，说明间柱主要承受了来自于顶板和底板的挤压运动，对于支撑顶板、维护矿房稳定起到了很好的作用。