金源矿区房柱法开采围岩稳定性分析.pdf

第２５卷增刊２２０１６年１０月中国矿业ＣＨＩＮＡＭＩＮＩＮＧＭＡＧＡＺＩＮＥＶｏｌ．２５，Ｓｕｐｐｌ．２Ｏｃｔ．２０１６金源矿区房柱法开采围岩稳定性分析苗胜军１，２，王浩１，２，王子木１，２，梁明纯１，２（１．北京科技大学土木与环境工程学院，北京１０００８３；２．北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京１０００８３）摘要为了对矿区深部开采岩体的稳定性及岩爆倾向性进行深入地分析研究，本文针对金源矿区深部开采而可能带来的稳定性问题进行了数值模拟分析，结果表明①中段开采过程中，拉应力集中在采场顶柱和部分矿柱，需严密监测中部矿柱应力，必要时可对其施加预应力锚杆加固；②矿柱水平位移基本变化不大，底板有轻微的底臌现象；③对６０ｍ长度单矿块的开采模拟中，若需多个矿块同时开采时，可采用隔一采一的方式有效控制围岩变形，保证开采安全；④若对埋深不同的多中段同时开采，最大弹性应变能将达到１．１６１０５Ｊ／ｍ３，会对周边矿柱及围岩的稳定性留下安全应隐患。关键词深部开采；岩爆倾向性；应力集中；数值模拟；最大弹性能中图分类号ＴＤ３２文献标识码Ａ文章编号１００４－４０５１（２０１６）Ｓ２－０２５９－０４ＳｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｉｌｌａｒｍｉｎｉｎｇｉｎＪｉｎＹｕａｎｍｉｎｉｎｇａｒｅａＭＩＡＯＳｈｅｎｇ－ｊｕｎ１，２，ＷＡＮＧＨａｏ１，２，ＷＡＮＧＺｉ－ｍｕ１，２，ＬＩＡＮＧＭｉｎｇ－ｃｈｕｎ１，２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｉｇｈ－ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙｏｆＭｅｔａｌＭｉｎｅｓ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ），ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｂｕｒｓｔｐｒｏｎｅｎｅｓｓｉｎｔｈｅｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇａｒｅａ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｓａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓｂｒｏｕｇｈｔｂｙｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇｉｎＪｉｎｙｕａｎｍｉｎｉｎｇａｒｅａ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ①ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌｅｖｅｌｍｉｎｉｎｇ，ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｉｎｔｈｅｃｒｏｗｎｐｉｌｌａｒｏｆｔｈｅｓｔｏｐｅａｎｄｐａｒｔｊａｍｂｓ，ｓｏｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆｃｅｎｔｒａｌｊａｍｂｓｓｈａｌｌｂｅｍｏｎｉｔｏｒｅｄｃｌｏｓｅｌｙａｎｄｉｆｎｅｃｅｓｓａｒｙ，ｔｈｅｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓｅｄａｎｃｈｏｒｃａｎｂｅａｄｏｐｔｅｄｆｏｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；②ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｊａｍｂｓｃｈａｎｇｅｓｌｉｔｔｌｅ，ａｎｄｔｈｅｆｌｏｏｒｈｅａｖｅｓｓｌｉｇｈｔｌｙ；③Ｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｍｉｎｉｎｇｏｆ６０－ｍｅｔｅｒｓｉｎｇｌｅｏｒｅｂｌｏｃｋｓ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆ“ｍｉｎｉｎｇａｌｔｅｒｎａｔｅｌｙ”ｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｍｉｎｉｎｇｓａｆｅｔｙ；④Ｉｆｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｌｅｖｅｌｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｌａｓｔｉｃｓｔｒａｉｎｗｉｌｌｒｅａｃｈ１．１６１０５Ｊ／ｍ３，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｌｅａｖｅｈｉｄｄｅｎｄａｎｇｅｒｓｆｏｒｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｊａｍｂｓａｎｄｒｏｃｋｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｅｅｐｍｉｎｉｎｇ；ｒｏｃｋｂｕｒｓｔｔｅｎｄｅｎｃｙ；ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍａｘｉｍｕｍｅｌａｓｔｉｃｅｎｅｒｇｙ收稿日期２０１６－０７－１１基金项目国家自然科学基金资助项目资助（编号５１５７４０１４）；国家重点基础研究发展计划（９７３）项目资助（编号２０１５ＣＢ０６０２００）作者简介苗胜军（１９７９－），男，副教授，博士，２００６年毕业于北京科技大学岩土工程专业，主要从事岩石力学与工程方面的监测与控制研究。近年来，随着深部开采矿山的增多、深度增大，岩爆、岩体碎裂、围岩变形、冒落和垮塌、矿柱坍塌、井筒破裂、突水以及岩体失稳等一系列工程动力灾害事故时有发生，严重威胁到人员的生命安全和工程设施的生产安全［１－４］。由于深部复杂的地质力学环境，使得深部岩体表现出明显的软岩非线性大变形力学特性，从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性［５－８］，严重影响深部资源的安全开采。金源矿区在开采的过程中一些岩体出现了裂纹较深且部分开采部位沉降量过大的问题，本文针对金源矿区深部开采的岩体稳定性及岩爆倾向性［９－１２］进行研究，通过模拟房柱法开采探寻影响矿区稳定性的因素，为采矿作业的安全进行提供一定中国矿业第２５卷的理论支持。１矿区概况及开采方案金源矿区含有８７个金属矿体和２个铁矿体，目前已经开挖至深部，矿区矿块生产能力为４０．０～６０．０ｔ／ｄ，损失率为８．０％，贫化率为１２．０％。其水文地质条件多为简单型和中等偏复杂型，工程地质条件为中等复杂类型。由于其矿体多为倾角不大于２０的薄到中厚矿体，故采取房柱法进行开采。首先自中段运输平巷开始掘进联络道，然后沿矿体倾斜方向向上每隔６０ｍ掘人行通风上山与上中段回风平巷相通，之后进行拉底和扩漏，在矿体联络道内安设电耙绞车。由于矿体厚度大于４ｍ，采用压顶进行落矿，随着回采工作的推进，在矿房两侧留规则的不连续矿柱，矿柱间距１２ｍ。为提高矿石回采率，矿房采完后，间柱、顶柱和底柱采取隔一采一的方式，从一端往另一端后退式回收。最后，对采空区进行密闭处理。２房柱法开采数值模拟及结果分析２．１岩石物理力学参数为了对矿区深部开采岩体的稳定性及岩爆倾向性进行深入地分析研究，同时也为深部采矿设计优化提供基础依据，在矿山工程地质与水文地质调查的基础上，对矿山的矿体及上、下盘围岩和各个开采中段进行岩石试样采集，开展各种的岩石力学试验，以获取主要岩石的抗压强度、泊松比、弹性模量等物理力学参数，为后续岩爆倾向性预测及数值模拟研究提供基础数据。经试验计算整理后，所得物理力学参数见表１。２．２建立模型及判断准则根据金源矿区的矿区特征，建立房柱法数值模型进行开采分析，模拟开采矿块长６０ｍ，８ｍ一个矿房，矿房间布置间隔矿柱，矿柱尺寸４ｍ４ｍ，矿柱间隔距离１０ｍ，阶段高度１０ｍ。建模过程中，对侧面设置刚性约束，底部限制其竖向移动，模型的上部施加上部所覆盖岩层的自重应力。采用弹塑性本构模型莫尔－库仑准则判断岩体的破坏（式（１））。根据现场所得数据，根据经验强度折减，模拟选用的围岩和矿体力学参数设置见表２。ｆｓ＝σ１－σ３１＋ｓｉｎ φ １－ｓｉｎ φ－２ｃ１＋ｓｉｎ φ １－ｓｉｎ槡 φ （１）式中最大和最小主应力分别是σ １、σ３；ｃ为粘结力；σ 为摩擦角。ｆｓ＞０时，岩体发生剪切破坏。表１矿区主要岩石物理力学参数表岩性含水率颗粒密度ρｐ／（ｇ／ｃｍ３）孔隙率ｎ／％抗拉强度／ＭＰａ软化系数ｋ内摩擦角 φ／粘聚力ｃ／ＭＰａ抗压强度 σｃ／ＭＰａ弹性模量Ｅ／ＧＰａ泊松比μ 糜棱岩０．０３２．７７９１．２８１１．０１０．６７３３．６９１８．１７５３．７０３７．９７０．１７０片麻岩０．０３２．６５８０．４３１０．２２０．９７３３．１１２８．６６７２．８８４５．９４０．２０９辉绿岩０．０３２．８６５０．４７１０．９２０．９９３７．６８２３．５９６８．８４４８．０３０．２２４花岗岩０．０３２．６３３１．１９９．０１０．９７３８．６２２３．７５８１．９９５６．１５０．１８４石英岩０．０１２．６７６０．８８６．７８０．９１４３．１１１２．０３１３８．５７７５．７９０．１６５表２折减后的矿区力学参数位置体积模量／ＧＰａ剪切模量／ＧＰａ凝聚力／ＭＰａ内摩擦角／抗拉强度／ＭＰａ渗透系数／（ｍｓ－１）围岩３．３７２．８１１．４３１４．３７６．２１０－７矿体２．５１１．３５２１．５３３３．４４８．３１０－７２．３应力分析采场开采引起围岩应力重新分布，应力状态是影响采场稳定性的最主要因素。为实现安全开采必须分析采场应力分布特征，对应力集中、拉应力、剪应力引起的潜在破坏区域进行识别，在生产过程中重点加固支护。房柱法开采过程中最大主应力、最小主应力及塑性破坏情况如图１所示，图中拉应力为正，压应力为负。单一中段开采最大主应力达到５１．１８ＭＰａ，多中段开采最大主应力达到５６．９７ＭＰａ，最大主应力极值出现在采矿中部区域的矿柱，该部分矿柱承受围岩竖向载荷较大。在实际开采过程中，该矿区需要时刻检查中部矿柱的破裂现象，防治出现矿柱破裂的危险。单一中段开采和多中段开采模拟中，最小主应力云图均出现了不同程度的拉应力，分别为４．２ＭＰａ和９．０６ＭＰａ，拉应力集中在采场顶柱和部分矿柱。顶柱由于矿体开挖后围岩卸载，矿柱作用在其上的０６２增刊２苗胜军金源矿区房柱法开采围岩稳定性分析压应力导致其易出现张拉破坏，矿柱中的拉应力则是由于竖向载荷增大后呈现的横向变形破坏。在开采过程中，需要关注顶板和矿柱的稳定性，防治出现拉应力的破坏，必要时，可以有选择性地采用施加预应力锚杆的方式加固顶板和矿柱。２．４位移分析房柱法开采模拟中，重点分析竖向位移和沿采场走向的Ｙ向水平位移。如图２所示，单中段开采的Ｙ向水平位移最大值为４．５５ｃｍ，多中段开采的Ｙ向水平位移最大值为７．３９ｃｍ。竖向位移方面，单中段开采最大竖向位移值为１２．９ｃｍ，多中段开采最大竖向位移为２０．０７ｃｍ，但均值处于５～８ｃｍ。由于模拟开采位置位深部矿区，地压应力水平较高，但该位移变形值尚在可控范围内，中段开采过程中，水平位移基本变化不大，底板竖直方向上仅有轻微的底臌现象，但并不明显。说明房柱开采法设计的矿柱密度和尺寸能够满足当前高地压的稳定性要求。图１最大、最小主应力分布图图２中段开采竖向位移图１６２中国矿业第２５卷图３多中段开采单矿块竖向位移另外，还开展了６０ｍ长度单矿块的开采模拟。如图３所示，多中段同时开采时，其竖向位移最大值在３．７９ｃｍ，位移变化量不大，可以看出，开采过程中对较多矿块同时开采的量具有大幅缩减。因此，从安全角度考虑，若矿体沿走向分布尺寸较小，可采取多个矿块开采；若矿体沿走向分布尺寸较大，需要同时多个矿块开采时，可以采用隔一采一的方式进行回采，可有效控制围岩变形，保证开采安全。２．５能量分布与岩爆倾向分析通过ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟，得到了围岩开采后的弹性能分布。图４结果表明，采用房柱法开采过程中，单一中段进行开采，围岩弹性能密度最大值达到６．９８１０４Ｊ／ｍ３，由于矿柱的支撑作用，围岩尚未呈现严重的岩爆倾向性。若埋深不同的多中段同时开采，由于矿柱承担顶板围岩载荷增加，最大弹性应变能达到１．１６１０５Ｊ／ｍ３，围岩呈现出岩爆倾向，同时矿柱聚集的弹性能也急剧增加，在后期矿柱回采过程中，围岩稳定性和周边矿柱的稳定性存在安全隐患。图４中段开采能量分布图３结论１）单一中段开采和多中段开采模拟中，拉应力集中在采场顶柱和部分矿柱。需要时刻检查中部矿柱的破裂现象，防治出现矿柱破裂的危险。必要时，可选择性地采用施加预应力锚杆的方式对其加固。２）中段开采过程中，水平位移基本变化不大，底板竖直方向上仅有轻微的底臌现象，但并不明显。所设计的矿柱密度和尺寸能够满足当前高地压的稳定性要求。３）在对６０ｍ长度单矿块的开采模拟中得出，若矿体沿走向分布尺寸较大，需要同时多个矿块开采时，可以采用隔一采一的方式进行回采，可有效控制围岩变形，保证开采安全。４）若对埋深不同的多中段同时开采，最大弹性应变能达到１．１６１０５Ｊ／ｍ３，矿柱的弹性能将急剧上升，围岩将出现岩爆倾向。参考文献［１］黄英华，徐必根，唐绍辉．房柱法开采矿山采空区失稳模式及机理［Ｊ］．矿业研究与开发，２００９（４）２４－２６．［２］黄丹，吴鹏，董凯程，等．缓倾斜互层矿体房柱法采场结构参数及稳定性研究［Ｊ］．中国矿业，２０１４，２３（Ｓ２）２０５－２０８．［３］赵林海，王春，王文丽，等．房柱法在二里河铅锌矿的典型应用［Ｊ］．金属矿山，２０１３，４２（１２）２０－２２．［４］赵国彦，周礼，李金跃，等．房柱法矿柱合理尺寸设计及矿块结构参数优选［Ｊ］．中南大学学报自然科学版，２０１４（１１）３９４３－３９４８．［５］曹平，张科，万琳辉，等．金川矿山深部采掘条件下岩石力学研究与实践［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２，３１（７）１３３４－１３４１．［６］何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１６）２８０３－２８１３．ｅｔａｌ．２００５，２４（１６）２８０３－２８１３．［７］杨天鸿，张锋春，于庆磊，等．露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２（５）１４３７－１４５１．［８］胡社荣，彭纪超，黄灿，等．千米以上深矿井开采研究现状与进展［Ｊ］．中国矿业，２０１１，２０（７）１０５－１１０．［９］何满潮，苗金丽，李德建，等．深部花岗岩试样岩爆过程实验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（５）８６５－８７６．［１０］尚晓吉，张志镇，田智立，等．基于声发射测试的岩爆倾向性预测研究［Ｊ］．金属矿山，２０１１，４０（８）５６－５９．［１１］刘大兵，钱振宇，王存文，等．三山岛金矿微震监测及岩爆倾向性分析［Ｃ］．２０１２４８８－４９１．［１２］王学滨，潘一山．不同侧压系数条件下圆形巷道岩爆过程模拟［Ｊ］．岩土力学，２０１０，３１（６）１９３７－１９４２．２６２

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