深部開采過程中隔離礦柱承載機理及厚度優化

王文軍 李家樹 徐 帥 吳 超 于清軍

（1.甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100；2.成遠礦業開發股份有限公司，遼寧 遼陽 111200；3.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；4.赤峰山金紅嶺有色礦業有限責任公司，內蒙 古赤峰 025450）

淺部易采礦產資源逐漸枯竭，深部資源成為未來礦產資源開采的必然趨勢［1-4］。深部開采過程中，高地應力、高井深、高地溫和高承壓水以及循環開采擾動的深部開采環境［5］，極易誘發開采過程中的巖爆、大變形及大體積塌方等工程災害，威脅到人員、設備的安全。特別是在高地應力作用下，巷道、采場等開采工程破壞嚴重，頂板及上盤巖體頻繁冒落，導致開采過程中工程支護成本急劇上升，損失貧化加劇；嚴重者導致礦體無法開采，造成大量的經濟損失［1-2］。

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

本項目依托的某鉛鋅礦山在開采過程中，上部形成較多空區，空區下存在較多深部礦體尚待開采，提出一種空區下預留一定厚度的原巖礦柱隔離淺部空區與深部待采礦體的解決方案，通過隔離礦柱，實現淺部空區處理與深部礦體開采的平穩過渡。基于理論計算、相似材料物理仿真、數值模擬等方法，揭示了隔離礦柱的作用機制，開展了隔離礦柱厚度的優化。

1 工程概況

某鉛鋅礦礦體開采現狀見圖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，平底結構出礦；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行回收。淺部礦體回收后地表出現坍陷，井下空區5萬m3仍未處理。空區下深部仍有較多礦量尚未開采。礦山當前的空區處理方式引起了地表塌陷，對地表部分構筑物產生了影響，當前的空區處理方式和開采方式已經不再適合。礦山當前存在的問題是如何保證空區治理與深部資源安全開采。

2 隔離礦柱厚度理論計算

隔離礦柱厚度取決于埋深及圍巖物理力學性質。隔離礦柱厚度不宜太小，太小則達不到隔離和承載的目的；由于隔離礦柱自身應力集中導致回收難度大，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資源。當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。基于依托礦山的實際數據，計算過程如表1所示。當深部礦房跨度B不同時，各方法計算的隔離礦柱厚度H分布規律如圖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。設計最大暴露跨度約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。基于安全考慮，取安全系數為1.25，則保留境界礦柱的理論厚度為25 m，能夠達到境界礦柱的隔離和承載作用。

3 基于數值分析的隔離礦柱厚度優化

3.1 計算模型

通過AutoCAD對地表等高線提取X、Y、Z坐標后，利用Surfer進一步做插值處理，生成與實際相符的三維地表模型。根據各中段平面圖與剖面圖，在ANSYS中建立三維礦體精細模型，最后導入FLAC3D中進行計算分析。如圖3所示，模型長2 300 m，寬1 400 m，高900 m。計算模型采用位移約束，在底面和4個側面進行約束。在隔離礦柱與礦柱相鄰中段的間柱和上方散體中布置9個監測點，編號為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。

3.2 計算參數

通過現場地質取樣，加工成標準試樣后，開展室內巖石力學實驗，測試試樣的單軸抗壓強度、抗拉強度，獲得試樣的巖石強度指標，并基于Hook-Brown準則進行折減獲取其巖體強度；經配比實驗獲取充填材料的配比及力學參數。折算后的巖體與充填材料的力學參數如表2所示。

3.3 模擬方案

深部礦體采用階段礦房進行開采，開挖后采用1∶10灰砂比充填材料進行充填。數值分析時分別計算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隨深部礦體開采的變化情況。

3.4 計算結果分析

（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自然礦柱內監測點的位移、塑性區如圖4所示。由圖4可見，隔離礦柱中監測點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組監測點，B2的最大位移為63.38 mm、A2的最大位移為53.01 mm，表明位移監測值均隨距離隔離礦柱的距離增大而逐漸減小。

預留15 m厚的自然隔離礦柱，計算平衡后塑性區分布如圖5所示。由塑性區分布圖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形成貫通塑性區，隔離礦柱破壞嚴重，易導致工程失穩，塑性區的體積占整個隔離礦柱厚度的95%。因此15 m厚隔離礦柱不能滿足安全生產需求。

（2）不同厚度隔離礦柱計算結果。15 m、20 m、25 m、30 m厚度隔離礦柱計算得到的監測點位移和塑性區的體積隨厚度變化如圖6所示。通過圖6可以看出，C2、B2、A2三監測點位移均隨自然隔離礦柱厚度增大而明顯減小。當隔離礦柱厚度超過25 m時，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和松散巖體的影響，可有效控制地表巖層移動。但隔離礦柱厚度超過25 m，隨著隔離礦柱的增大，隔離效果增強作用不大。由不同厚度隔離礦柱中塑性區的占比曲線可見，隨著隔離礦柱厚度增大，塑性區的體積占隔離礦柱的有效體積迅速下降。當隔離礦柱厚度在25 m時，塑性區體積僅占總體積的約5%且零星分布，未出現貫通。厚度超過25 m時，塑性區所占比重更低。由此可見，隔離礦柱厚度為25 m時安全性較好。

4 基于物理仿真的隔離礦柱作用機理分析

基于相似材料物理仿真實驗平臺，通過模擬空場嗣后充填開采深部礦體時自然礦柱與上盤圍巖的變形與破壞規律，揭示深部開采時自然隔離礦柱的作用機理。

（1）實驗裝置。相似材料實驗平臺采用二維平面實驗系統，實驗平臺裝填模型尺寸長×高×厚為2 400 mm×1 100 mm×200 mm，加載系統最大垂直載荷達100 t，水平應力最大載荷達60 t。實驗系統如圖7所示。采場幾何尺寸為長×高=32 m×38 m，結合實驗平臺的裝模尺寸，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166.7，參考相關實驗選取容重比為1.76，經計算強度相似比為1∶290。

（2）材料參數。實驗材料采用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。經相似準則折算后，礦體與圍巖強度差異較小，因此本研究礦體與圍巖采取同一材料展開相似模擬實驗，各相似材料的力學參數如表3所示。

（3）實驗方案。結合相似理論可知模型上部應施加載荷值為0.038 MPa，為保證塌陷區木塊在擠壓作用下不產生運動，在塌陷區上部施加載荷值為正常區域載荷值的20%為0.007 6 MPa。實驗采用梯度加載的方式進行加載，持壓階段分模型應力平衡、開挖和開挖后持壓分步驟進行，加載方案如表4所示。實驗中將應力盒集中布置于自然隔離礦柱中，利用散斑監測區域的位移變化。

（4）實驗結果分析。自然隔離礦柱在整個實驗過程經歷了穩定持壓階段、微裂隙產生發展階段和自然隔離礦柱失穩階段3個階段，如圖8所示。自然隔離礦柱在持壓梯度五階段進入變形快速發展階段，經歷了裂隙的迅速擴展后進而發生破壞失穩。自然隔離礦柱在持壓梯度五階段才出現肉眼可見的微裂隙，微裂隙首先出現在自然隔離礦柱左上部位和平行四邊形采場右上頂點位置，并分別向下和向上逐漸發育擴展，在此過程中自然隔離礦柱內部也出現少許裂紋，隨著裂隙的發育貫通，引起隔離礦柱產生拱狀冒落體，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動，在充填體的支撐作用下重新趨于穩定。

由于采場上部塌陷區的存在，隔離礦柱承受載荷主要來自于礦柱兩側巖體的擠壓作用，隔離礦柱內應力主要表現為水平應力。由采場開挖的應力云圖（如圖9（a））可知，位于采場上部的礦柱水平應力值降低，而位于隔離礦柱兩側的巖體產生應力集中，采場下盤相較于采場上盤的應力集中程度更高。自然隔離礦柱失穩過程的位移云圖如圖9（b）所示，隔離礦柱為整個監測區域的位移較大區域，隔離礦柱與隔離礦柱兩側巖體的位移量形成鮮明對比，即隔離礦柱相對獨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散，冒落區域位移平均15 mm，與隔離礦柱宏觀發生的隔離礦柱拱狀冒落相對應。隔離礦柱在水平應力的擠壓作用下，形成類似于典型單軸抗壓實驗的X狀破壞形式，即在受壓狀態下產生剪切破壞。

5 隔離礦柱經濟價值分析

基于理論計算、數值分析可知預留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、松散巖體的穩定，起到隔離淺部空區與深部礦體安全開采的作用，同時在深部開采過程中，起到承載上覆壓力降低深部應力的作用。

25 m厚預留礦柱位于采空區下部10 m處。根據所選位置的礦巖分布特征，預留礦柱占用礦石量約37.6萬t。依據礦山開采經濟價值推算，當前開采礦石的利潤為288.16元/t，預留原巖礦柱占用礦石價值為1.08億元。

由此可見，預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個中段（100 m）的礦體開采完畢，形成一個穩固充填體情況下，當隔離礦柱上部采空區系統處理完，空區被消除后，可以考慮回收隔離礦柱，以減少資源的損失與浪費。

6 結論

（1）借鑒露天轉地下過程中預留隔離礦柱技術，在深部開采過程中，預留隔離礦柱，一方面起到有效隔離淺部與深部開采相互影響，實現淺部空區處理、殘礦回收與深部開采的互不干擾、并行作業，保證礦山在深部開采采礦方法更換過程中的產能平穩過渡、生產順利銜接。同時作為承載礦柱，降低深部開采的垂直應力，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，進行綜合考慮，理論計算結果顯示25 m厚的原巖隔離礦柱可以達到預期效果。基于數值模擬仿真，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、塑性區變化規律，表明25 m厚的原巖隔離礦柱滿足安全生產需求。

（3）基于相似材料物理仿真實驗，25 m厚的原巖隔離礦柱在持續梯度加載下，經歷穩定持壓階段、微裂隙產生發展階段和自然隔離礦柱失穩階段3個階段，經歷了裂隙的迅速擴展后進而發生破壞失穩。隔離礦柱失穩時對應的加載壓力為自重應力的3.5倍，表明25 m厚的自然隔離礦柱在正常情況下，可以保證生產安全。

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