楊悅增，周東良，張富興，秦旭忠

（1.招金礦業(yè)股份有限公司夏甸金礦，山東 招遠(yuǎn) 265414；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

0引言

地下采礦是獲得礦產(chǎn)資源的主要途徑[1]，在開(kāi)采過(guò)程中，為了維護(hù)采場(chǎng)的穩(wěn)定性及控制地壓一般需要留下各式各樣的礦柱，這些遺留礦柱包括保安礦柱、頂?shù)字?、房間柱、邊角殘留礦體等[2-3]。隨著開(kāi)采時(shí)間的延續(xù)，可利用礦產(chǎn)資源越來(lái)越少，因此加強(qiáng)殘礦回收，減少已有礦產(chǎn)資源的損失，緩解我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的資源壓力意義重大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦柱回采方法進(jìn)行了大量研究和工程實(shí)踐工作[4-7]，而對(duì)于礦柱兩翼為松散介質(zhì)，比如水力充填尾砂或冒落廢石等，鮮有這方面的開(kāi)采技術(shù)研究[8-9]。例如盤(pán)古山鎢礦、大吉山鎢礦等鎢礦曾采用階段崩落法開(kāi)采，后改用淺孔留礦法或者嗣后充填法開(kāi)采。本文的研究成果對(duì)此類鎢礦山礦柱回收具有重要的指導(dǎo)意義。本文以某礦隔離礦柱回采為工程背景，以數(shù)值模擬與相似材料手段對(duì)隔離礦柱的回采穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以期對(duì)金屬礦山同類礦柱回收提供有價(jià)值的借鑒。

1 工程背景

山東某礦礦體傾角平均為45°，礦石硬度系數(shù)10～12，圍巖硬度系數(shù)8～10，原采用淺孔落礦干式充填法開(kāi)采，因生產(chǎn)效率低和采場(chǎng)冒落嚴(yán)重，2003年從-363 m水平開(kāi)始，在采場(chǎng)的中部礦體較為厚大的區(qū)域（529線～546線）采用改進(jìn)的低貧損無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開(kāi)采，在兩翼（529線以南和546線以北）礦體厚度較小的區(qū)域采用上向水平分層膠結(jié)充填法進(jìn)行開(kāi)采。自-535 m水平始，在兩種采礦方法的交錯(cuò)區(qū)預(yù)留10 m的隔離礦柱作為崩落法和充填法區(qū)域的分界線，經(jīng)過(guò)十余年的使用，崩落法開(kāi)采至-692 m水平后逐漸減少至停產(chǎn)，因此，-535 m～-692 m中段545～546線和529～530線留存有平均厚度為40 m，寬度為10 m左右的隔離礦柱。兩條隔離間柱的總礦量約為25萬(wàn)t。因此，回收該高品位隔離間柱對(duì)于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益效果顯著。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與論證，隔離礦柱采用上向水平分層充填法回采，中段高度60 m，分段高度為10 m，共分為三個(gè)分層回采，第一分層高度為3 m，第二分層高度為3 m，第三分層高度為4 m。選擇-535 m～-595 m中段545～546線北翼隔離礦柱作為首采中段，采場(chǎng)垂直礦體走向布置，長(zhǎng)度為礦體水平厚度。

2 隔離礦柱回采的數(shù)值模擬分析

2.1建模

（1）礦巖物理力學(xué)參數(shù)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析及工程化處理后，最終選用的計(jì)算用巖石力學(xué)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Ore rock physical parameter

（2）崩落松散體參數(shù)取值。采空區(qū)冒落的廢石是一種松散介質(zhì)。宏觀上看，它對(duì)頂板的力學(xué)作用可以用近似的彈性支撐體表述[10]。但需要考慮的是，隨著采場(chǎng)的推進(jìn)和時(shí)間的增長(zhǎng)，廢石在覆巖作用下逐漸被壓實(shí)，材料的密度ρ，kg/m3、彈性模量E，MPa和泊松比ν隨時(shí)間增加而增加。已有的研究表明ρ、E、ν的變化規(guī)律、見(jiàn)式（1）～（3）[11]：

（3）地應(yīng)力確定。根據(jù)相關(guān)地應(yīng)力測(cè)試可得此礦地應(yīng)力值（MPa）隨深度的線性回歸方程見(jiàn)式（4）～（6）。

最大水平主應(yīng)力：

最小水平主應(yīng)力：

垂直方向主應(yīng)力：

式中：H 為埋深，m；γ為平均容重，27.15 kN/m3。

以地表標(biāo)高180 m計(jì)算：在-595 m水平最大水平主應(yīng)力為45.57MPa，最小水平主應(yīng)力為22.12MPa，垂直應(yīng)力為21.04 MPa，說(shuō)明此礦是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

（4）最終模型構(gòu)建。本次數(shù)值模擬的是-535 m～-595 m隔離礦柱中的應(yīng)力分布情況以及開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力的變化，-535～-595 m隔離礦柱實(shí)際尺寸為50 m×10 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高），礦體傾角為 45°，因此建立模型大小為354 m×50 m×180 m。模型中部為-535 m～-595 m隔離礦柱。如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model diagram

2.2 隔離礦柱回采過(guò)程中的穩(wěn)定性分析

采用水平分層充填法回采隔離礦柱時(shí)，充填法采場(chǎng)已揭露，膠結(jié)充填體能夠保持較好的自立性。由于崩落法采場(chǎng)冒落散體壓實(shí)情況未知，為保障回采安全，需在靠近崩落法側(cè)留設(shè)一定寬度的條形礦柱，本次研究主要對(duì)條形礦柱寬度為2 m、2.5 m和3 m的三個(gè)不同方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得出最合適的礦柱寬度值。條形礦柱如圖2所示。

圖2 條形礦柱的留設(shè)Fig.2 Strip pillar

不同寬度條形礦柱開(kāi)采時(shí)的，塑性區(qū)分布如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)條形礦柱寬度為3 m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值為35.8 MPa，頂?shù)装逯写怪睉?yīng)力較小，平均為5 MPa。礦柱的寬度為2.5 m時(shí)，其內(nèi)部垂直應(yīng)力最大值為38.2 MPa，該應(yīng)力值仍小于巖體的單軸抗壓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V柱寬度為2 m時(shí)，條形礦柱中垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，隨著采空區(qū)寬度的增加，采場(chǎng)中應(yīng)力逐漸向條形礦柱中進(jìn)行轉(zhuǎn)移，當(dāng)寬度為2 m時(shí)，條形礦柱中最大垂直應(yīng)力為40.1 MPa，相對(duì)于礦柱寬度為2.5 m的方案，此時(shí)的最大垂直應(yīng)力增加了4.3 MPa，這一應(yīng)力值已經(jīng)超出礦柱中巖體所能承受的極限。圖4為2 m條形礦柱時(shí)的塑性區(qū)分布圖，由圖可知，條形礦柱已出現(xiàn)了貫通破壞。

圖3 不同寬度條形礦柱的垂直應(yīng)力圖Fig.3 Vertical stress map of strips with different widths

圖4 條形礦柱寬度為2 m時(shí)的塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution of 2 m wide strip pillar

3 礦柱回采的相似材料模擬

相似材料模擬選用的區(qū)域與數(shù)值模擬相同，主要研究隔離礦柱中條形礦柱的寬度以及采用不同回采方式時(shí)頂板的穩(wěn)定性。

3.1 模型深度的選取

崩落法開(kāi)采從-363 m水平開(kāi)始，考慮到實(shí)際研究區(qū)域中條形礦柱中的寬度較小，因此模型體積相似比需適當(dāng)增大以使得模型中條形礦柱有足夠的寬度。因此試驗(yàn)?zāi)M范圍從-363 m水平開(kāi)始到-595 m水平，即模型模擬深度為232 m。

3.2 模型長(zhǎng)度和厚度的選取

隔離礦柱寬度約為10 m，且處于崩落法采場(chǎng)和充填法采場(chǎng)之間，為滿足相似模型的幾何比要求，基于邊界條件的影響，因此實(shí)際長(zhǎng)度選取為70 m，礦體厚度為30m，實(shí)際選取的模型厚度為30m，因此根據(jù)幾何比1∶100折算之后，模型實(shí)際大小為700mm×300 mm×1 000 mm。通過(guò)前期隱伏采空區(qū)的多手段聯(lián)合探測(cè)，采空區(qū)基本已被冒落散體充滿，模型整體如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)制作的模型如圖6所示。

圖6 相似模型實(shí)體Fig.6 Similar model entity

應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)在模型制作的過(guò)程中已經(jīng)進(jìn)行埋設(shè)，一共設(shè)置8個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中空區(qū)頂部2個(gè)，崩落法采場(chǎng)中2個(gè)，條形礦柱中2個(gè)，充填法采場(chǎng)中2個(gè)，位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于隔離礦柱以及與隔離礦柱相鄰的充填法采場(chǎng)中，為便于位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管理，對(duì)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)格式為D（行號(hào)，列號(hào)）。崩落法采場(chǎng)中為散體，布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)較為困難，因此在崩落法采場(chǎng)中使用不同顏色的石子來(lái)觀察其采場(chǎng)中位移的變化情況。在模型上部及兩側(cè)均施加一定的力來(lái)模擬其所處的應(yīng)力環(huán)境。

3.3 開(kāi)挖方案

開(kāi)挖方案為先開(kāi)挖第一分段一分層的3 cm，記錄開(kāi)挖過(guò)程中模型內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力位移的變化情況，第一分層開(kāi)挖完后，以每次0.5 cm的速度逐步減小條形礦柱的寬度，直至礦柱發(fā)生明顯的破壞，由此確定出條形礦柱的極限寬度。模型大小限制，此次開(kāi)挖兩個(gè)分段，共計(jì)6個(gè)分層，開(kāi)挖過(guò)程如圖7所示。

圖7 隔離礦柱逐層向上回采并充填Fig.7 Isolating pillar mining and backfill layer by layer

3.4 結(jié)果分析

（1）應(yīng)力分析。開(kāi)挖過(guò)程中每開(kāi)挖3 m取一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值變化Fig.8 Variation diagram of stress values at each measuring point

從圖8中可以看出，在開(kāi)挖前隔離礦柱表現(xiàn)為承壓區(qū)，崩落法采場(chǎng)和充填法采場(chǎng)表現(xiàn)為卸壓區(qū)，即在開(kāi)挖進(jìn)度為0 cm時(shí)，隔離礦柱中的應(yīng)力值明顯高于充填法采場(chǎng)及崩落法采場(chǎng)中的應(yīng)力值，同時(shí)崩落法采場(chǎng)的卸壓作用相比于充填法采場(chǎng)更加顯著。開(kāi)挖后崩落法采場(chǎng)及充填法采場(chǎng)中應(yīng)力小幅穩(wěn)步增加，采空區(qū)頂板中應(yīng)力大幅下降，同時(shí)條形礦柱中的應(yīng)力大幅度上升，即在開(kāi)挖后采空區(qū)存在明顯的卸壓過(guò)程，該部分的應(yīng)力往條形礦柱中轉(zhuǎn)移導(dǎo)致條形礦柱中的應(yīng)力值有大幅度的增加。此外還可以看出大幅度的卸壓作用主要集中在開(kāi)挖的前半段，開(kāi)挖前15 cm時(shí)，采場(chǎng)中應(yīng)力轉(zhuǎn)移的情況十分明顯，條形礦柱中應(yīng)力大幅增加，采空區(qū)頂板中的應(yīng)力大幅下降。開(kāi)挖后15 cm時(shí)，采場(chǎng)中仍有一定的卸壓作用，但是相對(duì)于前15 cm，卸壓作用已經(jīng)有較大的減弱，條形礦柱中應(yīng)力增加的速率減緩。因此可以推測(cè)卸壓作用主要集中在開(kāi)挖前15 cm的過(guò)程中。

條形礦柱寬度逐步減小時(shí)，模型中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況如圖9所示?？梢钥闯鲈跅l形礦柱寬度減小的過(guò)程中，充填法采場(chǎng)、崩落法采場(chǎng)及采空區(qū)頂板中的應(yīng)力基本不變，條形礦柱中應(yīng)力有少量的增加，當(dāng)寬度減小為2 cm時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力值出現(xiàn)斷崖式下降，說(shuō)明此時(shí)條形礦柱發(fā)生了破壞，其內(nèi)部額應(yīng)力瞬間得到了釋放。因此根據(jù)相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果表明，條形礦柱的寬度定為2.5 m是較為合適的。

圖9 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化圖Fig.9 Stress measurement chart of each measuring point

在確定出條形礦柱的寬度之后，將一分段一分層進(jìn)行回填，回填完畢后繼續(xù)開(kāi)采一分段二分層，依次向上開(kāi)挖直至完成所有分段的回采，在向上開(kāi)挖的過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值變化情況如圖10所示。

從圖10可以看出，在向上回采的過(guò)程中采場(chǎng)中的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均有所下降，其中條形礦柱中的應(yīng)力值下降幅度最為明顯，崩落法采場(chǎng)及充填法采場(chǎng)中應(yīng)力值有也一定程度的降低，但是總體下降的數(shù)值較小。此外在每個(gè)分段最后一層回采充填完畢后，記錄一次采場(chǎng)中的應(yīng)力值，從中可以看出采空區(qū)回填后條形礦柱中的應(yīng)力值有大幅度的下降，而充填法及崩落法采場(chǎng)中的應(yīng)力值基本沒(méi)有變化，由此可以說(shuō)明，回填后充填體能起到良好的支撐作用，使得條形礦柱中的應(yīng)力大量往充填體中轉(zhuǎn)移。所以條形礦柱中應(yīng)力值大幅度的降低，而充填法采場(chǎng)和崩落法采場(chǎng)基本不受回填的影響。

位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖11進(jìn)行布設(shè)。從圖中可以看出隔離礦柱及相鄰充填法采場(chǎng)中的位移為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，因此在這兩處位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置較為密集，崩落法采場(chǎng)中由于是散體，無(wú)法在其外部布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此使用不同顏色的小石子來(lái)模擬崩落法采場(chǎng)中的散體，根據(jù)小石子的移動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)在開(kāi)挖過(guò)程中崩落法采場(chǎng)中的位移情況。本次位移監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)為采空區(qū)頂板的五個(gè)點(diǎn)分別為 D（4，2）、D（4，3）、D（4，4）、D（4，5）、D（4，6），采空區(qū)底板的五個(gè)點(diǎn)，分別為 D（1，2）、D（1，3）、D（1，4）、D（1，5）、D（1，6），空區(qū)左側(cè)靠近充填法采場(chǎng)的兩個(gè)點(diǎn) D（2，8）、D（3，8）以及條形礦柱中的兩個(gè)點(diǎn) D（2，1）、D（3，1），共計(jì) 14 個(gè)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)充填法采場(chǎng)取部分點(diǎn)監(jiān)測(cè)其位移變化情況，選取的點(diǎn)為 D（2，9）、D（3，9）、D（4，9）、D（2，10）、D（3，10）、D（4，10）、D（2，11）、D（3，11）、D（4，11）。

圖 11位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.11 Displacement monitoring point layout

圖10 向上回采過(guò)程中應(yīng)力變化情況Fig.10 Stress change during upward recovery

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可得到如圖12所示的結(jié)果。

從圖12中可以看出采空區(qū)頂板出現(xiàn)了少量的下沉，下沉量最大值出現(xiàn)在頂板中部，最大下沉量為3 mm，從頂板中部往頂板兩側(cè)下沉量逐漸減小，頂板兩側(cè)的下沉量最大值為1 mm。此外底板出現(xiàn)了少量的鼓起，最大鼓起量為2.9 mm，出現(xiàn)在底板的中部，底板兩側(cè)鼓起量最大值為0.9 mm。采空區(qū)兩幫的位移量相對(duì)較小，最大位移值為0.5 mm。

圖12 各測(cè)點(diǎn)位移量Fig.12 Displacement of each measuring point

4結(jié)語(yǔ)

（1）崩落法采場(chǎng)和充填法采場(chǎng)在開(kāi)采完成之后，其采場(chǎng)中的應(yīng)力均往隔離礦柱中進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此隔離礦柱表現(xiàn)為承壓區(qū)，崩落法采場(chǎng)和充填法采場(chǎng)表現(xiàn)為卸壓區(qū)。崩落法采場(chǎng)中以散體為主，卸壓作用較充填法采場(chǎng)更為明顯。對(duì)不同寬度的條形礦柱的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出結(jié)論為當(dāng)條形礦柱的寬度為2.5 m或3.0 m時(shí)，礦柱中垂直應(yīng)力相對(duì)較?。ㄗ畲笾禐?3.2 MPa），塑性區(qū)范圍小，條形礦柱內(nèi)部有效支撐寬度大，礦柱穩(wěn)定性較好，當(dāng)?shù)V柱寬度為2 m時(shí)，條形礦柱中的垂直應(yīng)力有大幅的增加（最大值為67.8 MPa），礦柱內(nèi)部巖體基本均已發(fā)生塑性形變，礦柱穩(wěn)定性較差，因此將條形礦柱寬度定為2.5 m或者3 m是較為合理的。

（2）相似材料模擬結(jié)果表明，采空區(qū)頂板、條形礦柱、崩落法采場(chǎng)及充填法采場(chǎng)對(duì)應(yīng)區(qū)域中的應(yīng)力值均有小幅的下降，其中條形礦柱中應(yīng)力值下降幅度最大，崩落法采場(chǎng)及充填法采場(chǎng)中應(yīng)力值下降幅度相對(duì)較小。頂板中應(yīng)力值基本保持恒定。此外需要指出的是，采空區(qū)回填后，條形礦柱中的應(yīng)力值有大幅的下降，而崩落法采場(chǎng)、充填法采場(chǎng)及頂板中的應(yīng)力充填前后基本不變，這說(shuō)明回填后充填體能起到良好的支撐作用，條形礦柱中的應(yīng)力大量往充填體中轉(zhuǎn)移從而使得礦柱中應(yīng)力值有大幅地降低，而充填法采場(chǎng)和崩落法采場(chǎng)中應(yīng)力分布不受充填體的影響。在分析采空區(qū)周圍各點(diǎn)位移量變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)頂板出現(xiàn)少量的下沉，最大下沉量為3 mm，出現(xiàn)在頂板的中部，采空區(qū)地板出現(xiàn)少量的鼓起，最大鼓起量為2.8 mm，出現(xiàn)在底板的中部。采空區(qū)兩幫水平位移量較小，約為0.5 mm。