馬雄忠 王文杰 馬生徽

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430081)

隨著中國礦業(yè)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源枯竭、保有儲量不足等問題日益凸顯。許多礦山在過去的開采過程中，留有大量礦柱和難采礦體未采，因此，在現(xiàn)有的資源條件下，最大限度地開發(fā)利用殘留礦石資源，可以緩解老礦山資源危機，具有重要的社會效益和經(jīng)濟效益［1］。

近年來，我國金屬礦山已對礦柱資源回收引起重視，礦柱回采方法逐步完善。錫礦山礦務(wù)局所屬的南礦采用膠結(jié)充填和房柱法回采出河床下保安礦柱100多萬t;凡口鉛鋅礦采用VCR法回采膠結(jié)充填采礦法形成的礦柱，實驗效果良好。此外，大姚銅礦、紅透山銅礦、大吉山鎢礦等也對遺留的礦柱進行了回采，取得了較好的效果。但目前仍有很多礦山?jīng)]有進行礦柱回采工作，致使礦柱礦量大量積壓，造成了較大的安全隱患和礦量損失［2-3］。因此，及時有效地控制礦山地壓，對礦柱進行回采，是大多數(shù)金屬礦山需要加強的環(huán)節(jié)。

巖體是一種特殊的介質(zhì)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)雜，且具有各向異性和非均勻性，其穩(wěn)定性問題無法用解析方法簡單求解［4］。相比之下，數(shù)值分析法具有較廣泛的適用性，特別是隨著計算機的發(fā)展，三維數(shù)值模擬的方法越來越多地為巖土工程計算分析所用。

基于上述認識，通過有限差分軟件FLAC3D對佛子礦104號礦體138 m中段的2種間柱回收方案進行模擬研究，以判斷礦柱回收對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，為制定安全合理的礦柱回收方案提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 礦山概況

佛子礦礦床是矽卡巖礦床，礦物組分以方鉛礦、閃鋅礦為主。巖石、礦石質(zhì)地致密堅硬，穩(wěn)固性好。礦區(qū)構(gòu)造裂隙發(fā)育，但裂隙多為閉合型，被后期石英(方解石)脈及團塊所充填，膠結(jié)緊密，富水性、透水性不強?；蒯娭卸蔚拈_拓坑道絕大部分地段為干燥、潮濕區(qū)和稀琉滴水區(qū)，保有礦體開拓區(qū)內(nèi)目前尚未見有涌水現(xiàn)象。

104號礦體位于礦區(qū)最北部六塘礦段06～015號勘探線之間，是礦區(qū)最大的礦體，礦體長470m，傾斜延深199 m，埋深246～430 m，礦體埋藏標高－66～183 m。礦體走向北東～北北東向22°～37°，傾向南東，傾角56°～88°，平均67°，礦體厚1.30～10.68 m，平均4.68 m，礦體圍巖為砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、花崗閃長巖。

佛子礦所使用的采礦方法均為淺孔留礦法，礦塊沿走向布置，長40～60 m，中段高40 m，采場兩端各設(shè)人行天井，采場采高36 m。一般留3.5～4 m頂柱，如礦體較長，連續(xù)布置采場，則留間柱8 m。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 研究對象

佛子礦104號礦體100 m中段以上全部采空，180 m中段設(shè)有5個采場，138 m中段設(shè)有4個采場，100 m中段設(shè)有7個采場，60 m中段開始回采礦房，20 m中段正在做采切準備。138 m中段采空區(qū)呈條帶狀，高度近30 m，最大跨度約為60 m，4個采場編號為138－011、138－012、138－013、138－014，留有3個間柱，編號分別為1#、2#、3#，擁有礦量近萬t，位置如圖1所示。目前，佛子礦計劃回收138 m中段部分間柱，擬定2個回收方案:①方案1，采用抽柱法抽采2#間柱;②方案2，采用削柱法分別削采1、2、3#間柱的一半礦柱。

圖1 138 m中段采空區(qū)及間柱分布Fig.1 Goaf and spacer pillar distribution of 138 m levelm iddle section

為了確保礦山生產(chǎn)安全，必須了解礦柱回采活動與空區(qū)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為此，采用FLAC3D對104號礦體現(xiàn)狀和方案1、方案2礦柱回收過程中空區(qū)的頂?shù)装寮皻堄嗟V柱進行模擬分析。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)確定

巖體力學(xué)參數(shù)的選取在一定程度上決定了數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，由于佛子礦現(xiàn)場條件復(fù)雜，在礦山做原位力學(xué)參數(shù)實驗困難較大。目前普遍的方法是現(xiàn)場采集巖塊試樣求得巖塊的物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果得到巖體能量代謝率(RMR)值和地質(zhì)強度指標(GSI)值，再按照Hoek－Brown準則折減為宏觀巖體力學(xué)參數(shù)［5-6］。

根據(jù)巖體RMR值、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度GSI值、巖石單軸抗壓強度指標和相關(guān)的特征參數(shù)，采用Roclab對佛子礦的礦巖力學(xué)參數(shù)進行工程處理，求得折減后的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 佛子礦礦巖力學(xué)參數(shù)Table1 Ore and rock mechanics parameters of Fozim ine

2.3 力學(xué)模型建立

佛子礦104號礦體的采空區(qū)群分布復(fù)雜，為了準確的表現(xiàn)礦體和采空區(qū)形態(tài)，通過收集整理礦區(qū)資料，得到了礦山地形等高線圖、工程分布圖、采場分布圖等，作為建立模型的基礎(chǔ)資料。由于FLAC3D建立復(fù)雜模型較困難，故一般選用其他模擬軟件建模并畫網(wǎng)格，再通過接口程序?qū)隖LAC3D，本研究選用ANSYS進行建模和畫網(wǎng)格，從而實現(xiàn)FLAC3D建模的快速便捷化［7］。

在建立模型時，模型尺寸的確定原則是:模型邊界應(yīng)在采場最大直線尺寸的3～5倍范圍以外。本研究計算模型上邊界至地表，四周及下邊界按開采的影響范圍確定長為1 600 m，寬為1 100 m，高約為900 m。模型邊界約束類型為位移約束，施加的主要載荷為巖體的自重應(yīng)力。選取的礦體、圍巖計算力學(xué)參數(shù)見表1，計算模型及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 礦區(qū)及礦體模型Fig.2 M odel of them ining area and ore-body

模型計算過程如下:①進行初始化平衡，生成采空區(qū)的初始應(yīng)力場環(huán)境;②數(shù)值計算采用Mohr－Coulomb模型，從上至下分步開挖采空區(qū);③模擬2種礦柱回收方案，分別得到抽柱法和削柱法的應(yīng)力分布分布規(guī)律。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 現(xiàn)狀模擬

為了對比模擬效果，首先對佛子礦104號礦體開采現(xiàn)狀進行模擬。圖3為未回收間柱前138 m中段最大主應(yīng)力圖，圖3中壓應(yīng)力為負，拉應(yīng)力為正。由圖3可知，在礦體開采后，地應(yīng)力發(fā)生重分布，其中，礦柱棱角及采空區(qū)頂板出現(xiàn)較明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值為－2.91×107Pa，小于礦巖體的抗壓強度。

圖3 138 m中段最大主應(yīng)力分布Fig.3 Themaximum main stress distribution of 138 m levelm iddle section

圖4為未回收間柱前138 m中段最小主應(yīng)力圖，通常空區(qū)圍巖存在的最大破壞隱患來自于圍巖的受拉破壞。從圖4可知，拉應(yīng)力主要分布在采空區(qū)底板及礦柱兩側(cè)面，最大拉應(yīng)力值為4.66×10 Pa，小于礦巖體的抗拉強度。

圖4 138 m中段最小主應(yīng)力分布Fig.4 Them inimum main stress distribution of 138 m levelm iddle section

3.2 抽柱法模擬

采用抽柱法，保留1#和3#間柱，回收2#間柱。2#間柱完全回收后，138 m中段最大主應(yīng)力如圖5所示。由圖5可知，該區(qū)段最大主應(yīng)力增大，其中串通后的采空區(qū)頂板及1#和3#礦柱的棱角處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，其最大值達到－3.86×107Pa，超過部分礦巖體的抗壓強度，有可能發(fā)生巖爆等事故。

圖5 抽柱法最大主應(yīng)力分布Fig.5 Themaximum main stress distribution of pillar removing method

圖6為2#間柱回采后該區(qū)段最小主應(yīng)力圖，由圖6可知，采空區(qū)底板和礦柱側(cè)面出現(xiàn)拉應(yīng)力，因為2#間柱的回采，導(dǎo)致底板應(yīng)力中心向1#間柱方向移動，拉應(yīng)力最大值達到1.09×106Pa，超過部分礦巖體的抗拉強度，較開采現(xiàn)狀模擬結(jié)果有明顯的增大。

圖6 抽柱法最小主應(yīng)力分布Fig.6 Them inimum main stress distribution of pillar removing method

3.3 削柱法模擬

采用削柱法，分別削取1#、2#、3#間柱的一半礦量。圖7為削柱法回收間柱后，138 m中段最大主應(yīng)力圖。由圖7可知，礦柱回收后，該區(qū)段最大主應(yīng)力有一定的增長，但增幅小于抽柱法回采，其最大值為－3.5×107Pa，已接近巖體抗壓強度，壓應(yīng)力集中區(qū)域和現(xiàn)狀模擬結(jié)果類似，主要集中在采空區(qū)頂板和礦柱棱角位置。

圖7 削柱法最大主應(yīng)力分布Fig.7 Themaximum main stress distribution of pillar cutting method

圖8為削柱法回采間柱后，138 m中段最小主應(yīng)力圖，由圖8可知，礦柱回收后，在礦柱兩側(cè)面及底面出現(xiàn)不連續(xù)的拉應(yīng)力點，最大拉應(yīng)力值達到8.13×105Pa，其值較現(xiàn)狀模擬結(jié)果有所增大，但小于抽柱法模擬結(jié)果。數(shù)值模擬表明，雖然2種方案計算得到的位移最大值相差不大，但削柱法回收的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均小于抽柱法，證明采用削柱法回收礦柱更安全合理。

圖8 削柱法最小主應(yīng)力分布Fig.8 Them inimum main stress distribution of pillar cutting method

4 結(jié)語

對佛子礦104號礦體138 m中段的開采現(xiàn)狀進行模擬分析，結(jié)果表明間柱和頂?shù)装宓膲簯?yīng)力、拉應(yīng)力值均小于該區(qū)段礦巖體的破壞強度，說明該區(qū)段暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)。對抽柱法和削柱法回采間柱進行模擬，結(jié)果表明間柱回采后，該區(qū)段的應(yīng)力值較回采前有一定的增長，但削柱法回采下的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力增幅均小于抽柱法，因此，削柱法更安全合理。削柱法回采后，該區(qū)段的最大壓應(yīng)力值和最大拉應(yīng)力值接均近礦巖體的破壞強度，應(yīng)在回采完畢后，對殘余礦柱進行加固處理。由于本次研究只考慮自重應(yīng)力場，沒有考慮爆破震動、水壓力等因素的影響，因此，模擬結(jié)果和實際情況存在一定的差別，為確保回采安全，應(yīng)該在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對大應(yīng)力區(qū)域建立礦壓監(jiān)測系統(tǒng)。

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