多中段回采對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性影響的研究

楊福波

（銅陵有色股份金口嶺礦業(yè)公司， 安徽 銅陵市 244000）

1 礦山概況

某鎢礦礦體為急傾斜薄礦脈，礦石和圍巖比較穩(wěn)固，且不具有自燃性、氧化性和結(jié)塊性，礦體厚度為0．1～2．0m。目前，該鎢礦山開采時(shí)采用了多種留礦法方案，包括：桿柱留礦法、礦房留礦法、分段留礦法、短礦房留礦法、假底木質(zhì)留礦法、鋼筋混凝土假底留礦法、爬罐天井中深孔留礦法、振動放礦漏斗留礦法、固定漏斗留礦法、過路漏斗留礦法等。其中，短礦房留礦法所占比例較大，一般在一條礦脈中，在一礦塊布置一個(gè)中央天井，其他礦塊大部分在短采區(qū)布置。其中段高度為40m左右，采區(qū)長度一般為80～100m，短采區(qū)留礦法有20～80m，頂?shù)字髁?m，漏斗間距4～6m。圖1為某礦房單體設(shè)計(jì)圖，其中采場具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：采區(qū)長度為75．4m，頂柱3m，底柱2．2m，漏斗間距為5m，中段高度為42．2m。

圖1 某礦房單體設(shè)計(jì)

該礦山采用留礦法開采，形成大量的采空區(qū)，且尚無充填處理空區(qū)的相關(guān)設(shè)施。多中段采空區(qū)穩(wěn)定性分析，尤其是采空區(qū)頂?shù)字€(wěn)定性分析值得研究。

2 有限元模型的建立

本文有限元程序計(jì)算分析中，本構(gòu)模型采用MC模型，MC材料選項(xiàng)采用 M－C（Mohr－Coulomb）屈服準(zhǔn)則。MC材料選項(xiàng)中需要輸入6個(gè)參數(shù)：彈性模量E、密度ρ、泊松比u、內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ以及膨脹角。膨脹角在屈服過程中影響土體的體積變化，對巖體的變形沒有多大影響，此次計(jì)算時(shí)假定圍巖沒有體積變化，則取膨脹角為0。

該礦山礦體上下盤圍巖主要為花崗巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，穩(wěn)定性好，礦巖接觸界面清晰，密度為2．617t／m3，松散系數(shù)約為1．6，普氏硬度系數(shù)f為：礦石10～12，花崗巖8～10，具體參數(shù)見表1。

表1 礦巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)工程和相似計(jì)算的取值，利用折減系數(shù)求出巖體的彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，具體折減系數(shù)見表2。

表2 巖體折減系數(shù)

則有限元計(jì)算礦體的彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值，見表3。

表3 有限元計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該鎢礦礦體賦存條件和實(shí)測圍巖、礦體物理力學(xué)特性，建立了實(shí)體模型，礦體走向長約1000 m，高600m，厚2m。整個(gè)礦體標(biāo)高為700～100 m，共15個(gè)中段，每個(gè)中段高40m，劃分10個(gè)采場，采場寬約100m，間柱寬2m，頂柱和底柱分別為2．5，3m，沿脈平巷2．2m。隨后，對實(shí)體模型進(jìn)行了單元網(wǎng)格劃分，如圖2、圖3所示，共劃分63136個(gè)節(jié)點(diǎn)，294062個(gè)單元，其中實(shí)體數(shù)331個(gè)，網(wǎng)格組332個(gè)。

圖2 礦體計(jì)算模型

圖3 圍巖計(jì)算模型

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

分析了15個(gè)中段開挖過程中各中段頂?shù)字膽?yīng)力、位移分布變化情況，得出結(jié)論如下。

（1）礦體在沒開挖之前處于彈性平衡狀態(tài)，巖體所受的應(yīng)力等于上覆巖層的自重應(yīng)力。

（2）礦體開挖以后，巖體原有的平衡狀態(tài)遭到破壞，開挖對采場所留的頂、底柱以及礦柱都產(chǎn)生了一定的影響，且在采空區(qū)與礦柱的邊角處出現(xiàn)高度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。從第三中段開挖開始，采空區(qū)上方中央的巖層出現(xiàn)了受拉狀態(tài)，根據(jù)巖層的抗拉強(qiáng)度特性，頂板所受的拉應(yīng)力將是采場穩(wěn)定性的決定因素。

（3）針對指定中段頂柱上某一點(diǎn)在開挖前后的應(yīng)力變化，如圖4所示，圖中可以看出：從第1步至第5步，最大、最小主應(yīng)力與自重應(yīng)力相差不大，變化比較緩慢，接近直線；開挖到第6步時(shí)，應(yīng)力急劇變化，最大主應(yīng)力由30．8MPa增大到80．2MPa，最小主應(yīng)力也由30．7MPa增大到43．6MPa；此后，隨著不斷地向深部中斷開挖，最大、最小主應(yīng)力也相應(yīng)地呈增加趨勢；開挖到第15步時(shí)，最大主應(yīng)力為180．2MPa，最小主應(yīng)力為96．5MPa。最大應(yīng)力超過了礦體極限抗壓強(qiáng)度，這很可能會在采場周圍出現(xiàn)冒頂、崩落等地壓現(xiàn)象。

（4）從有限元位移模擬結(jié)果可以看出，每個(gè)中段采場及巷道的開挖都會對上下中段的礦體產(chǎn)生變形影響。開采上部中段的礦體時(shí)，下覆巖體的變形量比較小。但隨著不斷地向深部開挖，巖體的位移變化量越來越大。

圖4 指定中段頂板應(yīng)力隨開挖次數(shù)的變化曲線

（5）隨著礦山開采深度的增加，多中段回采形成的采空區(qū)穩(wěn)定性將越來越差，給礦山帶來安全隱患，必須要采取相應(yīng)的措施，為可持續(xù)發(fā)展提供保障。

4 結(jié) 論

對某鎢礦的礦、巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試，并于折減后運(yùn)用至礦巖穩(wěn)定性計(jì)算模型的建立中。通過有限元模擬可知，多中段回采形成了大規(guī)模的采空區(qū)，采空區(qū)頂板不但受本中段回采的影響，同時(shí)也受到其它中段回采的影響，隨著開采深度的增加，采空區(qū)穩(wěn)定性將越來越差，極不利于深部回采。

為保障礦山安全生產(chǎn)，建議采取以下措施。

（1）更換采礦方法。深部開采不但存在著“三高一擾動”，且開采形成的采空區(qū)會影響礦山安全回采，建議采用嗣后充填采礦方法，研究相關(guān)的充填材料和充填工藝。

（2）加強(qiáng)監(jiān)測，包括地表監(jiān)測和地壓監(jiān)測。建立地表監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)掌握礦區(qū)地表位移變化，防止淺部關(guān)鍵中段空區(qū)坍塌，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。運(yùn)用各種地壓監(jiān)測方法，如微震監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、GPS監(jiān)測等，以防止大規(guī)模災(zāi)害性地壓事故的發(fā)生。

［1］ 楊德全，周國慶，侯克鵬，等．采礦方法選擇及其數(shù)值模擬研究［J］．采礦技術(shù)，2009，9（3）：12－14．

［2］ 江文武，丁 銘，張耀平，等．龍橋鐵礦采空區(qū)頂板巖層移動及冒落規(guī)律研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31（3）：17－19，39．

［3］ 王 進(jìn)，馮階明．多中段回采采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］．科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008：74－75．

［4］ 張五興，宋嘉棟，谷新建．三道莊礦區(qū)采空區(qū)處理方案優(yōu)化［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31（4）：78－79．

［5］ 付占宇，彭府華．采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測可行性研究［J］．采礦技術(shù)，2011，11（4）：77－79．

［6］ 莫 卿，馬 馳，王劍波，等．基于模糊評價(jià)的留礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（1）：4－7，81．