吳榮高，東龍賓，何 祥

(1.南京寶地梅山產(chǎn)城發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司，江蘇 南京 210000；2.中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

崩落法開采是通過崩落圍巖來實現(xiàn)地壓管理，而充填法開采需要先形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的空場，以滿足采礦要求。如果礦山前期采用崩落法進行開采，后期過渡為充填法進行開采，則需要在二者直接留設(shè)一定厚度的隔離礦柱，以保證兩開采區(qū)域之間互不干擾，實現(xiàn)采礦方法由崩落法向充填法順利過渡[1-2]。國內(nèi)外針對崩落法轉(zhuǎn)充填法隔離礦柱的研究，已取得了大量成果[3-5]，采用的研究手段多為厚跨比、結(jié)構(gòu)力學(xué)、普氏拱理論等經(jīng)驗公式法以及數(shù)值模擬法等，礦柱的形態(tài)多為水平礦柱、垂直礦柱或者三角礦柱，而對于傾斜礦柱的研究相對較少。此外，采用經(jīng)驗或者理論公式進行隔離礦柱穩(wěn)定性分析存在一定的局限性，因崩落法開采范圍內(nèi)存在大量圍巖冒落體，其假設(shè)條件很難滿足，同時公式中安全系數(shù)的選取也多是基于工程經(jīng)驗確定，缺少定量的標(biāo)準(zhǔn)，此外以往關(guān)于露天轉(zhuǎn)地下開采隔離礦柱厚度的研究成果也很難直接借鑒到崩落法轉(zhuǎn)充填法的開采實踐中[6]。數(shù)值模擬法能較好的考慮各種影響因素，能在一定工程條件下分析隔離礦柱的應(yīng)力、變形等因素，得到其安全狀態(tài)。本文以梅山鐵礦為工程背景，通過數(shù)值模擬，基于點安全度法，研究深部崩落法轉(zhuǎn)充填法開采過程中傾斜隔離礦柱的穩(wěn)定性，為崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的安全可靠性提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

梅山鐵礦位于江蘇省南京市西南郊，北距南京市中心14 km，寧蕪鐵路和寧蕪公路從礦區(qū)通過，西距長江5 km，水陸交通十分暢通。礦山1965年開始建設(shè)，經(jīng)一期工程、一期延深工程、二期擴建工程，現(xiàn)已建成生產(chǎn)能力為400萬t的大型地下礦山。

梅山鐵礦屬礦石類型多樣、礦化階段多期、鐵礦物質(zhì)多源的多種成因類型的鐵礦床。鐵礦體為盲礦體，空間上主礦體呈單一巨型透鏡體狀，向北東傾伏，傾伏角20°左右，礦體投影面積約0.8 km2，控制礦體長1 370 m，寬824 m，最厚為292.50 m，最薄為2.56 m，平均厚134 m，長寬之比為1.6：1，資源儲量大于3億t，屬大型鐵礦床。主礦體頂板標(biāo)高由-34 m至-327 m，高差為293 m；底板標(biāo)高由-169.4 m至-524 m，高差為354.6 m。礦體分布范圍約0.8 km2，礦體平面投影呈橢園形，長軸方向為NE20°左右，在剖面上呈凸透鏡體狀，向四周傾伏，向北東傾伏角20°左右，并向北西側(cè)伏。主礦體空間上呈單一巨型透鏡體狀，鐵礦體西南部埋藏較淺，西北部埋藏較深；富礦埋藏深度在-50 m至-350 m之間，貧礦分布在富礦的下部及邊部。礦體中心部厚度大且富，向邊部穿插分枝變薄變貧。富礦與貧礦為連續(xù)過渡關(guān)系，呈互層狀產(chǎn)出。礦區(qū)富礦TFe含量最高者可達66.06%，平均品位49.24%，貧礦TFe平均品位32.93%，全礦區(qū)TFe平均品位39.14%。

礦體頂?shù)装鍑鷰r主要為侏羅陸相火山巖系，包括輝石安山巖、黑云母安山巖、凝灰角礫巖、矽化高嶺土化安山巖、輝長閃長玢巖等。礦體在-330 m以下近礦圍巖多以黑云母安山巖、矽化高嶺土化安山巖、凝灰角礫巖以及輝長閃長玢巖為主。由于巖石局部遭受不同程度的蝕變，巖體較破碎，巖石強度低，穩(wěn)定性差，巖石的可崩性較好。總體來看，開采后工程地質(zhì)條件變化不大，目前礦山采用無底柱分段崩落法開采，上一個中段或分段的采場頂部覆蓋巖層產(chǎn)生崩落，并以拱形向上發(fā)展，待其發(fā)展到地表構(gòu)成了一個楔形漏斗，隨著開采深度的增加，楔形體逐漸下降，四周圍巖由于失去支撐面而呈棱柱狀體下滑，在地表形成臺階狀下沉，造成地面塌陷區(qū)。

根據(jù)梅山鐵礦中長期采掘規(guī)劃，礦山崩落法開采范圍的礦體開采結(jié)束后，將進行邊部壓覆礦體的開采，為保護地表設(shè)施和建構(gòu)筑物，壓覆礦體采用充填法進行開采。

2 計算模型與參數(shù)

根據(jù)開采范圍和采礦方法，此次計算考慮三個方案，分別為：方案一，隔離礦柱厚度20 m；方案二，隔離礦柱厚度25 m；方案三，隔離礦柱厚度30 m。

采用有限差分法計算軟件FLAC3D對模型進行計算，建模過程中對計算模型進行了相應(yīng)的假設(shè)。首先假設(shè)各種介質(zhì)巖體為連續(xù)的介質(zhì)，保證本構(gòu)方程和運動方程的連續(xù)性；其次，假設(shè)巖層介質(zhì)是均勻且各向同性的，是理想的彈塑性體，保證巖體在各方向的力學(xué)性質(zhì)一致；最后，假設(shè)單元是小變形的，以忽略高階微分小項，簡化計算。

根據(jù)分析范圍和開采過程，建立模型的水平尺寸為x×y×z=730 m×300 m×400 m，計算模型見圖1，模型信息見表1。計算采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，模型的四周和底部均用位移邊界條件，頂部為載荷邊界條件。根據(jù)上覆巖層自重，原巖區(qū)域表明施加荷載3.9 MPa，崩落散體區(qū)域表面施加荷載0.9 MPa。巖體計算參數(shù)見表2。

(a)完整模型

表1 模型信息表

表2 物理力學(xué)參數(shù)

3 基于點安全度法的穩(wěn)定性評價

礦體開采結(jié)束，進行應(yīng)力-應(yīng)變分析后，可得到巖體不同部位的應(yīng)力狀態(tài)以及是否發(fā)生破壞，但是難以直接衡量巖體的穩(wěn)定程度，是否有安全儲備。點安全度可作為當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下的破壞接近度局部指標(biāo)。設(shè)當(dāng)前的最大和最小主應(yīng)力分別為 σ1和 σ3，當(dāng)前的Mohr圓見圖2。固定σ3，并擴大Mohr圓使之與 Mohr-Couloumb包絡(luò)線相切，則可得到一個新的最大主應(yīng)力σ1′，于是點安全度可以定義為：

(1)

圖2 點安全度計算示意圖

可見，如果某部位的應(yīng)力狀態(tài)正處在剪切破壞狀態(tài)，則Fp等于1。點安全度能直觀的反應(yīng)圍巖不同部位的穩(wěn)定程度，可對一段巖體的安全穩(wěn)定性判斷起到一定的指導(dǎo)作用。

考慮隔離礦柱生產(chǎn)期間的穩(wěn)定性(后期不回收)，此次分析礦柱的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)取值1.5。具體計算結(jié)果如下：

隔離礦柱20 m條件下，開采結(jié)束后的塑性區(qū)和點安全度分布見圖3。由計算結(jié)果可見，隔離礦柱塑性區(qū)主要分布在充填開采區(qū)域一側(cè)，塑性區(qū)厚度約為5.8 m，主要為拉伸破壞，在礦柱的“根部”出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，近乎貫通，主要為拉剪混合破壞；從點安全度分布來看，礦柱的中上部安全系數(shù)大于1.5，在礦柱的下部及臨近崩落法開采的一側(cè)，安全系數(shù)低于1.5，其中在“根部”區(qū)域安全系數(shù)僅為1.1～1.01，安全儲備不足，在部位發(fā)生破壞有可能引起上部礦柱的連鎖破壞。

(a)塑性區(qū)分布

隔離礦柱25 m條件下，開采結(jié)束后的塑性區(qū)和點安全度分布見圖4。由計算結(jié)果可見，隔離礦柱塑性區(qū)也是主要分布在充填開采區(qū)域一側(cè)，塑性區(qū)厚度變化不大，約為6 m左右，主要為拉伸破壞，在礦柱的“根部”仍然出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，呈現(xiàn)貫通趨勢，主要為拉剪混合破壞；從點安全度分布來看，礦柱的中上部安全系數(shù)大于1.5，安全系數(shù)低于1.5的范圍有所減少，安全性有所改善，安全系數(shù)最小的位置位于礦柱“根部”區(qū)域，最小安全系數(shù)約為1.05～1.01，該部位是發(fā)生巖體失穩(wěn)的潛在部位。

(a)塑性區(qū)分布

隔離礦柱30 m條件下，開采結(jié)束后的塑性區(qū)和點安全度分布見圖5。由計算結(jié)果可見，塑性區(qū)和點安全度的分布均有明顯改善，塑性區(qū)主要在臨近采空區(qū)的一側(cè)出現(xiàn)厚度約4 m的塑性區(qū)，破壞模式主要為拉伸破壞，方案一和方案二中出現(xiàn)的“根部”拉剪破壞集中區(qū)已消失。從點安全度分布來看，安全系數(shù)小于1.5的區(qū)域主要集中在礦柱下部根部，最小安全系數(shù)約為1.05，但主要分布在局部，可能會產(chǎn)生小范圍的局部破壞，總體安全狀態(tài)良好。

(a)塑性區(qū)分布

綜上所述，方案一安全狀態(tài)較差，方案二的安全狀態(tài)基本能滿足要求，方案三安全狀態(tài)最好，可滿足安全開采的需求。因此，綜合考慮礦柱的受力狀態(tài)、塑性破壞區(qū)分布特征，以及點安全度分布規(guī)律，建議隔離礦柱厚度取30 m。

4 結(jié)語

1)隔離礦柱靠近充填法開采一側(cè)主要破壞模式為拉伸破壞，礦柱的“根部”是潛在破壞區(qū)，主要為拉剪混合破壞。隨著礦柱厚度的增大，塑性區(qū)的體積呈減小趨勢，厚度為20 m時近乎貫通，厚度為30 m時，塑性區(qū)分布范圍較小。

2)從點安全度計算結(jié)果來看，礦柱中上部的安全性較好，安全系數(shù)基本都大于1.5，靠近礦柱下部的位置，安全系數(shù)明顯減小，20 m時部分位置安全系數(shù)僅為1.05～1.01，25 m時部分位置安全系數(shù)僅為1.05～1.1，30 m時安全系數(shù)小于1.5的范圍很小，只在礦柱下部的局部存在。

3)礦柱穩(wěn)定性受上部散體壓力、礦柱厚度、開采方法、工程地質(zhì)條件等多重因素影響，經(jīng)數(shù)值模擬分析，建議隔離礦柱厚度為30 m。