王文軍 李家樹 徐 帥 吳 超 于清軍

（1.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.成遠(yuǎn)礦業(yè)開發(fā)股份有限公司，遼寧 遼陽 111200；3.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819；4.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙 古赤峰 025450）

淺部易采礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，深部資源成為未來礦產(chǎn)資源開采的必然趨勢［1-4］。深部開采過程中，高地應(yīng)力、高井深、高地溫和高承壓水以及循環(huán)開采擾動(dòng)的深部開采環(huán)境［5］，極易誘發(fā)開采過程中的巖爆、大變形及大體積塌方等工程災(zāi)害，威脅到人員、設(shè)備的安全。特別是在高地應(yīng)力作用下，巷道、采場等開采工程破壞嚴(yán)重，頂板及上盤巖體頻繁冒落，導(dǎo)致開采過程中工程支護(hù)成本急劇上升，損失貧化加??；嚴(yán)重者導(dǎo)致礦體無法開采，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。

巖體被開挖之前處于平衡狀態(tài)，開挖破壞了巖層的平衡狀態(tài)，巖層向新的平衡調(diào)整，調(diào)整過程中帶來的地應(yīng)力的重新分布，引起開挖工程的變形與破壞，這就是地壓顯現(xiàn)。當(dāng)?shù)貞?yīng)力超過巖層的極限平衡狀態(tài)，巖體就發(fā)生變形破壞，導(dǎo)致地下工程災(zāi)害的發(fā)生。垂直地應(yīng)力與構(gòu)造地應(yīng)力均隨開采深度增加而非線性增大，且不可回避、無法避免。針對深部礦產(chǎn)資源高應(yīng)力的開采環(huán)境，研究人員提出了“卸壓開采”的理論［6-7］。卸壓開采基于應(yīng)力調(diào)控的方法，降低擬開采區(qū)域的應(yīng)力數(shù)值，對擬開采區(qū)域的工程穩(wěn)定、開采安全具有積極的意義。卸壓開采理論在實(shí)際工程實(shí)踐中主要通過“開采順序”［8-9］和“卸壓爆破”［10-11］來實(shí)現(xiàn)。開采順序調(diào)控中主要形成一個(gè)“倒置金字塔”的開采順序，將地應(yīng)力向兩翼及上下盤圍巖中進(jìn)行調(diào)控，減小礦體中應(yīng)力集中。卸壓爆破則是利用預(yù)裂爆破的方法，切斷地應(yīng)力的傳播路徑，一定范圍內(nèi)改變地應(yīng)力的傳播路徑。采礦實(shí)際生產(chǎn)中，借鑒采場預(yù)留自然礦柱作為底柱做法，部分學(xué)者如許宏亮［12］、趙興東［13］、李夕兵［14］提出了在深部開采中預(yù)留一定量的自然礦柱來隔離深部與淺部開采，起到調(diào)節(jié)深部應(yīng)力分布的作用，減少或控制地表巖移。預(yù)留自然隔離礦柱操作相對簡單，在深部開采中被廣泛使用。

本項(xiàng)目依托的某鉛鋅礦山在開采過程中，上部形成較多空區(qū)，空區(qū)下存在較多深部礦體尚待開采，提出一種空區(qū)下預(yù)留一定厚度的原巖礦柱隔離淺部空區(qū)與深部待采礦體的解決方案，通過隔離礦柱，實(shí)現(xiàn)淺部空區(qū)處理與深部礦體開采的平穩(wěn)過渡?；诶碚撚?jì)算、相似材料物理仿真、數(shù)值模擬等方法，揭示了隔離礦柱的作用機(jī)制，開展了隔離礦柱厚度的優(yōu)化。

1 工程概況

某鉛鋅礦礦體開采現(xiàn)狀見圖1，礦體傾角約75°，局部厚大部位礦體厚度30～40 m，屬于急傾斜厚大礦體。礦體上下盤圍巖完整，屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖。淺部厚大礦體采用階段礦房法，礦房沿著走向布置，段高50 m，長32 m，間柱18 m，頂柱10 m，平底結(jié)構(gòu)出礦；狹窄部位采用淺孔留礦法開采，礦房均不充填。間柱與頂柱通過深孔崩落進(jìn)行回收。淺部礦體回收后地表出現(xiàn)坍陷，井下空區(qū)5萬m3仍未處理。空區(qū)下深部仍有較多礦量尚未開采。礦山當(dāng)前的空區(qū)處理方式引起了地表塌陷，對地表部分構(gòu)筑物產(chǎn)生了影響，當(dāng)前的空區(qū)處理方式和開采方式已經(jīng)不再適合。礦山當(dāng)前存在的問題是如何保證空區(qū)治理與深部資源安全開采。

2 隔離礦柱厚度理論計(jì)算

隔離礦柱厚度取決于埋深及圍巖物理力學(xué)性質(zhì)。隔離礦柱厚度不宜太小，太小則達(dá)不到隔離和承載的目的；由于隔離礦柱自身應(yīng)力集中導(dǎo)致回收難度大，回收率僅有30%～40%，因而隔離礦柱過于厚大則占用較多的礦產(chǎn)資源。當(dāng)前用于確定隔離礦柱的方法有荷載傳遞交線法、厚跨比法、簡化梁法、魯別涅伊特公式等方法。基于依托礦山的實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算過程如表1所示。當(dāng)深部礦房跨度B不同時(shí)，各方法計(jì)算的隔離礦柱厚度H分布規(guī)律如圖2所示。

礦山開采深度約600 m，礦體水平厚度為30～40 m。深部擬改用階段礦房嗣后充填采礦法和上向水平充填采礦法。設(shè)計(jì)最大暴露跨度約25 m。簡化梁法、厚跨比法、荷載傳遞法、魯別涅伊特方法，對應(yīng)的境界礦柱厚度分別為26.9 m、17.5 m、12.3 m和25.1 m。4種方法的平均厚度為20 m?；诎踩紤]，取安全系數(shù)為1.25，則保留境界礦柱的理論厚度為25 m，能夠達(dá)到境界礦柱的隔離和承載作用。

3 基于數(shù)值分析的隔離礦柱厚度優(yōu)化

3.1 計(jì)算模型

通過AutoCAD對地表等高線提取X、Y、Z坐標(biāo)后，利用Surfer進(jìn)一步做插值處理，生成與實(shí)際相符的三維地表模型。根據(jù)各中段平面圖與剖面圖，在ANSYS中建立三維礦體精細(xì)模型，最后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算分析。如圖3所示，模型長2 300 m，寬1 400 m，高900 m。計(jì)算模型采用位移約束，在底面和4個(gè)側(cè)面進(jìn)行約束。在隔離礦柱與礦柱相鄰中段的間柱和上方散體中布置9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。

3.2 計(jì)算參數(shù)

通過現(xiàn)場地質(zhì)取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后，開展室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測試試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，獲得試樣的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，并基于Hook-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行折減獲取其巖體強(qiáng)度；經(jīng)配比實(shí)驗(yàn)獲取充填材料的配比及力學(xué)參數(shù)。折算后的巖體與充填材料的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.3 模擬方案

深部礦體采用階段礦房進(jìn)行開采，開挖后采用1∶10灰砂比充填材料進(jìn)行充填。數(shù)值分析時(shí)分別計(jì)算15 m、20 m、25 m、30 m 4種不同厚度的自然礦柱作用下，隔離礦柱及上下盤圍巖中的位移和塑性區(qū)隨深部礦體開采的變化情況。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

（1）15 m厚隔離礦柱。在15 m厚的自然礦柱作用下深部礦體開挖時(shí)自然礦柱內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的位移、塑性區(qū)如圖4所示。由圖4可見，隔離礦柱中監(jiān)測點(diǎn)C1、C2、C3的最大位移分別為67.5 mm、72.7 mm和60.1 mm，表明同一隔離礦柱中部的位移變化量最大，上盤次之，下盤最小。相對于距離隔離礦柱50 m的B組監(jiān)測點(diǎn)，B2的最大位移為63.38 mm、A2的最大位移為53.01 mm，表明位移監(jiān)測值均隨距離隔離礦柱的距離增大而逐漸減小。

預(yù)留15 m厚的自然隔離礦柱，計(jì)算平衡后塑性區(qū)分布如圖5所示。由塑性區(qū)分布圖5可知，在厚度15 m的自然隔離礦柱作用下，隨著深部礦體的開挖自然隔離礦柱中已經(jīng)形成貫通塑性區(qū)，隔離礦柱破壞嚴(yán)重，易導(dǎo)致工程失穩(wěn)，塑性區(qū)的體積占整個(gè)隔離礦柱厚度的95%。因此15 m厚隔離礦柱不能滿足安全生產(chǎn)需求。

（2）不同厚度隔離礦柱計(jì)算結(jié)果。15 m、20 m、25 m、30 m厚度隔離礦柱計(jì)算得到的監(jiān)測點(diǎn)位移和塑性區(qū)的體積隨厚度變化如圖6所示。通過圖6可以看出，C2、B2、A2三監(jiān)測點(diǎn)位移均隨自然隔離礦柱厚度增大而明顯減小。當(dāng)隔離礦柱厚度超過25 m時(shí)，位移逐漸趨于定值，表明隔離礦柱的厚度增大可以有效隔離深部開采對上覆空區(qū)和松散巖體的影響，可有效控制地表巖層移動(dòng)。但隔離礦柱厚度超過25 m，隨著隔離礦柱的增大，隔離效果增強(qiáng)作用不大。由不同厚度隔離礦柱中塑性區(qū)的占比曲線可見，隨著隔離礦柱厚度增大，塑性區(qū)的體積占隔離礦柱的有效體積迅速下降。當(dāng)隔離礦柱厚度在25 m時(shí)，塑性區(qū)體積僅占總體積的約5%且零星分布，未出現(xiàn)貫通。厚度超過25 m時(shí)，塑性區(qū)所占比重更低。由此可見，隔離礦柱厚度為25 m時(shí)安全性較好。

4 基于物理仿真的隔離礦柱作用機(jī)理分析

基于相似材料物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺，通過模擬空場嗣后充填開采深部礦體時(shí)自然礦柱與上盤圍巖的變形與破壞規(guī)律，揭示深部開采時(shí)自然隔離礦柱的作用機(jī)理。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置。相似材料實(shí)驗(yàn)平臺采用二維平面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺裝填模型尺寸長×高×厚為2 400 mm×1 100 mm×200 mm，加載系統(tǒng)最大垂直載荷達(dá)100 t，水平應(yīng)力最大載荷達(dá)60 t。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。采場幾何尺寸為長×高=32 m×38 m，結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺的裝模尺寸，確定開挖采場幾何尺寸為長×高=19.2 cm×22.8 cm，幾何相似比為166.7，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)選取容重比為1.76，經(jīng)計(jì)算強(qiáng)度相似比為1∶290。

（2）材料參數(shù)。實(shí)驗(yàn)材料采用58#全精煉石蠟，由10～20目和20～40目粒徑石英砂按照1∶2的比例混合作為骨料，采用800目重晶石粉作為增重劑。此外加入少量的長城抗壓潤滑油作為潤滑劑便于脫模。經(jīng)相似準(zhǔn)則折算后，礦體與圍巖強(qiáng)度差異較小，因此本研究礦體與圍巖采取同一材料展開相似模擬實(shí)驗(yàn)，各相似材料的力學(xué)參數(shù)如表3所示。

（3）實(shí)驗(yàn)方案。結(jié)合相似理論可知模型上部應(yīng)施加載荷值為0.038 MPa，為保證塌陷區(qū)木塊在擠壓作用下不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在塌陷區(qū)上部施加載荷值為正常區(qū)域載荷值的20%為0.007 6 MPa。實(shí)驗(yàn)采用梯度加載的方式進(jìn)行加載，持壓階段分模型應(yīng)力平衡、開挖和開挖后持壓分步驟進(jìn)行，加載方案如表4所示。實(shí)驗(yàn)中將應(yīng)力盒集中布置于自然隔離礦柱中，利用散斑監(jiān)測區(qū)域的位移變化。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。自然隔離礦柱在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程經(jīng)歷了穩(wěn)定持壓階段、微裂隙產(chǎn)生發(fā)展階段和自然隔離礦柱失穩(wěn)階段3個(gè)階段，如圖8所示。自然隔離礦柱在持壓梯度五階段進(jìn)入變形快速發(fā)展階段，經(jīng)歷了裂隙的迅速擴(kuò)展后進(jìn)而發(fā)生破壞失穩(wěn)。自然隔離礦柱在持壓梯度五階段才出現(xiàn)肉眼可見的微裂隙，微裂隙首先出現(xiàn)在自然隔離礦柱左上部位和平行四邊形采場右上頂點(diǎn)位置，并分別向下和向上逐漸發(fā)育擴(kuò)展，在此過程中自然隔離礦柱內(nèi)部也出現(xiàn)少許裂紋，隨著裂隙的發(fā)育貫通，引起隔離礦柱產(chǎn)生拱狀冒落體，隨著自然隔離礦柱破壞程度的逐漸升高，最終隔離礦柱整體向下運(yùn)動(dòng)，在充填體的支撐作用下重新趨于穩(wěn)定。

由于采場上部塌陷區(qū)的存在，隔離礦柱承受載荷主要來自于礦柱兩側(cè)巖體的擠壓作用，隔離礦柱內(nèi)應(yīng)力主要表現(xiàn)為水平應(yīng)力。由采場開挖的應(yīng)力云圖（如圖9（a））可知，位于采場上部的礦柱水平應(yīng)力值降低，而位于隔離礦柱兩側(cè)的巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，采場下盤相較于采場上盤的應(yīng)力集中程度更高。自然隔離礦柱失穩(wěn)過程的位移云圖如圖9（b）所示，隔離礦柱為整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的位移較大區(qū)域，隔離礦柱與隔離礦柱兩側(cè)巖體的位移量形成鮮明對比，即隔離礦柱相對獨(dú)立位移變形受到相鄰巖體的制約較小，并且隔離礦柱上位移云圖同樣成拱狀擴(kuò)散，冒落區(qū)域位移平均15 mm，與隔離礦柱宏觀發(fā)生的隔離礦柱拱狀冒落相對應(yīng)。隔離礦柱在水平應(yīng)力的擠壓作用下，形成類似于典型單軸抗壓實(shí)驗(yàn)的X狀破壞形式，即在受壓狀態(tài)下產(chǎn)生剪切破壞。

5 隔離礦柱經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析

基于理論計(jì)算、數(shù)值分析可知預(yù)留25 m厚度隔離礦柱，可以保證深部礦體開采過程中，隔離礦柱以及礦柱上部采空區(qū)、松散巖體的穩(wěn)定，起到隔離淺部空區(qū)與深部礦體安全開采的作用，同時(shí)在深部開采過程中，起到承載上覆壓力降低深部應(yīng)力的作用。

25 m厚預(yù)留礦柱位于采空區(qū)下部10 m處。根據(jù)所選位置的礦巖分布特征，預(yù)留礦柱占用礦石量約37.6萬t。依據(jù)礦山開采經(jīng)濟(jì)價(jià)值推算，當(dāng)前開采礦石的利潤為288.16元/t，預(yù)留原巖礦柱占用礦石價(jià)值為1.08億元。

由此可見，預(yù)留隔離礦柱在深部資源開采到一定深度后，特別是隔離礦柱下方2個(gè)中段（100 m）的礦體開采完畢，形成一個(gè)穩(wěn)固充填體情況下，當(dāng)隔離礦柱上部采空區(qū)系統(tǒng)處理完，空區(qū)被消除后，可以考慮回收隔離礦柱，以減少資源的損失與浪費(fèi)。

6 結(jié)論

（1）借鑒露天轉(zhuǎn)地下過程中預(yù)留隔離礦柱技術(shù)，在深部開采過程中，預(yù)留隔離礦柱，一方面起到有效隔離淺部與深部開采相互影響，實(shí)現(xiàn)淺部空區(qū)處理、殘礦回收與深部開采的互不干擾、并行作業(yè)，保證礦山在深部開采采礦方法更換過程中的產(chǎn)能平穩(wěn)過渡、生產(chǎn)順利銜接。同時(shí)作為承載礦柱，降低深部開采的垂直應(yīng)力，為深部資源開采提供較好的條件。

（2）基于荷載傳遞交線法、厚跨比法、簡化梁法、魯別涅伊特公式4種方法，進(jìn)行綜合考慮，理論計(jì)算結(jié)果顯示25 m厚的原巖隔離礦柱可以達(dá)到預(yù)期效果?；跀?shù)值模擬仿真，對比15 m、20 m、25 m、30 m的不同厚度隔離礦柱作用下的位移、塑性區(qū)變化規(guī)律，表明25 m厚的原巖隔離礦柱滿足安全生產(chǎn)需求。

（3）基于相似材料物理仿真實(shí)驗(yàn)，25 m厚的原巖隔離礦柱在持續(xù)梯度加載下，經(jīng)歷穩(wěn)定持壓階段、微裂隙產(chǎn)生發(fā)展階段和自然隔離礦柱失穩(wěn)階段3個(gè)階段，經(jīng)歷了裂隙的迅速擴(kuò)展后進(jìn)而發(fā)生破壞失穩(wěn)。隔離礦柱失穩(wěn)時(shí)對應(yīng)的加載壓力為自重應(yīng)力的3.5倍，表明25 m厚的自然隔離礦柱在正常情況下，可以保證生產(chǎn)安全。

（4）25 m厚的原巖隔離礦柱占用礦量約37.6萬t，價(jià)值約為1.08億元。因此在條件具備的情況下，原巖礦柱應(yīng)該進(jìn)行回收，以降低礦石損失與浪費(fèi)。