郭軍業(yè)，張明清，2，3,李 東，蔣文強(qiáng)，詹子強(qiáng)

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州貴陽(yáng) 550025; 3.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550055)

0 引 言

云貴地區(qū)賦存大量礦產(chǎn)資源，其中存在相當(dāng)數(shù)量的煤硫共生礦產(chǎn)資源。隨著資源的日益枯竭，過(guò)去對(duì)共生礦產(chǎn)只開(kāi)采主要礦產(chǎn)的方案已不可取，為有效提高資源回采率，應(yīng)對(duì)共生礦產(chǎn)進(jìn)行綜合開(kāi)采[1]。對(duì)于共生礦產(chǎn)間距為零的礦床，綜合開(kāi)采時(shí)會(huì)形成一個(gè)礦柱上下2種礦物或者3種礦物分層共存的復(fù)合型礦柱。然而目前對(duì)分層共存的復(fù)合型礦柱的穩(wěn)定性分析還較少，如何確定此類礦柱穩(wěn)定性問(wèn)題是目前研究的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者針對(duì)不同礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究。張紹周等[2-3]經(jīng)過(guò)認(rèn)真對(duì)比分析，得出礦柱本身物理力學(xué)參數(shù)造成了柱體的損壞，而不是由外因造成。張欽禮等[4]對(duì)采場(chǎng)的安全性進(jìn)行各因素對(duì)比分析，結(jié)果顯示礦柱剛度比的大小及在高應(yīng)力條件下軟化的特性是造成采場(chǎng)失穩(wěn)的最主要因素。陳寅聰[5]對(duì)比分析了可靠度及強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果，確定了礦柱穩(wěn)定性的可靠度。郭建軍等[6]通過(guò)計(jì)算礦柱失穩(wěn)抗阻因子系數(shù)及礦柱破壞發(fā)展因子系數(shù)，從而對(duì)礦柱穩(wěn)定情況進(jìn)行了分析。

1 工程背景

大林硫鐵礦礦區(qū)內(nèi)主要礦產(chǎn)為硫鐵礦及煤礦，其中硫鐵礦直接頂為平均厚度為0.5 m的煤層。根據(jù)勘查揭露的礦體厚度為0.73～5.60 m，平均厚度2.5 m。礦體傾角為12°～28°，一般為20°。根據(jù)硫鐵礦實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用房柱法開(kāi)采。對(duì)房柱式開(kāi)采，采場(chǎng)穩(wěn)定性主要取決于礦柱穩(wěn)定性[7]。采空區(qū)頂板由空區(qū)殘柱支撐, 導(dǎo)致礦柱應(yīng)力集中[8-9]。大林硫鐵礦為煤硫共生礦床，為了提高資源有效回采率和減少硫鐵礦礦石貧化及避免開(kāi)采后煤層垮落產(chǎn)生瓦斯等有毒有害氣體影響礦井安全，制定了下行式開(kāi)采方案，即先剝離煤層再采硫鐵礦的開(kāi)采方案。綜合開(kāi)采后形成煤硫分層共存的復(fù)合型礦柱，其煤層是松軟煤層，所以上部煤層穩(wěn)定性對(duì)復(fù)合型礦柱穩(wěn)定性起到重要作用。如果上部煤層發(fā)生破壞坍塌，礦柱穩(wěn)定性發(fā)生破壞性改變，將導(dǎo)致整個(gè)采場(chǎng)發(fā)生坍塌。為保證礦山在安全條件下高效率生產(chǎn)，以大林硫鐵礦為背景，通過(guò)數(shù)值模擬分析計(jì)算，對(duì)大林硫鐵礦的開(kāi)采方案進(jìn)行合理選擇。

2 開(kāi)挖模擬分析

2.1 硫鐵礦開(kāi)采方案

根據(jù)礦體的賦存特征和開(kāi)采工藝條件，對(duì)區(qū)間內(nèi)主要礦體采用房柱法，區(qū)間內(nèi)小礦體采用全面空?qǐng)龇ǎ?種方法比例為85%，15%。為了有效回采礦區(qū)內(nèi)的礦產(chǎn)資源，對(duì)大林硫鐵礦礦區(qū)內(nèi)賦存的煤及硫鐵礦進(jìn)行綜合性開(kāi)采。由于硫鐵礦和煤為間距為零的共生型礦床，硫鐵礦直接頂即為較松軟的煤層，因此采用下行式開(kāi)采方案，即先用刨煤機(jī)按硫鐵礦的爆破間距先行剝離煤層再用爆破法采硫鐵礦的開(kāi)采方案。最終形成上部為煤層，下部為硫鐵礦的復(fù)合型礦柱支撐空區(qū)頂板(見(jiàn)圖1)。

圖1 設(shè)計(jì)開(kāi)采方案及礦柱

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)礦山地質(zhì)地形圖、鉆孔柱狀圖、鉆井柱狀圖等，建立FLAC3D礦體模型。按礦體賦存性狀，選取礦體走向方向?yàn)閄軸方向，傾向方向?yàn)閅軸方向，垂高方向?yàn)閆軸方向。煤層及硫鐵礦工作面走向長(zhǎng)度60 m，傾向長(zhǎng)度60 m，傾角按20°建立。模型長(zhǎng)為100 m，寬為100 m，高為70 m，礦體賦存情況見(jiàn)圖2。模型上表面由垂直應(yīng)力[10]σ=λH(λ為模型上部巖層平均體重，H為模型上部邊界與地表的平均間距)施加約束為6.24 MPa，下表面施加垂直位移約束，其余4個(gè)面施加與面垂直的約束，無(wú)反射邊界，用泊松比施加水平地應(yīng)力。

圖2 礦體賦存性狀

2.3 參數(shù)及模擬

(1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況可得各巖層物理力學(xué)參數(shù)，由于部分相鄰巖層參數(shù)接近，所以本實(shí)驗(yàn)取參數(shù)接近的巖層參數(shù)，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

(2) 采用六面塊體網(wǎng)格劃分模擬區(qū)域，為保證模擬研究的準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行不同密集化的劃分，即將要開(kāi)挖及計(jì)算的區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行密集化。考慮到模型的邊界效應(yīng)，在模型開(kāi)挖區(qū)域四周各留20 m邊界。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開(kāi)采礦段按設(shè)計(jì)的爆破進(jìn)尺2 m開(kāi)挖。根據(jù)礦柱穩(wěn)定性的影響程度[11]排序，礦柱寬度對(duì)其影響最大，埋深次之，最后是影響程度相當(dāng)?shù)牡V房跨度和柱高。根據(jù)大林硫鐵礦的實(shí)際賦存情況及開(kāi)采設(shè)計(jì)方案可知，首采面埋深、柱高都相同，所以本次實(shí)驗(yàn)主要考慮柱寬對(duì)礦柱穩(wěn)定性的影響，從而驗(yàn)證礦柱尺寸長(zhǎng)×寬×高分別為4 m×3 m×3 m、4 m×4 m×3 m、4 m×5 m×3 m、4 m×6 m×3 m等4種開(kāi)采方案的最優(yōu)方案。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.4 礦柱安全系數(shù)分析

礦柱的穩(wěn)定性通常用礦柱的安全系數(shù)來(lái)確定，通常以礦柱平均應(yīng)力或者礦柱最大垂直應(yīng)力為參考計(jì)算，但這2種方法都忽略了礦柱本身應(yīng)力分布的不均勻性。本文的煤硫分層復(fù)合型礦柱因礦柱成分復(fù)雜，上下兩層礦體物理力學(xué)參數(shù)差別較大，用傳統(tǒng)的算法難以準(zhǔn)確反映出礦柱的穩(wěn)定性，應(yīng)從礦柱各部分綜合考慮，最后來(lái)判定礦柱是否穩(wěn)定。本文擬采用點(diǎn)安全系數(shù)[12]來(lái)判別礦柱是否發(fā)生破壞。礦柱點(diǎn)安全系數(shù)Fs的算法為：

(1)

根據(jù)FLAC3D模擬得出傾向方向兩礦柱內(nèi)的各點(diǎn)應(yīng)力值，見(jiàn)圖3及圖4。由各點(diǎn)應(yīng)力值利用式(1)可得出4種方案礦柱各點(diǎn)的安全系數(shù)，見(jiàn)表2。

由表2可知，在4種開(kāi)采方案中，隨著礦柱寬度增加，點(diǎn)安全系數(shù)隨之增加，但煤層的點(diǎn)安全系數(shù)相較硫鐵礦而言較小，并且在方案一中復(fù)合型礦柱上部煤層的點(diǎn)安全系數(shù)Fs≮1，說(shuō)明該點(diǎn)發(fā)生破壞，對(duì)礦柱整體穩(wěn)定性造成了破壞。由此可以看出煤硫共存的復(fù)合型礦柱中，上部松軟煤層的穩(wěn)定性對(duì)礦柱的穩(wěn)定性影響較大。

由強(qiáng)度折減法[13]確定礦柱安全系數(shù)k、礦柱臨界寬度We與礦柱安全寬度Ws的關(guān)系為：

Ws=kWe

(2)

圖3 開(kāi)挖后4種方案最大主應(yīng)力云圖

圖4 開(kāi)挖后4種方案最小主應(yīng)力云圖

開(kāi)采方案點(diǎn)安全系數(shù)礦柱上部煤層礦柱下部硫鐵礦方案一0.951.42方案二1.241.69方案三1.421.81方案四1.652.03

式中，取礦柱的安全系數(shù)k=1.2，則此時(shí)礦柱的臨界寬度，即礦柱安全寬度Ws=1.2×4=4.8 m。則選擇礦柱寬度為5 m的開(kāi)采方案三。

2.5 位移分析

由圖5及圖6分析可知，采場(chǎng)頂板最大位移量位于采場(chǎng)最大控頂距中心，從圖中可以看出，隨著礦柱寬度的增加，礦房頂板最大位移量逐漸較小。當(dāng)?shù)V柱寬度達(dá)到5 m時(shí)，礦房頂板位移量在4～5 cm之間，與6 m時(shí)幾乎重疊，頂板最大位移減少量趨于平緩。即在一定范圍內(nèi)，隨著礦柱寬度的增加可以有效減小頂板的下沉，但寬度達(dá)到一定值后，這一變化會(huì)趨于零。為減小頂板下沉量從而減小地面沉陷，選擇開(kāi)采設(shè)計(jì)方案為方案三。

圖5 4種方案位移云圖

圖6 4種方案礦柱頂板最大位移對(duì)比

3 結(jié) 論

(1) 本文以大林硫鐵礦預(yù)留煤硫共生復(fù)合型保安礦柱穩(wěn)定性分析為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算等手段和方法，探討了煤硫共生復(fù)合型礦柱的穩(wěn)定性和安全性，得出煤層的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)煤硫共生復(fù)合型礦柱穩(wěn)定性影響最大。

(2) 通過(guò)模擬計(jì)算分析，得出合理的確定煤硫共生復(fù)合型礦柱寬度及頂板跨度可以有效地改善礦柱的穩(wěn)定性。在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加礦柱寬度，這種穩(wěn)定性會(huì)隨之加強(qiáng)，若寬度超過(guò)一定量后，再增大礦柱尺寸對(duì)礦柱穩(wěn)定性的影響并不大。

(3) 本文從數(shù)值模擬得出礦柱各點(diǎn)的應(yīng)力值，然后用點(diǎn)安全系數(shù)法與強(qiáng)度折減法對(duì)比分析，從而得出礦柱安全系數(shù)為1.3，安全寬度為5 m，從而確定了開(kāi)采方案為方案三，即礦柱尺寸長(zhǎng)×寬×高為4 m×5 m×3 m。在實(shí)際工程中，為了有效地提高資源回采率，應(yīng)該確定最合理的礦柱尺寸，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)安全高效開(kāi)采。