近地房柱法礦柱尺寸對石膏礦采空區穩定性影響研究

郁富林，肖國喜

(1.江西小龍鎢業有限公司， 江西吉安市 343723；2.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西南昌 330038)

近地房柱法礦柱尺寸對石膏礦采空區穩定性影響研究

郁富林1，肖國喜2

(1.江西小龍鎢業有限公司， 江西吉安市 343723；2.江西國泰五洲爆破工程有限公司， 江西南昌 330038)

為確保某石膏礦地下礦體回采不影響地表大面積變形和塌陷，對其所預留的礦柱尺寸大小與采場穩定性關系分析，由面積承載理論構建簡易混合礦柱模式，得到礦柱安全系數隨礦柱寬高比增大而增大的結論。采用FLAC3D軟件模擬地下開挖過程采場周圍巖體應力應變變化情況，結果表明:預留礦柱在3m及以上時，能較好的維護采場穩定，不會出現較大的塑性破壞，滿足地表非重要建筑物的安全要求。

礦柱；采場穩定；面積承載理論；數值模擬

0 引 言

由于石膏礦山軟弱巖石的膨脹、低強度、流變等特性，當采用房柱法回采礦體時，為加強和保證采場的穩定性，往往需留設不同形式的礦柱，而礦柱留設的大小對礦山的安全生產具有明顯的影響[1]，礦柱留設過大，礦石回收率降低；礦柱留設過小，將使礦柱強度變小，若其支撐強度小于上部覆巖壓力時，將可能導致采場的失穩坍塌，進而引起一系列地表環境巖土工程問題，如地面塌陷、道路積水、房屋倒塌等[2]。某石膏礦自2013年以來，附近多個礦區發生采空區失穩、地面塌陷事故，引起安全等相關部門的高度重視，為避免同類問題在該礦山發生，有必要對在不同礦柱寬高比條件下的采空區穩定性進行分析。

1 工程概況

該石膏礦礦體為隱伏礦體，礦層近地表處被第四系所覆蓋，產于上白堊統贛州組第三巖性段的灰色含膏泥巖。其頂、底板圍巖為該段的灰色含膏泥巖或厚層狀紫紅色粉砂質泥巖。其中11＃礦層賦存標高＋20～－70m，NE走向，傾角12°。在礦段內礦層走向長1200m，傾向延伸220m，平均厚度2.52m。礦柱是含石膏層的灰色泥巖，石膏與泥巖呈薄層交替出現，巖石層理發育，遇水后容易膨脹，脫水后容易沿著巖層面裂開。本文以該石膏礦11＃礦體所布設的礦房參數為研究背景，對其不同礦柱寬高條件下采空區穩定性分析，確定合理的安全礦柱尺寸。

2 礦柱尺寸對礦柱穩定性理論分析

由于礦柱的穩定安全系數Fs可由礦柱強度Sp與礦柱平均應力σp的比值得到[3]，即:Fs＝Sp/σp，其中礦柱強度Sp采用Lunder公式[4]進行的計算，計算公式為:

式中，Ka為礦柱摩擦系數；Cp為礦柱平均強度系數；Wp和h分別為礦柱的寬度和高度。Sl是指完整的巖樣強度，根據面積承載理論[5]，頂板及上覆巖層巖柱重力由礦柱所承受，礦柱的平均應力σp可認為是頂板及上覆巖柱重力與該面積內的礦柱底面積之比。常見的礦柱有條帶式、正方形、矩形等，該石膏礦是采用的條帶式和正方形混合礦柱，其簡化模型如下圖1所示。

圖1 條帶式與正方形混合礦柱

則該礦柱的平均應力計算公式為:

其中:σp為礦柱平均應力；γ為礦柱上覆蓋巖層的容重；H為采場埋深；lo為礦房的長度；wo為礦房的寬度；lp為礦柱的長度；wp為礦柱的寬度；wp1為礦壁的寬度。

代入礦房各參數:γ＝23 KN/m、lo＝20m、wo＝7m、wp1＝3m，當礦體平均埋深H在60m時，則礦柱安全系數Fs與礦柱寬高比wp/h之間的關系如表1所示。

表1 礦柱安全系數與礦柱寬高比關系

圖2 礦柱寬高比與礦柱安全系數關系

由圖2可知，礦柱安全系數是隨著礦柱寬高比增大而增大的，根據Bieniawski[6](1992年)建議的礦柱安全系數取值，并考慮礦柱長期負載而失穩可能對地表機動車房等非重要建筑物造成損害，礦柱的安全系數取值為1.5，因此，根據擬合公式:y＝0.259 x2＋0.407 x＋0.813，擬合相關系數為0.999，求得在礦柱寬高比為1.02時，礦柱的安全系數取得臨界值，即預留礦柱寬度在2.55m以上，才能保證該礦采空區的穩定，滿足地表非重要建筑物的安全要求。

3 數值方法模擬

3.1 計算模型構建

根據石膏礦地質資料，構建200m×120m×120m(X×Y×Z)計算模型，X方向由－100m到100m共 200m，Y方向由0m到120m共120m，Z方向由0m到120m共120m高，其中Y軸為沿礦體走向方向。建立的計算模型劃分的正六面體單元共有384000個，初始節點有440271個。礦體單元體尺寸:1m×0.5m×0.5m(X×Y×Z)。計算模型圖如圖3所示。在模擬過程中，模型的左右邊界、前后邊界及底邊界采用零位移邊界條件。本文采用摩爾—庫侖模型，巖體破壞采用摩爾—庫倫屈服準則，所采用礦巖力學參數均從礦山采集，具體見表2。

圖3 計算模型

表2 礦巖物理力學參數

為節省的計算時間，將不同水平礦房按照①→②→③→④→⑤→⑥依次進行開挖。其中礦房尺寸為20m×7m(長×寬)，石膏礦層預留0.5m厚度作為頂板支撐層，在礦柱高2.5m條件下，分別設置礦柱寬為1，2，3，4m，即寬高比分別為:0.4，0.8，1.2，1.6，對采場埋深Z＝60m即礦房3的采空區周圍巖體應力應變分布進行分析。

圖4 模擬開挖順序

3.2 模擬結果分析

3.2.1 位移分析

由圖5～圖8可知，頂板沉降量隨礦柱寬高比的增加而減少。當礦柱寬高比為0.4時，位移為－24.91mm；當礦柱寬高比小于1.2時，隨著寬高比的增加，頂板沉降每次增加量約為1.0mm，但當礦柱寬高比為1.2時，增加量僅為0.4mm。與此同時，底板鼓起量在寬高比為0.4時，底鼓量為20.08mm，其后當礦柱寬高比小于1.2時，隨著寬高比的增加，每次增加約為3.0mm，而當礦柱寬高比為1.2時，增加量為0.15mm，這說明頂板及底板在礦柱寬高比在0.8時，沉降量發生突變，寬高比為0.8時的礦柱不足以承受采場上部的壓力發生了塑性屈服，導致了礦柱兩旁的采場由先前的簡支梁受力狀態變化為懸臂梁受力狀態，采空區極易發生大規模的失穩。

圖5 礦柱寬高比0.4時z方向位移

圖6 礦柱寬高比0.8時z方向位移

圖7 礦柱寬高比1.2時z方向位移

3.2.2 應力分析

由圖9～圖12可知，礦柱端部存在明顯的壓應力集中現象，當礦柱寬高比為0.8時，最大壓應力最大，值為－5.670 MPa，其后隨著礦柱寬高比的增加，壓應力集中得到緩解，而礦柱寬高比0.4時，最大壓應力最小為－4.634 MPa。與之對應的是，當礦柱寬高比0.4時，頂板最大拉應力最大為0.178 MPa，而礦柱寬高比0.8時，最大拉應力最小值為0.147 MPa。這說明，當礦柱寬高比在0.8時，采空區頂板可能局部發生冒落塌陷，使得最大拉應力降低明顯。

圖8 礦柱寬高比1.6時z方向位移

圖9 礦柱寬高比0.4時z方向應力

圖10 礦柱寬高比0.8時z方向應力

3.2.3 塑性區分析

由圖13～圖16可知，隨著預留礦柱寬高比的尺寸增大，塑性區域逐漸變小，在礦柱寬高比為1.2和1.6時，均只在礦柱局部出現剪切破壞，而當礦柱寬高比0.8時，整個礦柱都出現了剪切破壞，而且局部頂板也出現剪切破壞，這將導致礦柱失穩破壞，促使采空區頂板巖體的完整性遭受嚴重破壞，裂隙更為發育，當裂隙貫穿至地表，將誘發地表塌陷現象。

因此，結合前面對采場位移、應力及塑性區分析，可初步判斷當礦柱寬高比為0.8時，礦柱遭受壓應力破壞，使得局部采場失穩破壞，而礦柱寬高比為1.2時，只在礦柱局部出現塑性變形。為能較好的維持采場的穩定，所留礦柱尺寸應滿足礦柱寬高比在1.2以上。

圖11 礦柱寬高比1.2時z方向應力

圖12 礦柱寬高比1.2時z方向應力

圖13 礦柱寬高比0.4時塑性區域分布

4 結 論

對某石膏礦埋深60m處礦段，不同礦柱尺寸條件下采空區穩定狀態進行了數值模擬，通過進行模擬結果對比，得到以下幾點結論。

圖14 礦柱寬高比0.8時塑性區域分布

圖15 礦柱寬高比1.2時塑性區域分布

圖16 礦柱寬高比1.6時塑性區域分布

(1)依據面積承載理論，將該石膏礦礦柱布置形式簡化為條帶式和正方形礦柱混合布置，并根據Lunder礦柱強度公式，得到礦柱安全系數與礦柱寬高比之間的關系，認為該石膏礦礦柱寬度在2.55m以上時，才能滿足地表非重要建筑物的安全要求。

(2)運用FLAC3D軟件構建出某石膏礦開挖計算模型，分析在H＝60m處采場位移、應力、塑性區變化情況，認為當礦柱寬高比在0.8時，礦柱發生塑性屈服，并促使采空區頂板巖體的完整性遭受嚴重破壞，將可能誘發地表塌陷現象，而礦柱寬高比在1.2即礦柱寬3m時，只在礦柱局部發生塑性破壞，仍然能維持采場穩定，這與理論分析結果相互吻合。

(3)結合理論與模擬分析結果，認為該石膏礦礦柱預留應在3m以上，才能保證采場穩定。

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2015-05-12)