張貴銀

(中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司，北京 朝陽 100020)

0 引 言

我國自1967年開始先后在全國數(shù)百個礦山采用條帶開采法開采“三下(位于地表水體、建筑物和鐵路下)”壓礦，條帶開采方案設(shè)計時應(yīng)考慮兩個方面的問題，一是條帶開采后地表不應(yīng)出現(xiàn)波浪形下沉盆地，二是保留條帶寬度能夠支撐上覆巖層的載荷，在此原則基礎(chǔ)上應(yīng)盡量提高采出率[1]。某礦3#厚礦體位于某村莊下，前期首采區(qū)試采后出現(xiàn)地表下沉較大，如后續(xù)采區(qū)繼續(xù)采用全面開采方法，則地表村莊建筑物安全難以保證，甚至?xí)霈F(xiàn)下沉塌陷等生態(tài)環(huán)境事件[2]。針對上述村莊壓礦難題，組織專家論證后采用條帶開采方案以控制地表移動變形，開采后保留礦柱能否對上覆巖層有效支撐，且能夠保持長期穩(wěn)定關(guān)系到條帶開采的成敗。條帶開采礦柱穩(wěn)定性理論主要有：尺寸效應(yīng)理論、礦柱的載荷和礦柱強(qiáng)度理論[3]。一般認(rèn)為在保留礦柱內(nèi)部存在彈性核區(qū)時，礦柱處于三向受力狀態(tài)，英國A.H.Wlilson提出了兩區(qū)約束理論，即礦柱兩側(cè)為塑性區(qū)，中部為彈性區(qū)。本文在前人礦柱穩(wěn)定性理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合尖點(diǎn)突變理論分析了設(shè)計參數(shù)的合理性，并通過計算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，摸清了礦柱變形破壞規(guī)律。但一般礦體含有軟弱夾層、裂隙，具有顯著的流變性，并且礦柱受地下水的作用其蠕變變形速度加劇，導(dǎo)致礦柱的長時強(qiáng)度進(jìn)一步降低，更易發(fā)生失穩(wěn)破壞[4-5]。目前針對復(fù)雜地質(zhì)條件下，復(fù)合多因素共同作用于礦柱時，影響因子的敏感性有待進(jìn)一步研究。近年來隨著非線性科學(xué)理論在巖土工程領(lǐng)域的飛速發(fā)展、計算機(jī)數(shù)值模擬軟件的開發(fā)，礦柱穩(wěn)定性研究已經(jīng)滲透了多學(xué)科知識，如數(shù)值模擬FLAC3D軟件在地下礦山開采領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。本文研究對于類似條件下提高“三下”礦產(chǎn)資源回收率和控制地表沉陷具有一定借鑒意義。

1 條帶礦柱穩(wěn)定性影響因素分析

影響條帶礦柱穩(wěn)定性的因素較多，大致可分為地質(zhì)和采礦因素[7]。

1.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是礦體賦存條件決定的，是先天存在的，地質(zhì)條件穩(wěn)定與否關(guān)系到條帶開采中條帶礦柱能否保持長期穩(wěn)定。主要包括地質(zhì)構(gòu)造、傾角、賦存深度、地應(yīng)力和地下水等因素，而地應(yīng)力是影響礦柱穩(wěn)定性的重要因素之一。

條帶開采礦柱失穩(wěn)破壞的根本原因?yàn)槌跏紤?yīng)力被擾動后重新平衡。條帶開采礦柱的變形破壞形態(tài)取決于地應(yīng)力場和其物理力學(xué)特性，一般來說地應(yīng)力隨采深的增加而增加，且礦柱內(nèi)應(yīng)力增大幅度大于一側(cè)采空的實(shí)體，如圖1所示。

圖1 條帶開采地應(yīng)力與賦存深度的關(guān)系

1.2 采礦技術(shù)因素

采礦技術(shù)因素對礦柱穩(wěn)定性的影響主要包括：條帶開采參數(shù)(即采寬、留寬)、條帶礦柱的高度、頂板管理方法、采礦工藝方法以及深部開采孤島礦柱防沖措施等。而采場頂板管理方法對礦柱穩(wěn)定性影響較大，礦體頂板在礦柱上方斷裂垮落形成懸臂梁，一般情況下頂板垮落能夠充填一倍以上的采高，使礦柱處于三向應(yīng)力狀態(tài)，礦柱中部為彈性核區(qū)，兩側(cè)為塑性區(qū)，如圖2所示。

圖2 三向應(yīng)力狀態(tài)下礦柱的塑性區(qū)和柱核區(qū)

2 礦柱失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

在條帶開采中當(dāng)?shù)V柱的塑性區(qū)寬度發(fā)展到一定寬度時，礦柱易產(chǎn)生突發(fā)性失穩(wěn)破壞[9]。條帶開采中保留條帶礦柱承受的載荷主要是上覆巖層的自重[9]，如圖3所示。在以往的研究中往往忽略了頂板與礦柱的相互作用，在“三下”壓礦條帶開采中可采用突變理論研究大采深厚礦體條件下礦柱突變破壞失穩(wěn)機(jī)理[9]。

圖3 礦柱屈服區(qū)與彈塑性區(qū)分布

應(yīng)力峰值σ1為礦柱屈服應(yīng)力，礦柱邊界至峰值應(yīng)力σ1區(qū)域稱為塑性區(qū)，其寬度用Y表示，礦柱兩側(cè)塑性區(qū)之間為彈性核區(qū)，如圖3所示。在窄礦柱條件下，礦柱兩側(cè)已經(jīng)采空，礦柱由外向里依次為片幫區(qū)、塑性區(qū)、彈性核區(qū)，這種條件下彈性核區(qū)很小，在開采擾動或者頂板下沉過程中彈性區(qū)極易向塑性區(qū)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致礦柱破壞失穩(wěn)?？梢姡跅l帶開采中，為了維持礦柱的支撐作用，在兼顧回采率條件下應(yīng)該盡量保留寬礦柱，加強(qiáng)回采巷道礦柱側(cè)支護(hù)，使礦柱保持在三向應(yīng)力狀態(tài)下，以提高礦柱的強(qiáng)度。

根據(jù)礦柱失穩(wěn)尖點(diǎn)突變理論，失穩(wěn)臨界點(diǎn)兩側(cè)塑性區(qū)和彈性核區(qū)滿足公式(1)即：

(1)

式(1)即為條帶開采中礦柱發(fā)生突變失穩(wěn)破壞的條件，是礦柱剛度不夠條件下突變失穩(wěn)的判據(jù)，對上式進(jìn)一步整理可得：

(2)

式(2)表明：保留的條帶礦柱中彈性核區(qū)寬度占留設(shè)礦柱寬度的11.92%以下時，礦柱極易發(fā)生突變失穩(wěn)破壞。彈性核區(qū)寬度占留設(shè)礦柱總寬度的11.92%以上時，其穩(wěn)定性較好。因此，礦柱保持長期穩(wěn)定的前提是必須保證一定的核區(qū)寬度。

3 條帶礦柱失穩(wěn)數(shù)值模擬分析

3.1 礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模型的建立

為了掌握該礦3#礦條帶開采過程中保留礦柱的應(yīng)力分布規(guī)律及其變形特征，為設(shè)計合理的開采方案提供理論依據(jù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對條帶開采采寬120 m、保留礦柱90 m的開采方案中礦柱的穩(wěn)定性、塑性區(qū)和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。模擬礦巖體參數(shù)和本構(gòu)模型應(yīng)盡可能地擬合條帶開采的實(shí)際情況，以便與礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，來驗(yàn)證所建數(shù)值模型的適用性。

模型中礦巖體力學(xué)特性可采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則來進(jìn)行約束[12]，模型的長×寬×高=800.0 m×500.0 m×740.0 m，三維數(shù)值計算初始模型如圖4所示，模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4 三維數(shù)值計算初始模型

表1 數(shù)值計算采用的礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 礦柱塑性區(qū)分布結(jié)果

條帶開采結(jié)束后作用在礦柱上的載荷達(dá)到其屈服強(qiáng)度后，此時在礦柱兩側(cè)產(chǎn)生了一定寬度的不可恢復(fù)的塑性變形和破壞，導(dǎo)致礦柱整體的承載能力下降。按照條帶采寬120 m、留寬90 m方案開采后，礦柱的塑性區(qū)分布見圖5。從圖5可以看出：條帶礦柱塑性區(qū)主要分布于礦柱的兩側(cè)及頂、底板巖層中，塑性區(qū)發(fā)育在礦柱與礦體頂、底板角點(diǎn)處達(dá)到最大，大致呈“X”形發(fā)育，塑性區(qū)對圍巖影響較小，且礦柱一側(cè)塑性區(qū)寬度僅為25 m左右。此時彈性區(qū)寬度約為40 m，占礦柱總寬度的44%，根據(jù)尖點(diǎn)突變理論可知礦柱可以保持長期穩(wěn)定。

圖5 條帶開采方案塑性區(qū)分布模擬結(jié)果

3.3 礦柱應(yīng)力分布規(guī)律

受條帶開采擾動，“礦柱-覆巖”應(yīng)力平衡體系會被打破，隨著應(yīng)力的重新分布，保留礦柱中應(yīng)力范圍和大小也會隨之改變，研究礦柱應(yīng)力分布規(guī)律、應(yīng)力水平及其與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系，以判斷礦柱所處應(yīng)力環(huán)境，穩(wěn)定的應(yīng)力環(huán)境是決定礦柱在長期采場礦巖體流變過程中保持穩(wěn)定的關(guān)鍵。

條帶開采后礦柱垂直應(yīng)力分布特征見圖6，根據(jù)模擬結(jié)果可將礦柱劃分為應(yīng)力卸載區(qū)、應(yīng)力高峰區(qū)和彈性區(qū)3部分[13]，且垂直應(yīng)力約為最大主應(yīng)力的1.2倍左右，最大主應(yīng)力中拉應(yīng)力呈兩端高而中間低的“馬鞍形”分布特征，在礦柱內(nèi)存在一定程度的應(yīng)力集中，表明礦柱邊緣塑性區(qū)易發(fā)生拉伸破壞。卸載區(qū)礦柱已經(jīng)完全進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，其承載應(yīng)力急劇下降，且該部分圍巖發(fā)生明顯形變，按照條帶方案開采后卸載區(qū)寬度發(fā)展到20 m，約占礦柱寬度比例的44.4%。位于應(yīng)力卸載區(qū)和彈性區(qū)之間的礦柱為承載高峰區(qū)，此區(qū)內(nèi)礦柱雖然進(jìn)入塑性狀態(tài)，但其處于三向受力狀態(tài)下承載能力較強(qiáng)。采寬120 m、留寬90 m時礦柱應(yīng)力高峰區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.8～2.0，應(yīng)力峰值約為21.3～23.5 MPa，峰值位于塑性區(qū)內(nèi)12 m附近，此時彈性核區(qū)寬度為40 m，且彈性核區(qū)所占礦柱寬度比例44.4%，礦柱穩(wěn)定性較好。

圖6 條帶開采方案應(yīng)力分布云圖

4 條帶礦柱穩(wěn)定性現(xiàn)場監(jiān)測

條帶礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測是一項(xiàng)隱蔽性很強(qiáng)的工程，必須通過現(xiàn)場監(jiān)測信息來判斷礦柱的長期穩(wěn)定性。該工程采用位移監(jiān)測儀和鉆孔應(yīng)力計對礦柱進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測條帶工作面附近和工作面后方礦柱的橫向變形和垂向壓力[14]。通過對監(jiān)測信息進(jìn)行分析，以保證井下施工生產(chǎn)安全，監(jiān)測系統(tǒng)布置平面圖見圖7。

圖7 礦柱穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)布置平面圖

4.1 礦柱橫向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述監(jiān)測方案對3102條帶工作面軌道順槽礦柱布置測站，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制趨勢線，圖8和圖9分別為礦柱不同深度的橫向變形速度和變形量曲線圖。

圖8 礦柱不同深度橫向變形速度

圖9 礦柱不同深度橫向變形量

根據(jù)圖8和圖9可知：礦柱橫向變形速度在其兩側(cè)9 m內(nèi)達(dá)到最大值，橫向位移變形主要發(fā)生在其邊緣18 m范圍內(nèi)，此區(qū)域礦柱已經(jīng)完全發(fā)生塑性破壞；5～9 m范圍內(nèi)礦柱橫向變形速度先增大后減小，說明隨著工作面向前不斷推進(jìn)，冒落頂板圍巖被逐漸壓實(shí)，礦柱橫向變形速度降低。在橫向變形測點(diǎn)距工作面30～40 m時，礦柱受采動影響逐漸出現(xiàn)微變形，說明3102工作面超前影響距離約為40 m。隨工作面超前監(jiān)測點(diǎn)40 m后，條帶礦柱的橫向變形速度以及變形量開始逐漸增大，說明覆巖基本頂?shù)钠茢嘁呀?jīng)影響到了礦柱的穩(wěn)定性，此時作用在礦柱上的載荷主要為基本頂及其上覆巖層構(gòu)成的外應(yīng)力拱內(nèi)巖體。

4.2 礦柱豎向受力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：礦柱不同深度處豎向載荷受時間、采動影響而變化，如圖10所示。在超前工作面距離為330 m時，12 m深處傳感器數(shù)據(jù)開始顯現(xiàn)，在超前工作面290 m時達(dá)到了應(yīng)力計的最大值，說明該段礦柱承受的載荷較大。在礦柱兩側(cè)3 m深位置受支護(hù)系統(tǒng)約束而處于三向應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)條帶工作面超前測站75 m時，3 m深應(yīng)力計讀數(shù)增大到最大值約10.3 MPa，此時礦柱開始破壞。由于這一強(qiáng)度遠(yuǎn)大于實(shí)際礦巖體的強(qiáng)度，說明巷內(nèi)支護(hù)系統(tǒng)的橫向約束使得礦柱保持在三向受力狀態(tài)下。

圖10 礦柱內(nèi)不同深度處鉆孔應(yīng)力變化曲線

不同監(jiān)測時期礦柱不同深部支承壓力分布情況如圖11所示。由圖11可知：隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，礦柱內(nèi)支撐壓力峰值逐漸向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，在礦柱內(nèi)9～15 m深度位置支撐壓力達(dá)到最大值約13 MPa，而18 m深位置處礦柱應(yīng)力最大僅約為4 MPa，此時礦柱內(nèi)部承受壓力較小，但是隨著時間的推移，18 m深位置處礦柱上支撐壓力逐漸增大并向中部轉(zhuǎn)移[15]。

圖11 不同時期3 m、6 m和18 m深鉆孔應(yīng)力計觀測曲線

5 結(jié) 論

(1)通過對條帶開采礦柱穩(wěn)定性影響因素和破壞機(jī)理分析可知：條帶開采保留礦柱處于三向應(yīng)力狀態(tài)，兩側(cè)為塑性區(qū)，中部為彈性核區(qū)，且彈性核區(qū)寬度占比礦柱總寬度的11.92%以上時礦柱才能夠保持長期穩(wěn)定。

(2)結(jié)合該礦山礦體賦存條件建立了深部厚礦體條帶開采FLAC3D數(shù)值模型，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知：在大采深厚礦體的條件下，礦柱塑性區(qū)寬度為20 m，彈性核區(qū)寬度為40 m，其占礦柱寬度比例44.4%，礦柱應(yīng)力高峰區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.8～2.0，應(yīng)力峰值約為21.3～23.5 MPa，留設(shè)礦柱穩(wěn)定性較好。

(3)通過對條帶礦柱在采礦工作面的推進(jìn)過程的橫向位移和豎向受力進(jìn)行監(jiān)測可知：工作面開采超前影響距離為40 m，條帶礦柱邊緣12 m內(nèi)橫向變形較大，確定了礦柱一側(cè)的塑性區(qū)寬度約為18 m，礦柱上9～15 m深度位置處應(yīng)力達(dá)到峰值，基本上與數(shù)值模擬結(jié)果一致。