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(guān) 735100；2.成遠(yuǎn)礦業(yè)開發(fā)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(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙 古赤峰 025450）

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

巖體被開挖之前處于平衡狀態(tài)，開挖破壞了巖層的平衡狀態(tài)，巖層向新的平衡調(diào)整，調(diào)整過程中帶來的地應(yīng)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(xiàn)。當(dāng)?shù)貞?yīng)力超過巖層的極限平衡狀態(tài)，巖體就發(fā)生變形破壞，導(dǎo)致地下工程災(zāi)害的發(fā)生。垂直地應(yīng)力與構(gòu)造地應(yīng)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(chǎn)資源高應(yīng)力的開采環(huán)境，研究人員提出了“卸壓開采”的理論［6-7］。卸壓開采基于應(yīng)力調(diào)控的方法，降低擬開采區(qū)域的應(yīng)力數(shù)值，對擬開采區(qū)域的工程穩(wěn)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(xiàn)。開采順序調(diào)控中主要形成一個“倒置金字塔”的開采順序，將地應(yīng)力向兩翼及上下盤圍巖中進行調(diào)控，減小礦體中應(yīng)力集中。卸壓爆破則是利用預(yù)裂爆破的方法，切斷地應(yīng)力的傳播路徑，一定范圍內(nèi)改變地應(yīng)力的傳播路徑。采礦實際生產(chǎn)中，借鑒采場預(yù)留自然礦柱作為底柱做法，部分學(xué)者如許宏亮［12］、趙興東［13］、李夕兵［14］提出了在深部開采中預(yù)留一定量的自然礦柱來隔離深部與淺部開采，起到調(diào)節(jié)深部應(yīng)力分布的作用，減少或控制地表巖移。預(yù)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(qū)，空區(qū)下存在較多深部礦體尚待開采，提出一種空區(qū)下預(yù)留一定厚度的原巖礦柱隔離淺部空區(qū)與深部待采礦體的解決方案，通過隔離礦柱，實現(xiàn)淺部空區(qū)處理與深部礦體開采的平穩(wěn)過渡?；诶碚撚嬎?、相似材料物理仿真、數(shù)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(yōu)化。

1 工程概況

某鉛鋅礦礦體開采現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)坍陷，井下空區(qū)5萬m3仍未處理?？諈^(qū)下深部仍有較多礦量尚未開采。礦山當(dāng)前的空區(qū)處理方式引起了地表塌陷，對地表部分構(gòu)筑物產(chǎn)生了影響，當(dāng)前的空區(qū)處理方式和開采方式已經(jīng)不再適合。礦山當(dāng)前存在的問題是如何保證空區(qū)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(xué)性質(zhì)。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(yīng)力集中導(dǎo)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(chǎn)資源。當(dāng)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?；谝劳械V山的實際數(shù)據(jù)，計算過程如表1所示。當(dāng)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(guī)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(shè)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(yīng)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?；诎踩紤]，取安全系數(shù)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(shù)值分析的隔離礦柱厚度優(yōu)化

3.1 計算模型

通過AutoCAD對地表等高線提取X、Y、Z坐標(biāo)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(jù)各中段平面圖與剖面圖，在ANSYS中建立三維礦體精細(xì)模型，最后導(dǎo)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(cè)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(jiān)測點，編號為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。

3.2 計算參數(shù)

通過現(xiàn)場地質(zhì)取樣，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后，開展室內(nèi)巖石力學(xué)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(biāo)，并基于Hook-Brown準(zhǔn)則進行折減獲取其巖體強度；經(jīng)配比實驗獲取充填材料的配比及力學(xué)參數(shù)。折算后的巖體與充填材料的力學(xué)參數(shù)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(shù)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(qū)隨深部礦體開采的變化情況。

3.4 計算結(jié)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(nèi)監(jiān)測點的位移、塑性區(qū)如圖4所示。由圖4可見，隔離礦柱中監(jiān)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(jiān)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(jiān)測值均隨距離隔離礦柱的距離增大而逐漸減小。

預(yù)留15 m厚的自然隔離礦柱，計算平衡后塑性區(qū)分布如圖5所示。由塑性區(qū)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(jīng)形成貫通塑性區(qū)，隔離礦柱破壞嚴(yán)重，易導(dǎo)致工程失穩(wěn)，塑性區(qū)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(chǎn)需求。

（2）不同厚度隔離礦柱計算結(jié)果。15 m、20 m、25 m、30 m厚度隔離礦柱計算得到的監(jiān)測點位移和塑性區(qū)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(jiān)測點位移均隨自然隔離礦柱厚度增大而明顯減小。當(dāng)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(qū)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(qū)的占比曲線可見，隨著隔離礦柱厚度增大，塑性區(qū)的體積占隔離礦柱的有效體積迅速下降。當(dāng)隔離礦柱厚度在25 m時，塑性區(qū)體積僅占總體積的約5%且零星分布，未出現(xiàn)貫通。厚度超過25 m時，塑性區(qū)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(guī)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(tǒng)，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(tǒng)最大垂直載荷達100 t，水平應(yīng)力最大載荷達60 t。實驗系統(tǒng)如圖7所示。采場幾何尺寸為長×高=32 m×38 m，結(jié)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(guān)實驗選取容重比為1.76，經(jīng)計算強度相似比為1∶290。

（2）材料參數(shù)。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(jīng)相似準(zhǔn)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(xué)參數(shù)如表3所示。

（3）實驗方案。結(jié)合相似理論可知模型上部應(yīng)施加載荷值為0.038 MPa，為保證塌陷區(qū)木塊在擠壓作用下不產(chǎn)生運動，在塌陷區(qū)上部施加載荷值為正常區(qū)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(yīng)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(yīng)力盒集中布置于自然隔離礦柱中，利用散斑監(jiān)測區(qū)域的位移變化。

（4）實驗結(jié)果分析。自然隔離礦柱在整個實驗過程經(jīng)歷了穩(wěn)定持壓階段、微裂隙產(chǎn)生發(fā)展階段和自然隔離礦柱失穩(wěn)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(fā)展階段，經(jīng)歷了裂隙的迅速擴展后進而發(fā)生破壞失穩(wěn)。自然隔離礦柱在持壓梯度五階段才出現(xiàn)肉眼可見的微裂隙，微裂隙首先出現(xiàn)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(fā)育擴展，在此過程中自然隔離礦柱內(nèi)部也出現(xiàn)少許裂紋，隨著裂隙的發(fā)育貫通，引起隔離礦柱產(chǎn)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(wěn)定。

由于采場上部塌陷區(qū)的存在，隔離礦柱承受載荷主要來自于礦柱兩側(cè)巖體的擠壓作用，隔離礦柱內(nèi)應(yīng)力主要表現(xiàn)為水平應(yīng)力。由采場開挖的應(yīng)力云圖（如圖9（a））可知，位于采場上部的礦柱水平應(yīng)力值降低，而位于隔離礦柱兩側(cè)的巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，采場下盤相較于采場上盤的應(yīng)力集中程度更高。自然隔離礦柱失穩(wěn)過程的位移云圖如圖9（b）所示，隔離礦柱為整個監(jiān)測區(qū)域的位移較大區(qū)域，隔離礦柱與隔離礦柱兩側(cè)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(qū)域位移平均15 mm，與隔離礦柱宏觀發(fā)生的隔離礦柱拱狀冒落相對應(yīng)。隔離礦柱在水平應(yīng)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(tài)下產(chǎn)生剪切破壞。

5 隔離礦柱經(jīng)濟價值分析

基于理論計算、數(shù)值分析可知預(yù)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(qū)、松散巖體的穩(wěn)定，起到隔離淺部空區(qū)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(yīng)力的作用。

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

由此可見，預(yù)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(wěn)固充填體情況下，當(dāng)隔離礦柱上部采空區(qū)系統(tǒng)處理完，空區(qū)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(jié)論

（1）借鑒露天轉(zhuǎn)地下過程中預(yù)留隔離礦柱技術(shù)，在深部開采過程中，預(yù)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(xiàn)淺部空區(qū)處理、殘礦回收與深部開采的互不干擾、并行作業(yè)，保證礦山在深部開采采礦方法更換過程中的產(chǎn)能平穩(wěn)過渡、生產(chǎn)順利銜接。同時作為承載礦柱，降低深部開采的垂直應(yīng)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(jié)果顯示25 m厚的原巖隔離礦柱可以達到預(yù)期效果?；跀?shù)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(qū)變化規(guī)律，表明25 m厚的原巖隔離礦柱滿足安全生產(chǎn)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(xù)梯度加載下，經(jīng)歷穩(wěn)定持壓階段、微裂隙產(chǎn)生發(fā)展階段和自然隔離礦柱失穩(wěn)階段3個階段，經(jīng)歷了裂隙的迅速擴展后進而發(fā)生破壞失穩(wěn)。隔離礦柱失穩(wěn)時對應(yīng)的加載壓力為自重應(yīng)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(chǎn)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(yīng)該進行回收，以降低礦石損失與浪費。