陶磊

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙410011)

基于應(yīng)力增量理論的礦柱回采安全性評(píng)價(jià)

陶磊

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙410011)

礦柱是支撐空區(qū)穩(wěn)定性的主要單元，礦柱的回收必然會(huì)造成空區(qū)應(yīng)力的重新分布，從而對(duì)其穩(wěn)定性造成影響?；趹?yīng)力增量理論，對(duì)某礦山礦柱回采過程中的安全性進(jìn)行了理論分析，并根據(jù)礦柱的回收順序建立了數(shù)值分析模型，計(jì)算得到了各礦柱開采前后的應(yīng)力變化情況。計(jì)算結(jié)果表明，該礦山二、三采區(qū)一中段的間柱安全系數(shù)都大于1，即所有間柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)。

礦柱回收;應(yīng)力增量;安全系數(shù);穩(wěn)定性

礦產(chǎn)資源是維持礦山可持續(xù)發(fā)展的基本條件，對(duì)殘留礦柱的回收是維持礦山可持續(xù)發(fā)展的一條基本途徑。近年來，我國也探索出了多種回采殘留礦柱和難采礦體的方法，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐和推廣應(yīng)用［1－3］。由于礦柱回收要根據(jù)礦山的實(shí)際情況而定，在保證安全、經(jīng)濟(jì)的條件下，合理采用回采方案，同時(shí)也可參考其他相似礦山的成功經(jīng)驗(yàn)［4－6］，采用靈活多變的回收方法。我國在礦柱回收方面已有很多成功案例，積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［7－8］。

哈密博倫礦業(yè)有限責(zé)任公司于2004注冊(cè)成立，由青海西寧特殊鋼股份公司與哈密長城實(shí)業(yè)公司共同出資組成。白山泉鐵礦是哈密博倫礦業(yè)有限責(zé)任公司旗下的生產(chǎn)單位之一，自2006年建成開始投產(chǎn)，目前生產(chǎn)能力為110萬t/a。礦山設(shè)計(jì)采用分區(qū)開采、分區(qū)通風(fēng)，開拓方式為豎井開拓。礦山二、三采區(qū)一中段礦塊沿礦體走向布置，礦塊長50 m，寬為礦體厚度，高40 m，頂柱5 m，間柱7.5 m，底柱6～8 m，采用電耙道出礦底部結(jié)構(gòu)。

目前，白山泉鐵礦一中段采礦已經(jīng)接近尾聲，而二中段的基建工程又還未完成，礦方考慮回收礦柱，一是補(bǔ)充礦山下年度產(chǎn)量，充分回收礦產(chǎn)資源，二是可及時(shí)處理采空區(qū)，消除安全隱患，保證礦山健康發(fā)展。但礦柱的回采不同于礦山正常開采，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，安全問題成為首要考慮因素。礦山二、三采區(qū)一中段存在大量的采空區(qū)，并且大部分采空區(qū)都具有形態(tài)無規(guī)則、頂板暴露面積、空區(qū)體積大的特點(diǎn)，在這種環(huán)境之下如何保障礦柱安全回采是最關(guān)鍵的問題。

1 基于應(yīng)力增量的礦柱安全性分析

1.1 礦柱強(qiáng)度

影響礦柱強(qiáng)度的因素較多，受到其幾何尺寸、地質(zhì)構(gòu)造、礦區(qū)應(yīng)力分布等因素的影響，國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)不同的情況提出了許多礦柱強(qiáng)度的計(jì)算公式，其中最具代表性的礦柱強(qiáng)度公式類型見式(1)。

式中:σp-礦柱的強(qiáng)度，MPa;σp1-寬高比為1時(shí)的礦柱強(qiáng)度，MPa;ω、h-礦柱的寬度、高度，m; A、B、α-由具體的礦(巖)體確定的系數(shù)，不同的系數(shù)對(duì)應(yīng)不同的礦柱強(qiáng)度計(jì)算公式。

在這類公式中應(yīng)用較廣的是Bieniawski提出的強(qiáng)度公式，具體表達(dá)式如下:

考慮巖體節(jié)理對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，結(jié)合礦山的實(shí)際情況，采用Hoek-Brown計(jì)算完整和節(jié)理巖體強(qiáng)度的方法計(jì)算節(jié)理裂隙對(duì)礦柱強(qiáng)度的影響，即:

式中:σc-完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa; s-巖體完整性的一個(gè)常數(shù)。一般情況下，σp1的取值范圍為(1/4～1/3)σc。

對(duì)于含有多組節(jié)理且沒有明顯的各向異性的巖體s值由式(4)確定。

式中:RMR-巖體地質(zhì)分類指標(biāo)。

1.2 礦柱平均應(yīng)力

礦柱平均應(yīng)力σ具體計(jì)算方法為:

式中:k-礦柱應(yīng)力集中系數(shù)，一般為2～3，取2.5;σ0-相鄰礦柱回采前礦柱應(yīng)力，MPa;σ1-礦柱二次回采相鄰礦柱應(yīng)力增量，MPa。

1.3 安全系數(shù)計(jì)算

通過上述對(duì)礦柱強(qiáng)度、礦柱平均應(yīng)力的計(jì)算，然后將礦柱強(qiáng)度與礦柱平均應(yīng)力進(jìn)行比較，就能作為衡量礦柱安全性大小的一個(gè)系數(shù)，稱為安全系數(shù)S，具體公式見式(6)。

2 礦柱回收過程中的安全系數(shù)計(jì)算

2.1 間柱的回采順序

二采區(qū)一中段主要間柱有5個(gè)，其中預(yù)留3號(hào)間柱作為永久性間柱不進(jìn)行回收，其目的是將本區(qū)域的大空區(qū)分割成兩獨(dú)立的小空區(qū)，其余四個(gè)間柱全部進(jìn)行回收。考慮到礦石提升運(yùn)輸，設(shè)計(jì)首先回收5號(hào)間柱，其次回收4號(hào)間柱，再次回收2號(hào)間柱，最后回收1號(hào)間柱，圖1為二采區(qū)一中段的礦柱模型。

三采區(qū)一中段56～60線區(qū)域共有10個(gè)間柱，其中5號(hào)間柱為保安礦柱礦量最大，由于三號(hào)主井布置在礦體上盤是本區(qū)域的主提升井，同時(shí)也是所有礦柱回收后出礦的咽喉，因此必須預(yù)留5號(hào)間柱在本中段的通道，同時(shí)考慮礦量的因素，5號(hào)間柱應(yīng)該回收但必須是安排在后期進(jìn)行回收。因此結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際以及最大限度的回收礦產(chǎn)資源的原則，本區(qū)域預(yù)留1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和6號(hào)間柱作為永久性間柱不進(jìn)行回收，其余間柱的回收順序?yàn)?首先回收8號(hào)間柱，其次回收9號(hào)間柱，最后依次回收10號(hào)、7號(hào)、5號(hào)及2號(hào)間柱。圖2為三采區(qū)一中段的礦柱模型。

圖1 二采區(qū)一中段礦房與間柱模型Fig.1 The stop and pillar model of the second mined zone

圖2 三采區(qū)一中段礦房與間柱模型Fig.2 The stop and pillar model of the third mined zone

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取及確定

2.2.1 礦柱幾何尺寸

礦柱的形狀參數(shù)包括礦柱的長度l、寬度ω以及高度h，結(jié)合前期現(xiàn)場調(diào)查的數(shù)據(jù)以及礦方提供的數(shù)據(jù)，得到二、三采區(qū)一中段間柱長度、間柱寬度以及間柱高度等數(shù)據(jù)見表1、2。

表1 二采區(qū)一中段各間柱基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of pillars in the second mined zone

表2 三采區(qū)一中段各間柱基本參數(shù)Table 2 The basic parameters of pillars in the third mined zone

2.2.2 巖石力學(xué)參數(shù)的確定

1)巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc:對(duì)礦巖進(jìn)行了單軸抗壓力學(xué)試驗(yàn)，測得礦巖的平均抗壓強(qiáng)度為89.21 MPa。

2)巖體完整性無量綱試驗(yàn)常數(shù)s:采用Hoek-Brown計(jì)算完整和節(jié)理巖體強(qiáng)度的方法計(jì)算節(jié)理裂隙對(duì)礦柱強(qiáng)度的影響，根據(jù)礦山的實(shí)際情況以及大量的工程經(jīng)驗(yàn)，確定巖體完整性無量綱試驗(yàn)常數(shù)s為1/16，間柱強(qiáng)度為22.3 MPa。

2.2.3 礦柱回采前后的應(yīng)力變化

1)相鄰礦柱回采前礦柱應(yīng)力σ0

采用數(shù)值模擬的方法確定礦柱的原巖應(yīng)力大小，由于礦山二、三采區(qū)一中段的上覆巖層厚度不大，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)只考慮自重應(yīng)力場的作用。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，得到二、三采區(qū)一中段礦柱的原巖應(yīng)力見表3、表4。

表3 二采區(qū)一中段間柱原巖應(yīng)力以及相鄰礦柱回采前間柱應(yīng)力Table 3 The stress of pillar and adjacent pillar before recovery of the second mined zone

表4 三采區(qū)一中段間柱原巖應(yīng)力以及相鄰礦柱回采前間柱應(yīng)力Table 4 The stress of pillar and adjacent pillar before recovery of the third mined zone

2)礦柱二次回采相鄰礦柱應(yīng)力增量σ1

根據(jù)確定的礦柱回采順序?qū)ΦV柱的回采進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬計(jì)算得到二、三采區(qū)一中段間柱在礦柱回采過程中各階段應(yīng)力見表5、6。

表5 二采區(qū)一中段間柱在礦柱回采過程中礦柱的應(yīng)力變化Table 5 Stress changes in the pillar of recovery process of the second mined zone

表6 三采區(qū)一中段間柱在礦柱回采過程中各階段應(yīng)力Table 6 Stress changes in the pillar of recovery process of the third mined zone

2.3 礦柱的安全系數(shù)計(jì)算

將上述確定的礦柱寬度ω、礦柱高度h、巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc、巖體完整性常數(shù)s等基本參數(shù)，代入到公式(6)中就可以計(jì)算出相應(yīng)礦柱的安全系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得到二、三采區(qū)一中段各間柱的安全系數(shù)見表7、表8。

表7 二采區(qū)一中段間柱安全系數(shù)Table 7 The safety factor of the second mined zone

表8 三采區(qū)一中段間柱安全系數(shù)Table 8 The safety factor of the third mined zone

礦柱安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，該礦山二、三采區(qū)一中段的間柱安全系數(shù)都大于1，即所有間柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)。根據(jù)礦柱安全性等級(jí)的劃分原則，得到該礦山二、三采區(qū)一中段的間柱安全性程度主要是隸屬于穩(wěn)固等級(jí)，只有二采區(qū)一中段的1號(hào)間柱和4號(hào)間柱是隸屬于中等穩(wěn)固等級(jí)。對(duì)比礦山二、三采區(qū)一段的間柱安全系數(shù)，三采區(qū)一中段的間柱安全性程度要高于二采區(qū)一中段間柱。

3 結(jié)論

1)基于應(yīng)力增量理論，對(duì)采空區(qū)礦柱回采過程中的安全性進(jìn)行了理論分析，得到了礦柱安全系數(shù)計(jì)算公式，通過空區(qū)調(diào)查和巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到了礦柱的幾何尺寸和巖石力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。

2)根據(jù)礦柱的回采順序，建立了礦柱回采數(shù)值分析模型，得到了礦柱回采前的原巖應(yīng)力和礦柱回采過程中其他礦柱的應(yīng)力變化情況。

3)將礦柱的幾何參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果帶入安全系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算得到了回采過程中各礦柱的安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，礦山二、三采區(qū)一中段的間柱安全系數(shù)都大于1，即所有間柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)。

［1］劉洪強(qiáng)，張欽禮，潘常甲，等.空?qǐng)龇ǖV柱破壞規(guī)律及穩(wěn)定性分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011(1):138－143.

［2］韓穎，楊志龍.礦柱失穩(wěn)的突變分析［J］.中國礦業(yè)，2013，22 (1):86－88，102.

［3］周子龍，李夕兵，趙國彥.民窿空區(qū)群級(jí)聯(lián)失穩(wěn)評(píng)價(jià)［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007(5):91－95.

［4］鄭能，劉金明，黃敏，等.殘礦回收合理回采順序數(shù)值模擬研究［J］.采礦技術(shù)，2012，12(5):11－12，66.

［5］高志斌.四方金礦礦柱及殘礦回收技術(shù)實(shí)踐［J］.科技資訊，2013(14):81－82.

［6］謝火明.廣西鳳凰山銀礦殘礦回收技術(shù)優(yōu)化研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2012.

［7］杜 坤，李夕兵，劉科偉，等.采空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的綜合方法及工程應(yīng)用［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，42(9):2802－2811.

［8］任高峰，楊海燕，董洪芹，等.石膏礦采空區(qū)塌陷安全評(píng)價(jià)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，32(9):1214－1221.

Pillar recovery safety evaluation based on stress increment theory

TAO Lei
(Changsha Engineering＆Research Institute Ltd.of Nonferrous Metallurgy，Changsha 410011，China)

Pillars are main support units of goaf stability.The recovery of the pillars will cause stress redistribution and stability of the goaf.The pillaring process security is analyzed based on stresses incremental theory.The numerical model is established according to the order of pillar recovery.The stress of each pillar before and after mining are calculated，the results show that all factors of pillars safety are greater than 1，that is，all the pillars are in a safe state.

pillar recovery;stress increment;safety factor;stability

TD853.391

Α

1671-4172(2015)01-0028-04

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB732004)

陶磊(1983－)，男，工程師，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從事礦山設(shè)計(jì)與災(zāi)害防治等方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.007