分区协同开采下矿柱力学响应与稳定性分析*

2021-09-09熊晓勃程海勇吴顺川张小强

中国安全生产科学技术 2021年8期

熊晓勃，程海勇，吴顺川，张小强，刘津

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093)

0 引言

随着采矿技术的发展和提升，矿产资源开采量急速增加，使得浅部矿产资源迅速减少乃至枯竭。为支撑资源的高效利用，需要对一些开采难度大、地质条件复杂的矿体进行开发[1]。在高强度的开采下，采空区的规模和数量也将越来越大，若不及时处理必然会出现采空区应力集中、山体崩落、地面塌陷以及植被破坏等灾害[2]。矿柱是地下矿床开采过程中的重要因素，维护着采场的稳定性[3]。因此，研究矿柱尺寸和规模的合理布置对矿山的安全生产具有重要意义[4]。

国内外诸多学者对矿柱稳定性问题进行了大量研究。王金安等[5]根据矿岩流变特性，构建了采空区顶板的位移控制方程式；程海勇等[6]推导出矿柱厚度计算公式并进行数值模拟，得到不同厚度矿柱的应力分布及塑性区分布规律；李夕兵等[7]针对隔离矿柱建立力学模型，使用FLAC3D软件，验证了隔离矿柱的稳定性；Musa等[8]建立人工神经网络，利用神经网络模型结合矿柱所能承受的最大应变，对矿柱的稳定性进行研究；Pushpendra等[9]根据经验公式和数值公式以及数值模型和解析模型，研究了矿柱的稳定性和应力状态。

本文针对某钒铁矿不同分区回采中的稳定性问题，探讨分区协同开采技术体系及开采方案，运用矿柱强度理论及FLAC3D数值模拟软件对东、西区铁矿体中矿柱的稳定性进行分析。

1 分区协同开采

某钒铁矿赋存条件比较复杂且钒铁开采相互制约。矿体近似平行产出，其开采顺序、开采进度、开采规模及采矿方法相互影响。因此，为了实现资源利用的最大化，基于协同开采理念[10]，根据矿体储量、矿石品位以及矿体产状之间的关系，采用不同的采矿方法进行分区设计与分区回采。根据资源赋存条件，规划勘探线7～10号线为东区，10～13号线为中区，13～21号线为西区。通过协同开采和分区开采[11]理念，提出针对该矿区的分区协同开采技术体系。

2 矿柱强度理论

2.1 矿柱强度

在地下矿床开采中，矿柱的宽高比是影响矿柱强度和矿柱稳定性的重要因素[12]。不同形状矿柱的矿柱强度可以通过式(1)，(2)确定[13]。

对b<0.3H

(1)

对l

(2)

式中：l为矿柱长度，m；b为矿柱宽度，m；H为矿柱高度，m；σu为矿柱的实际强度，MPa；σc为岩石单轴抗压强度，MPa。

2.2 矿柱承受载荷

岩体开挖后导致应力重分布，矿柱受到上覆岩层压力，顶板岩层出现压缩变形，形成小免压拱，发展到一定程度时，相邻的免压拱逐渐合并，形成一个大的免压拱，矿柱承载机理如图1所示[14]。

图1 矿柱承载机理示意

根据矿柱平均应力理论，矿柱承受的载荷和矿柱的支撑应力可通过式(3)，(4)进行计算。

P=Sg∑ρihi

(3)

(4)

式中：P为矿柱承受载荷，kN；σp为矿柱承受的压应力，MPa；S为矿柱承受载荷面积，m2；g为重力加速度，取9.8 m/s2；ρi为第i层上覆岩层的平均密度，kg/m3；hi为第i层上覆岩层的厚度，m。

2.3 矿柱安全系数计算

安全系数是一个定性的结果，它可以更好地对矿柱的稳定性做出评价，计算见式(5)。

(5)

式中：k为矿柱安全系数。

3 工程应用

3.1 工程概况

以某钒铁矿为例，矿区内钒矿体走向约4 200 m，倾角17°～68°，平均厚度为11.3 m，上下盘围岩f=6～10，属于中等稳固型岩体。矿区内铁矿体走向约3 200 m，倾角28°～66°，平均厚度为12.35 m，上盘围岩f=8～12，下盘围岩f=9～14，整体稳固性较好，属于稳固型岩体。

3.2 分区协同开采方案

矿山根据勘探线划分为3个区域。东区铁矿体倾角相对较缓，平均为30°～40°，矿体厚度10～20 m；西区铁矿体倾角为50°～80°，矿体厚度10～20 m，平均厚度为12 m。中区铁矿体倾角平均为35°～60°，矿体厚度20～40 m。

膏体充填即把地表固体废弃物制备成膏体并充填到地下采空区，膏体充填具有环保、接顶好、不沁水以及充填质量高等特点[15-16]。针对某钒铁矿采空区隐患大且产生大量的固体废弃物，矿山采用嗣后膏体微胶结充填采矿法。

3.2.1 东、西区开采方案

东、西区铁矿和钒矿矿量较大，需两者兼顾开采，且铁矿优先开采。如图2和图3所示，对于东、西区铁矿体内的急倾斜矿体采用阶段矿房嗣后膏体微胶结充填法，倾斜矿体采用分段空场嗣后膏体微胶结充填法进行开采。

图2 阶段矿房嗣后膏体微胶结充填法

图3 分段空场嗣后膏体微胶结充填法

东、西区分步开采的主要步骤为：开采1个中段并进行膏体微胶结充填后再开采下一中段。需要注意的是，沿走向每隔200～300 m，需留设1个宽20 m的保安矿柱作为钒矿的回采通道，最后保安矿柱是否回采视情况而定。

3.2.2 中区开采方案

中区钒矿矿量相对较少，而铁矿矿量相对较多，因此，以铁矿开采为主。如图4所示，中区铁矿体采用分段空场法转分段崩落采矿法。

图4 分段空场法转分段崩落法

中区铁矿分步开采的主要步骤为：采用分段空场法，每个矿块采30 m矿房后留30 m矿柱，对上盘钒矿进行强采强出；上盘钒矿回采完后对剩余铁矿矿柱全部进行回收；采用分段崩落法回收其余矿柱，崩落矿石在覆岩下进行出矿。

3.2.3 铁矿开采顺序

东、西区铁矿第1步开采2 150 m中段矿块的60%，不进行充填；第2步开采2 020，2 085 m中段的84%并进行充填；第3步开采2 150 m中段的24%并对整个矿房进行充填。中区铁矿先开采2 150 m中段矿块的50%，再开采2 085 m中段矿块的50%，最后开采2 020 m中段矿块的50%，开采顺序示意如图5所示。

图5 开采顺序示意

3.3 矿柱强度理论分析

3.3.1 中区矿柱稳定性分析

1)矿柱强度计算

中区铁矿体开采后留下的矿柱尺寸为：长l=15 m(沿走向)、宽b=15～30 m、高H=195 m，可知l

当矿柱长度l=15 m保持不变，宽度变化时，得到不同宽度下所对应的矿柱强度和关系式的变化，见表1。

表1 中区不同矿柱宽度对应长、宽关系式及矿柱强度

由表1可知，矿柱沿走向长度l保持不变的条件下，矿柱强度随着矿柱宽度的增大而减小。当宽度为15 m时矿柱强度达到最大值，宽度为30 m时达到最小值。

2)矿柱承受载荷计算

矿体上方的覆岩以砾状灰岩为主，平均密度约为2.9 kg/mm3，中区铁矿体开采范围为2 020～2 215 m，地表标高为2 460 m，由此可知开采深度为245 m，矿柱承受荷载即为上方岩层重力。由式(3)、(4)计算得到σp=26.1 MPa。

3)矿柱安全系数计算及分析

当矿柱l=15 m不变时，通过矿柱宽度变化得到与之对应的安全系数，见表2。根据《金属非金属矿山安全规程》[17]的规定，当安全系数k>1.1时矿柱即可基本满足稳定。因此，中区铁矿体开采中矿柱长l=15 m、宽b=15～30 m时，矿柱是稳定的。

表2 中区不同矿柱宽度对应安全系数

3.3.2 东、西区矿柱稳定性分析

根据东、西区的开采方法，只需按1个中段高对矿柱的稳定性进行计算。东、西区铁矿体开采后留下的矿柱尺寸为：矿柱长度l=8 m，矿柱宽度b=10～20 m，仍满足l

表3 东西区不同矿柱宽度对应安全系数

由表3可知，矿柱宽度为20 m时得到的矿柱安全系数最小，为1.2，基本可维持稳定。但若再进行下一中段开采，在不进行充填的情况下，开采的安全隐患将会增加。

3.4 基于数值模型的矿柱稳定性分析

3.4.1 几何模型建立

采用FLAC3D数值模拟的方式，根据矿体实际赋存条件，对东、西区铁矿体建立模型进行开挖模拟。模型x方向取150 m，y方向取1 000 m，垂直方向为z方向取800 m。

对模型采用位移约束：模型左右、前后和底部平面分别进行x，y，z方向约束。表4为通过地质资料分析、岩样研究以及充填体强度试验，得出的岩体和充填体力学参数。

表4 某矿岩石物理力学参数测试结果

3.4.2 开采模拟与结果分析

依据东、西区铁矿体开采顺序进行开挖模拟，主要分为3步：1个中段矿房开采完后不进行充填处理，计算至平衡；1个中段矿房开采完后进行充填处理，计算至平衡；中段矿房全部开采完并进行充填处理，计算至平衡。

第1步开采后的位移云图、主应力云图及塑性区分布如图6、图7所示。

由图6(a)可知，开采后矿柱的最大竖向位移位于顶板的中央位置约为60～80 mm处，最大沉降为46.6 mm，矿房底鼓位于矿房底板的中央，最大位移约为20～37 mm；由图6(b)可知，最大水平位移均发生于矿柱的右侧约为4 mm，左侧矿柱未偏移。

图6 第1步开采后的竖向、水平位移

由图7(a)～(b)可知，矿柱底部位置发生应力集中，最大压应力为10.5 MPa；由图7(c)可知，在矿房的顶、底板处发生拉伸破坏，出现塑性区，矿柱底部两侧发生剪切破坏，塑性区较大且仍在发生破坏。

图7 第1步开采后的最大、最小主应力及塑性区分布

第2步开采后的位移云图、主应力云图及塑性区分布如图8、图9所示。

图8 第2步开采后的竖向、水平位移

由图8(a)可知，空区顶板最大下沉量为48 mm；由图8(b)可知，沿矿体走向的最大位移为1.7 mm。

由图9(a)、(b)可知，矿柱的底部出现应力集中，最大压应力为10 MPa；由图9(c)可知，塑性区域未增加，无新的破坏产生。

图9 第2步开采后的最大、最小主应力及塑性区分布

第3步开采后的位移云图、主应力云图和塑性区分布如图10、图11所示。

由图10(a)可知，顶板的最大沉降量为53 mm，比第2步只增加了5 mm；由图10(b)可知，沿矿体走向的最大位移为3.4 mm。

图10 第3步开采后的竖向、水平位移

由图11(a)～(b)可知，应力集中区域位于矿柱的最底部，最大压应力为12.2 MPa；由图11(c)可知，塑性区域未贯通也未出现新的破坏。

图11 第3步开采后的最大、最小主应力及塑性区分布

综上可知，在第1步开采后，矿柱底部存在明显的塑性区，发生了剪切破坏，可能会发生局部破坏从而难以长时间保持稳定；在第2步开采后，由于进行充填处理，矿柱已趋于稳定，有效地限制了矿柱的水平位移及顶板下沉；在第3步开采后，由于进行充填处理，沉降量未增长，矿柱已稳定且未发生变形。表明采用现有方案开采时，矿柱会发生局部破坏，而在采用嗣后膏体微胶结充填法后可有效提高矿柱的稳定性。