礦柱回采時空區穩定性預測

邢兆超 呂會元

(山東金嶺礦業股份有限公司)

山東金嶺礦業股份有限公司辛莊礦床處于生產末期，為了穩定產量，提高資源回收率，需要對遺留礦柱進行回收。501礦柱兩側的空區形成時間較長，且在兩側礦房回采過程中，501礦柱曾發生局部垮塌，因此，必須采取措施，確保該礦柱的安全回采。

1 501礦柱周邊開采現狀

辛莊礦床為矽卡巖型磁鐵礦，－340～－460 m水平為厚大礦體，礦體傾角在80°以上，局部有倒傾現象，最大厚度達到55 m，礦體上、下盤圍巖分別為石灰巖和閃長巖。設計有501礦房、501礦柱和502礦房3部分。501礦房礦體從－360 m水平一直延伸到－460 m水平，共有9個分段水平，－420～－460 m水平的礦石未回采;502礦房從－360 m水平一直延伸到－420 m，設有5個水平，已回采完畢;501礦柱從360 m水平延伸到－460 m水平，礦柱垮落前礦量23．3萬 t，垮落后礦量18．3萬 t。

2 501礦柱回采方案

根據礦體的賦存條件，結合501礦柱兩側采礦現狀，采用周邊空區不充填搶采501礦柱、回采強度高的中深孔落礦方案［1］，爭取在空區圍巖大面積變形前完成出礦作業，最后進行膠結充填。

此方案的優點是改變生產方式，回采時利用兩側空區做自由面，礦石崩落到501和502礦房內，可實現－460、－420 m 2個地點出礦，采礦強度高。缺點是隨著回采的進行，空區暴露面積逐漸增大，501、502空區和501礦柱連成一片，空區上下盤和頂板暴露面積達到2 500 m2，易發生頂板大面積垮落，造成人員傷害和設備損壞事故。

因此，回采方案實施的關鍵是要了解501礦柱周邊空區的穩定性，并根據空區圍巖穩定性的變化，有預見性地提前采取撤離人員、設備、進行下盤巖體加固等措施。

3 501礦柱周邊空區動態穩定性研究

3．1 建立模型

通過對礦山開采技術、礦山地質條件的分析，對開采前后的空區分布進行調查，利用－360、－372、－384、－396、－408、－420、－433、－446、－460 m平面圖的礦體輪廓線，采用SURPAC三維礦山設計軟件模型構建技術，建立了精確的501礦柱局部垮落后、501空區、502空區三維實體模型。

3．2 501礦柱周邊空區圍巖三維模擬計算

利用SURPAC軟件建立三維地質模型，把三維地質模型導入到FLAC3D軟件中進行仿真計算。本方案綜合了SURPAC軟件在三維建模方面的優勢和FLAC3D軟件在數值計算方面的優勢，使數值模擬更符合實際，提高了模擬的可靠性［2］。

模擬計算了不同開挖階段501礦柱局部垮落后、開挖501房下部、開挖501礦柱后、501礦柱周邊空區圍巖各水平應力、位移及塑性區情況。數值計算采用的巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

3．3 不同開挖階段501礦柱空區圍巖各水平應力、位移及塑性區綜合分析

通過數值模擬計算分析，得到不同開挖階段501礦柱周邊空區圍巖應力、位移及塑性區分布情 況，見表2。

表2 不同開挖階段501礦柱周邊空區圍巖應力、位移及塑性區分布

綜合表2數據分析可知，從最大主應力(壓應力)看，隨開挖推進，在下步501礦房開采后，－372、－384、－396 m水平壓力呈增大趨勢，－408、－420 m水平變化不大。位移也有類似趨勢，但－408、－420 m位移有增大趨勢。從塑性區面積看，－372、－384 m隨開采進行有增大趨勢，－384～－396 m水平分布較大，是相對危險區域。

3．4 501礦柱周邊空區圍巖應力遠程監測系統

3．4．1 應力監測系統

監測系統使用的是KD-2型無線巡檢系統，并采用與其配套的振弦傳感器，用于微機自動監測多點多種物理量。采用ZLGH-20型鉆孔測力計，測量煤礦或金屬礦預留柱應力的變化。

監測系統使用的數學計算模型為

式中，A為傳感器自身測定的出廠參數;f為實際安裝后測得頻率值;f0為初頻;F為壓力值。

監測裝置放在井下，數據通過電纜傳輸到地表監控電腦上，設置每2 h采集1次數據，并設定警示功能，一旦監測點數據發生突變超過安全數值，將自動提示。

3．4．2 監測點布置

根據表2綜合分析確定的危險區域，在501礦柱周邊選取了18個監測點，－372 m水平4個，－384 m水平2個，－396 m水平4個，－408 m水平4個，－420 m水平2個。其中－372 m水平作為頂板穩定性監測，－396 m和－408 m作為最危險區域監測，－384 m和－420 m作為發展中危險區域監測。

4 監測結果分析

2011年6月辛莊礦床完成了應力監測系統的安裝調試工作，并投入使用。同時501礦房底部也開始進行回采，2011年8月底回采完畢，隨后回采501礦柱。表3為回采期間各水平501柱周邊空區圍巖應力監測部分數據。

表3 各水平501礦柱周邊空區圍巖部分應力監測相對值

由表3可以看出，各水平應力監測數據隨著501礦柱開采的不斷往下延伸呈現逐步增大趨勢。2012年3季度，501礦柱回采至－396 m水平時，各水平壓力增速變快，表明圍巖應力狀態出現惡化，下一步圍巖應力會進一步增加，有可能能發生圍巖頂板的冒落和局部坍塌。因此，要對可能發生冒落的區域進行觀察，并加快501礦柱回采進度，回采完畢后及時對空區進行膠結充填，以確保空區的穩定性。

5 結論

通過對礦柱回采時空區穩定性的分析預測，實現了對礦柱回采過程中周邊空區圍巖穩固性監測，并對回采中的人身及設備安全提供預警，確保礦柱回采全過程的安全，該技術也可為其他礦山礦柱的安全回采提供參考。

［1］ 解士俊，周德元，宋曉天，等．采礦設計手冊:第四卷［M］．北京:冶金工業出版社，1990．

［2］ 張迎暉，王在泉，楊瑩輝，等．基于SURPAC的礦山開采穩定性FLAC3D模型與模擬［J］．地下空間與工程學報，2011(2):306-310．