深部厚礦體條帶開采礦柱長期穩定性研究

張貴銀

(中國黃金集團建設有限公司，北京 朝陽 100020)

0 引 言

我國自1967年開始先后在全國數百個礦山采用條帶開采法開采“三下(位于地表水體、建筑物和鐵路下)”壓礦，條帶開采方案設計時應考慮兩個方面的問題，一是條帶開采后地表不應出現波浪形下沉盆地，二是保留條帶寬度能夠支撐上覆巖層的載荷，在此原則基礎上應盡量提高采出率[1]。某礦3#厚礦體位于某村莊下，前期首采區試采后出現地表下沉較大，如后續采區繼續采用全面開采方法，則地表村莊建筑物安全難以保證，甚至會出現下沉塌陷等生態環境事件[2]。針對上述村莊壓礦難題，組織專家論證后采用條帶開采方案以控制地表移動變形，開采后保留礦柱能否對上覆巖層有效支撐，且能夠保持長期穩定關系到條帶開采的成敗。條帶開采礦柱穩定性理論主要有：尺寸效應理論、礦柱的載荷和礦柱強度理論[3]。一般認為在保留礦柱內部存在彈性核區時，礦柱處于三向受力狀態，英國A.H.Wlilson提出了兩區約束理論，即礦柱兩側為塑性區，中部為彈性區。本文在前人礦柱穩定性理論研究的基礎上，結合尖點突變理論分析了設計參數的合理性，并通過計算機數值模擬進行驗證，摸清了礦柱變形破壞規律。但一般礦體含有軟弱夾層、裂隙，具有顯著的流變性，并且礦柱受地下水的作用其蠕變變形速度加劇，導致礦柱的長時強度進一步降低，更易發生失穩破壞[4-5]。目前針對復雜地質條件下，復合多因素共同作用于礦柱時，影響因子的敏感性有待進一步研究。近年來隨著非線性科學理論在巖土工程領域的飛速發展、計算機數值模擬軟件的開發，礦柱穩定性研究已經滲透了多學科知識，如數值模擬FLAC3D軟件在地下礦山開采領域得到了廣泛的應用[6]。本文研究對于類似條件下提高“三下”礦產資源回收率和控制地表沉陷具有一定借鑒意義。

1 條帶礦柱穩定性影響因素分析

影響條帶礦柱穩定性的因素較多，大致可分為地質和采礦因素[7]。

1.1 地質因素

地質因素是礦體賦存條件決定的，是先天存在的，地質條件穩定與否關系到條帶開采中條帶礦柱能否保持長期穩定。主要包括地質構造、傾角、賦存深度、地應力和地下水等因素，而地應力是影響礦柱穩定性的重要因素之一。

條帶開采礦柱失穩破壞的根本原因為初始應力被擾動后重新平衡。條帶開采礦柱的變形破壞形態取決于地應力場和其物理力學特性，一般來說地應力隨采深的增加而增加，且礦柱內應力增大幅度大于一側采空的實體，如圖1所示。

圖1 條帶開采地應力與賦存深度的關系

1.2 采礦技術因素

采礦技術因素對礦柱穩定性的影響主要包括：條帶開采參數(即采寬、留寬)、條帶礦柱的高度、頂板管理方法、采礦工藝方法以及深部開采孤島礦柱防沖措施等。而采場頂板管理方法對礦柱穩定性影響較大，礦體頂板在礦柱上方斷裂垮落形成懸臂梁，一般情況下頂板垮落能夠充填一倍以上的采高，使礦柱處于三向應力狀態，礦柱中部為彈性核區，兩側為塑性區，如圖2所示。

圖2 三向應力狀態下礦柱的塑性區和柱核區

2 礦柱失穩破壞機理分析

在條帶開采中當礦柱的塑性區寬度發展到一定寬度時，礦柱易產生突發性失穩破壞[9]。條帶開采中保留條帶礦柱承受的載荷主要是上覆巖層的自重[9]，如圖3所示。在以往的研究中往往忽略了頂板與礦柱的相互作用，在“三下”壓礦條帶開采中可采用突變理論研究大采深厚礦體條件下礦柱突變破壞失穩機理[9]。

圖3 礦柱屈服區與彈塑性區分布

應力峰值σ1為礦柱屈服應力，礦柱邊界至峰值應力σ1區域稱為塑性區，其寬度用Y表示，礦柱兩側塑性區之間為彈性核區，如圖3所示。在窄礦柱條件下，礦柱兩側已經采空，礦柱由外向里依次為片幫區、塑性區、彈性核區，這種條件下彈性核區很小，在開采擾動或者頂板下沉過程中彈性區極易向塑性區轉變，導致礦柱破壞失穩。可見，在條帶開采中，為了維持礦柱的支撐作用，在兼顧回采率條件下應該盡量保留寬礦柱，加強回采巷道礦柱側支護，使礦柱保持在三向應力狀態下，以提高礦柱的強度。

根據礦柱失穩尖點突變理論，失穩臨界點兩側塑性區和彈性核區滿足公式(1)即：

(1)

式(1)即為條帶開采中礦柱發生突變失穩破壞的條件，是礦柱剛度不夠條件下突變失穩的判據，對上式進一步整理可得：

(2)

式(2)表明：保留的條帶礦柱中彈性核區寬度占留設礦柱寬度的11.92%以下時，礦柱極易發生突變失穩破壞。彈性核區寬度占留設礦柱總寬度的11.92%以上時，其穩定性較好。因此，礦柱保持長期穩定的前提是必須保證一定的核區寬度。

3 條帶礦柱失穩數值模擬分析

3.1 礦柱穩定性數值模型的建立

為了掌握該礦3#礦條帶開采過程中保留礦柱的應力分布規律及其變形特征，為設計合理的開采方案提供理論依據，采用FLAC3D數值模擬軟件對條帶開采采寬120 m、保留礦柱90 m的開采方案中礦柱的穩定性、塑性區和應力分布規律進行研究。模擬礦巖體參數和本構模型應盡可能地擬合條帶開采的實際情況，以便與礦柱穩定性監測數據進行對比，來驗證所建數值模型的適用性。

模型中礦巖體力學特性可采用Mohr-Coulomb屈服準則來進行約束[12]，模型的長×寬×高=800.0 m×500.0 m×740.0 m，三維數值計算初始模型如圖4所示，模型中各巖層的物理力學參數如表1所示。

圖4 三維數值計算初始模型

表1 數值計算采用的礦巖體物理力學參數

3.2 礦柱塑性區分布結果

條帶開采結束后作用在礦柱上的載荷達到其屈服強度后，此時在礦柱兩側產生了一定寬度的不可恢復的塑性變形和破壞，導致礦柱整體的承載能力下降。按照條帶采寬120 m、留寬90 m方案開采后，礦柱的塑性區分布見圖5。從圖5可以看出：條帶礦柱塑性區主要分布于礦柱的兩側及頂、底板巖層中，塑性區發育在礦柱與礦體頂、底板角點處達到最大，大致呈“X”形發育，塑性區對圍巖影響較小，且礦柱一側塑性區寬度僅為25 m左右。此時彈性區寬度約為40 m，占礦柱總寬度的44%，根據尖點突變理論可知礦柱可以保持長期穩定。

圖5 條帶開采方案塑性區分布模擬結果

3.3 礦柱應力分布規律

受條帶開采擾動，“礦柱-覆巖”應力平衡體系會被打破，隨著應力的重新分布，保留礦柱中應力范圍和大小也會隨之改變，研究礦柱應力分布規律、應力水平及其與屈服應力之間的關系，以判斷礦柱所處應力環境，穩定的應力環境是決定礦柱在長期采場礦巖體流變過程中保持穩定的關鍵。

條帶開采后礦柱垂直應力分布特征見圖6，根據模擬結果可將礦柱劃分為應力卸載區、應力高峰區和彈性區3部分[13]，且垂直應力約為最大主應力的1.2倍左右，最大主應力中拉應力呈兩端高而中間低的“馬鞍形”分布特征，在礦柱內存在一定程度的應力集中，表明礦柱邊緣塑性區易發生拉伸破壞。卸載區礦柱已經完全進入塑性破壞狀態，其承載應力急劇下降，且該部分圍巖發生明顯形變，按照條帶方案開采后卸載區寬度發展到20 m，約占礦柱寬度比例的44.4%。位于應力卸載區和彈性區之間的礦柱為承載高峰區，此區內礦柱雖然進入塑性狀態，但其處于三向受力狀態下承載能力較強。采寬120 m、留寬90 m時礦柱應力高峰區內應力集中系數達到1.8～2.0，應力峰值約為21.3～23.5 MPa，峰值位于塑性區內12 m附近，此時彈性核區寬度為40 m，且彈性核區所占礦柱寬度比例44.4%，礦柱穩定性較好。

圖6 條帶開采方案應力分布云圖

4 條帶礦柱穩定性現場監測

條帶礦柱穩定性監測是一項隱蔽性很強的工程，必須通過現場監測信息來判斷礦柱的長期穩定性。該工程采用位移監測儀和鉆孔應力計對礦柱進行監測，監測條帶工作面附近和工作面后方礦柱的橫向變形和垂向壓力[14]。通過對監測信息進行分析，以保證井下施工生產安全，監測系統布置平面圖見圖7。

圖7 礦柱穩定性監測系統布置平面圖

4.1 礦柱橫向變形監測數據分析

根據上述監測方案對3102條帶工作面軌道順槽礦柱布置測站，根據監測數據繪制趨勢線，圖8和圖9分別為礦柱不同深度的橫向變形速度和變形量曲線圖。

圖8 礦柱不同深度橫向變形速度

圖9 礦柱不同深度橫向變形量

根據圖8和圖9可知：礦柱橫向變形速度在其兩側9 m內達到最大值，橫向位移變形主要發生在其邊緣18 m范圍內，此區域礦柱已經完全發生塑性破壞；5～9 m范圍內礦柱橫向變形速度先增大后減小，說明隨著工作面向前不斷推進，冒落頂板圍巖被逐漸壓實，礦柱橫向變形速度降低。在橫向變形測點距工作面30～40 m時，礦柱受采動影響逐漸出現微變形，說明3102工作面超前影響距離約為40 m。隨工作面超前監測點40 m后，條帶礦柱的橫向變形速度以及變形量開始逐漸增大，說明覆巖基本頂的破斷已經影響到了礦柱的穩定性，此時作用在礦柱上的載荷主要為基本頂及其上覆巖層構成的外應力拱內巖體。

4.2 礦柱豎向受力監測數據分析

根據監測數據可知：礦柱不同深度處豎向載荷受時間、采動影響而變化，如圖10所示。在超前工作面距離為330 m時，12 m深處傳感器數據開始顯現，在超前工作面290 m時達到了應力計的最大值，說明該段礦柱承受的載荷較大。在礦柱兩側3 m深位置受支護系統約束而處于三向應力狀態，當條帶工作面超前測站75 m時，3 m深應力計讀數增大到最大值約10.3 MPa，此時礦柱開始破壞。由于這一強度遠大于實際礦巖體的強度，說明巷內支護系統的橫向約束使得礦柱保持在三向受力狀態下。

圖10 礦柱內不同深度處鉆孔應力變化曲線

不同監測時期礦柱不同深部支承壓力分布情況如圖11所示。由圖11可知：隨著工作面的不斷向前推進，礦柱內支撐壓力峰值逐漸向內部轉移，在礦柱內9～15 m深度位置支撐壓力達到最大值約13 MPa，而18 m深位置處礦柱應力最大僅約為4 MPa，此時礦柱內部承受壓力較小，但是隨著時間的推移，18 m深位置處礦柱上支撐壓力逐漸增大并向中部轉移[15]。

圖11 不同時期3 m、6 m和18 m深鉆孔應力計觀測曲線

5 結 論

(1)通過對條帶開采礦柱穩定性影響因素和破壞機理分析可知：條帶開采保留礦柱處于三向應力狀態，兩側為塑性區，中部為彈性核區，且彈性核區寬度占比礦柱總寬度的11.92%以上時礦柱才能夠保持長期穩定。

(2)結合該礦山礦體賦存條件建立了深部厚礦體條帶開采FLAC3D數值模型，對模擬結果進行分析可知：在大采深厚礦體的條件下，礦柱塑性區寬度為20 m，彈性核區寬度為40 m，其占礦柱寬度比例44.4%，礦柱應力高峰區內應力集中系數達到1.8～2.0，應力峰值約為21.3～23.5 MPa，留設礦柱穩定性較好。

(3)通過對條帶礦柱在采礦工作面的推進過程的橫向位移和豎向受力進行監測可知：工作面開采超前影響距離為40 m，條帶礦柱邊緣12 m內橫向變形較大，確定了礦柱一側的塑性區寬度約為18 m，礦柱上9～15 m深度位置處應力達到峰值，基本上與數值模擬結果一致。