隔一采一礦柱空場回采嗣后放頂處理空區數值分析

米繼武，李永輝

(1.河北崇禮紫金礦業有限責任公司， 河北崇禮縣 076350；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

隔一采一礦柱空場回采嗣后放頂處理空區數值分析

米繼武1，李永輝2

(1.河北崇禮紫金礦業有限責任公司， 河北崇禮縣 076350；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

數值模擬研究對象為崇禮紫金70號脈1304～1224m 3中段厚大礦體部分，通過模擬礦柱回采及空區處理過程中采空區周圍巖體的應力分布規律和位移變化情況，對采空區及礦柱的穩定性分析評價，以尋求適宜、安全、高效率的礦柱回采順序及空區處理方案。

空場采礦法；應力分布；位移；空區處理；數值模擬

1 計算域的選取及計算模型的離散化

計算域的大小對數值模擬有重要影響，計算域要取得適中，既保證計算工作的順利進行，又要保證計算結果具有一定的精度。根據彈塑性力學理論可知，在有限元的計算中，可以把3～5倍開挖的區域作為計算域。為了滿足計算需要和保證計算精度，本次計算采用的模型尺寸取為所開挖范圍的3倍。

70號脈1304～1224m3中段礦體傾角25°，真厚度35m，中段高度40m。沿礦體走向劃分為10m寬的一步驟采場和20m寬的二步驟采場，采場長為礦體厚度35m。礦區地勢西低東高，西部地表標高1470m，東部地表標高1570m，中部有一26.6°的坡面，各中段代表其實際的賦存標高。

根據礦區的地形地勢及礦體賦存位置的實際情況，本著模型上的覆巖層厚度與實際采場深度相當的原則建立模型，其長×寬×高尺寸為1938m×1120m×472m(左端)/572m(右端)，即沿傾向長度取1938m(X方向)，沿礦體走向取1120m(Z方向)，沿鉛垂方向取572m(Y方向)。模型示意見圖1。

圖1 計算模型

根據數值模擬離散化原則對計算模型進行了單元劃分，“隔一采一礦柱空場回采嗣后放頂處理空區”方案模型劃分單元8022個，節點34996個。“超前順序回采礦柱連續放頂處理空區”方案模型劃分單元8090個，節點34538個。

2 初始地應力及邊界約束條件

研究范圍內采場距離地表均在400m以下，假定模型初始地應力基于完全由重力引起的，因此，垂直應力與到地表的距離成比例，水平2個方向的應力，即側壓由泊松比μ算出，側壓系數F計算公式如下:

根據已有的巖石力學數據:上盤圍巖泊松比為0.26、下盤圍巖泊松比0.3、礦體泊松比0.22、充填體泊松比0.33，經上式計算得出礦體及上、下盤圍巖的側壓系數分別為0.282，0.351和0.429。

由于采動的影響范圍是有限的，可將模型邊界處的位移視為零。計算原巖應力時邊界采取位移約束:在YOZ相對兩個側面上節點在x方向約束，即滑動鉸支座；XOY相對兩個側面上節點在z方向約束，即滑動鉸支座；Y＝998底面上，進行X、Y、Z方向約束，即固定鉸支座；Y＝1570平面為自由面，不進行任何約束。

在模型中輸入相關參數后得出礦巖體初始應力值，其中1304m中段的σy＝4.36 MPa，鉛垂方向；σx＝1.229 MPa，與礦體傾向一致；σz＝1.229 MPa，與礦體走向一致。1304m中段距離地表166m，σy值與按照公式γH＝(1470－1320)×0.026＋(1320－1304)×0.0263＝4.32(MPa)計算的垂直地應力值4.36 MPa接近，σx和σz與下式算出的兩個水平應力值1.247 MPa接近。模擬與假設相吻合，初始應力場符合現場實際情況。

3 數值模擬的計算方案

為研究不同礦柱回采及空區處理順序對空區周圍巖體穩定性的影響，并定量地反映回采過程中礦巖的應力變化規律、破壞等情況，針對兩空區處理及礦柱回采方案進行分步驟計算模擬，其模擬步驟如下:

(1)原巖應力的計算；

(2)回采三個中段所有10m礦房；

(3)回采1304m中段1＃、3＃、5＃和7＃礦柱；

(4)1304m中段已回采采場放頂15m；

(5)1304m中段已回采采場再放頂15m；

(6)回采1264m中段1＃、3＃、5＃和7＃礦柱；

PPP模式下，社會資本作為專業的投資人進行項目的開發建設，政府則作為公共服務的提供者和監督者為社會資本提供政策和法律支持，雖然政府也可以出資或以資產作價入股，但理論上不超過50%，實際中通常不超過30%，避免了政府直接舉債，轉移了政府的融資風險[1]。

(7)1264m中段已回采采場放頂15m；

(8)1264m中段已回采采場再放頂15m；

(9)回采1224m中段1＃、3＃、5＃和7＃礦柱；

(10)1224m中段已回采采場放頂15m；

(11)1224m中段已回采采場再放頂15m；

(12)1264m中段已回采采場放頂15m。

4 計算結果及分析

為便于分析，將各中段從西至東20m礦柱采場依次編號為1?！?＃，見圖2。

圖2 各中段20m礦柱采場分布示意

各中段7＃礦柱埋藏深度要比其余礦柱大，回采及采空區處理后其應力分布將作為分析比較的重點，中部區域5＃采空區應力分布也十分重要，因此，選取5＃和7＃礦柱采空區對其上盤圍巖及頂底板應力分析。間隔回采礦柱后，4＃和6＃礦柱將產生巖體應力集中，礦柱穩定性分析中則將選取4＃和6＃礦柱進行分析比較，詳見圖3～圖6。

圖3 1304～1224m中段采空區頂板各模擬步驟最大主應力對比

通過對該方案各模擬步驟采空區頂底板、上盤圍巖體及礦柱主應力分布圖的分析比較，得出如下結果。

(1)受中段采場埋深影響，同一中段各采空區頂底板、上盤圍巖體及礦柱的初始應力隨埋深而不同，其主應力值隨回采與空區處理過程而呈規律性變化。

(2)回采3中段10m礦房后，其端部兩采空區上盤圍巖體處分別形成30m寬的應力集中帶，其中1224m中段7＃礦房采空區上盤圍巖體主應力最大，最大壓應力值為－9.774 MPa。

(3)從上盤圍巖體主應力對比圖可知，回采過程空區上盤圍巖體產生應力集中，應力集中系數隨回采工作的向下推進而逐漸增大。間隔回采3中段礦柱前，其采空區上盤圍巖體受雙向壓應力作用，5＃與7＃采空區上盤圍巖體的主應力值相差不大。從間隔回采到模擬過程結束，相應采空區上盤圍巖體周邊區域受雙向壓應力，5＃采空區最大壓應力值高于7＃采空區；中部局部區域為雙向拉應力區，7＃采空區最大拉應力值高于5＃采空區?？芍?1步驟模擬后5＃采空區上盤圍巖體進一步拉破壞的可能性較7＃采空區小，其剪切破壞較7?？諈^大。

圖4 1304～1224m中段采空區上盤圍巖體模擬步驟最大主應力對比

圖5 1304－1224m中段采空區底板各模擬步驟最大主應力對比

圖6 1304～1224m中段礦柱各模擬步驟最大主應力對比

(4)從底板巖體主應力對比圖得知，間隔回采三中段礦柱前，其采空區底板主要受雙向壓應力作用，5＃與7?？諈^底板的主應力值相差不大。從間隔回采到模擬過程結束，相應中段底板中部受單向拉應力作用，其最大拉應力5＃采空區要低于7＃采空區；相應中段底板中部靠近上盤圍巖處受雙向壓應力，且壓應力集中顯著，最大壓應力5＃采空區要高于7＃采空區。可見，11步驟模擬后5＃采空區底板拉破壞的可能性較7＃采空區大，其剪切破壞可能性較7?？諈^小。

(5)從礦柱主應力對比圖得知，間隔回采礦柱的過程使得2＃、4＃和6＃礦柱與采空區上盤圍巖體的夾角部位產生應力集中，應力集中系數隨兩步驟放頂而減小。間隔回采到其放頂過程結束，4＃、6＃礦柱中部偏上盤局部區域受單向拉應力作用，其值均有所減??；其余部位受雙向壓應力作用，最小壓應力值有所增加，最大壓力應值逐漸減小。可見，放頂對降低2＃、4＃和6＃礦柱中部的最大拉應力和其余部位的最大壓應力值有一定的作用。

4.2 位移分布狀態的分析

在采空區頂底板及上盤圍巖的位移狀態中，如果垂直位移過大，將直接導致采空區頂板冒落，嚴重時會引起地表沉陷，因此垂直位移比水平位移重要，其位移分析中取Y位移值；礦柱的位移狀態中，過大的水平位移將直接導致礦柱失穩，而且垂直方向Y位移也十分重要，因此2＃、4＃和6＃礦柱位移分析中取Z位移和Y位移值，具體位移值如表1和表2所示。

表1 各模擬步驟采空區頂底板及上盤圍巖體最大位移變化情況

通過對表1和表2進行歸納總結，分析結果如下。

(1)采空區周圍巖體的位移影響范圍約為采空區跨度的一倍左右，在此范圍以外其位移和變形值均較小。

(2)間隔回采10m礦柱后，不同中段的不同采空區周圍巖體位移值有所不同，最大值一般發生在低中段中部采空區。1224m中段2?！?＃采空區上盤圍巖體中部和頂板中部靠近上盤沉降位移分別為10mm和6mm，1264m中段3?！?＃空區底板中部靠近下盤處上升位移為10mm。

(3)從頂板沉降位移變化情況可以看出，圍巖充填體對頂板沉降位移有緩沖作用，致使放頂后的一段時間內頂板位移增加緩慢。但隨著回采工作向下推進，回采中段的相應采空區頂板沉降位移值逐漸增大。

(4)從底板位移變化情況可知，各中段空區底板均出現了不同程度上向位移，其位移值隨回采工作向下推進而增加，隨放頂工作而略有減小，整體呈增長趨勢。空區底板在變形上表現為底鼓現象。在整個模擬過程中1304～1224m 3中段各空區底板上升位移變化分別為18～25mm、20～27mm和25～27mm。

(5)從礦柱位移變化情況可知，礦柱垂直位移值Y隨回采工作向下推進而增加，從11mm增加到17mm；水平位移值Z表示礦柱邊壁向采空區的移動值，從4mm增加到7mm。放頂在一定程度上減緩了礦柱的垂直位移和水平位移值。

表2 各模擬步驟礦柱最大位移變化情況

?周崇仁，黃存紹，曾 耀.礦柱回采與空區處理[M].北京:冶

[1]金工業出版社，1989

[2]長沙礦山研究院，河北省崇禮縣紫金礦業.東坪金礦厚大礦體采礦方法及70號脈整體回采方案設計[R].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司，2000.

[3]李清望，任鳳玉.礦山采空區的冒落規律研究及其監控措施[J].有色礦山，2001，30(2)?

[4]牛建華，王茂森.洛陽鉬礦采空區的穩定性仿真分析與研究[D].長春:吉林大學，2007.

2015-03-20)

米繼武(1970－)，男，河北沽源縣人，工程師，從事礦山開采工作，Email:244930872＠qq.com。