矿柱回采稳定性数值模拟

矿柱回采稳定性数值模拟
张晨洁;刘涛;严文炳;柴衡山
【摘要】根据矿柱的分布特征,制定了矿柱的回采顺序,并建立了矿房矿柱回采模型,对矿柱的回采过程进行了数值模拟分析.模拟结果显示,矿房开挖后位移等值线呈拱形分布,最大位移位于采空区顶板区域,矿柱回采前后位移量变化不大;矿房回采后采空区顶板局部区域表现出拱形拉应力区,越靠近采空区拉应力区范围和拉应力值也越大;空区顶板出现剪应变增量的拱形贯通区域,且矿柱回采后拱形贯通区域范围较大,永久矿柱可能发生剪切变形以致破坏.
【期刊名称】《矿业工程》
【年(卷),期】2018(016)005
【总页数】4页(P55-58)
【关键词】矿柱;采空区;数值模拟;回采方案
【作者】张晨洁;刘涛;严文炳;柴衡山
【作者单位】西北矿冶研究院,甘肃白银730400;西北矿冶研究院,甘肃白银730400;北京科技大学土木与资源工程学院,北京100083;西北矿冶研究院,甘肃白银730400;西北矿冶研究院,甘肃白银730400
【正文语种】中文
【中图分类】TD8
0 引言
随着浅部资源的逐步消耗，对残留矿柱的回收成为矿山寻求持续发展的有效途径，尤其是空场法，矿房回采结束后，采场内约滞留了40%的矿柱矿量，若能对该部
分矿量进行有效回收，对矿山的经济效益将有显著的影响[1]。

采场回采结束后，
采空区在矿柱的支撑下处于稳定状态，若矿柱被回收，空区稳定性被打破，应力重新分布，空区有可能发生破坏，如何回收矿柱、矿柱的回收顺序对于空区的稳定性都有着重要影响[2]。

哈密博伦矿业位于新疆与甘肃交界处，下属的白山泉铁矿年生产矿石量200万t，矿山采用分区回采方式，竖井开拓，矿山采用的采矿方法为分段凿岩阶段空场法，采场长度50 m，高度50 m，采场宽度为矿体厚度，顶柱厚度5 m，间柱7.5 m，底柱厚度6 m，底部出矿。

矿山现阶段一中段已回采完毕，但二中段由于开拓工
程还没完成，因此造成矿山形成了暂时无矿可采的被动局面，为了稳定生产，矿山决定将一中段残留的大量矿柱进行回收。

笔者根据矿柱的分布特征，制定了矿柱的回采顺序，并建立了矿房矿柱回采模型，对矿柱的回采过程进行了数值模拟分析，为矿柱的安全回采提供了技术支持。

1 矿柱回采数值模拟
1.1 基本简化与假设
——开挖矿体倾角为固定值。

根据矿体产状特征，矿体倾角60°～85°，本模型中取矿体倾角为71°。

——矿岩类型采用单一岩性。

矿体模型不考虑不同成分及含量等对矿体力学参数
的影响；围岩力学参数通过求取区域内不同类型岩性岩体参数的权值平均值获得。

——将矿体和围岩视为均质且各向同性的理想弹塑性体，塑性流动并不改变材料
强度及各向同性，体积保持不变。

——岩层内部为连续介质。

根据现场调查结果，区域内矿岩体完整性较好，无大
的断层或破碎带，此处不考虑岩体中结构面、裂隙等影响。

——不考虑地下水的影响。

1.2 物理力学参数
岩力学参数确定是进行数值模拟计算的前提与基础，合理选取矿岩力学参数对数值计算结果的准确性、后期进行稳定性分析的正确性具有较大影响。

此处，采用目前较常用方法，即对岩块力学参数进行折减的方法确定矿岩力学参数。

采用Hoek-Browk准则确定矿岩的力学参数，同时结合现场工程地质调查结果中矿岩体的结
构等特征对矿岩力学参数进行修正，得到的矿岩力学参数见表1。

表1 矿岩力学参数类型容重/KN·m-3抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量
/GPa泊松比内摩擦角(°)粘聚力/MPa围岩28.4280.774.337.820.2735.172.92矿体35.1871.373.535.120.2537.262.48
1.3 矿柱回采顺序
在56～60线共分布了10个矿柱，其中位于中部的5号矿柱矿量最大，通过结合现场实际情况和各个矿柱的矿量，最终确定预留1、3、4、6号矿柱支撑采空区，其余矿柱进行回收。

回收顺序为8、9、10、7、5、2号矿柱。

图1 矿房与间柱模型
1.4 矿柱回采数值模拟
根据间柱回采顺序确定三采区一中段矿柱回采数值模拟计算步骤：1)对网格模型赋予材料属性，进行自重应力场计算；2)对矿房进行开挖计算；3)依次进行8、9、10、7、5号及2号间柱回采计算。

同样计算过程中在矿柱及顶板等关键位置布置合适的监测点。

矿房与间柱模型见图1。

对计算结果进行分析时，为方便进行矿柱与采空区侧帮、顶底板的应力、应变分布规律，进行沿矿体走向和垂直矿体走向方向二维剖切，两个剖面位置见图2。

1号剖面垂直于矿体走向，该剖面上的相关结果可用于分析矿柱回采过程中矿房顶底板与侧帮位移与应力等的变化特征。

2号剖面为沿矿体走向，且通过3号矿柱中心点，
剖面经过多数矿柱，该剖面上的相关结果可用于分析三采区矿柱回采过程中采空区及矿柱位移与应力等的变化特征。

图2 剖面位置图
图3 自重应力场
图4 矿房回采后沿1号剖面的Z方向位移云图
图5 矿柱回采后沿1号剖面的Z方向位移云图
图6 矿柱回采后沿2号剖面的Z方向位移云图
图7 矿柱回采后沿2号剖面的z方向应力云图
图8 矿柱回采后沿2号剖面的最小主应力云图
图9 矿柱回采后沿2号剖面的最大主应力云图
图10 矿房回采后沿2号剖面的剪应力云图
图11 矿柱回采后沿2号剖面的剪应力云图
图4～6显示了矿房回采后与矿柱回采后的位移特征，位移等值线呈拱形分布，最大位移位于采空区顶板区域，从提取的最大位移值看，矿房回采后的最大位移节点编号为5310，最大位移为0.381 cm，矿柱回采后的最大位移节点编号为555，
最大位移为0.5 cm，矿柱回采前后位移量变化不大，为0.119 cm。

图7～9显示了三采区矿柱回采后Z方向应力、最大主应力、最小主应力的分布情况，从显示结果看，矿房回采后与矿柱回采后采空区顶板局部区域表现出拱形拉应力区，越靠近采空区拉应力区范围和拉应力值也越大，由此在拉应力作用下，采空区周围岩层可能发生拉伸破坏，导致采空区周围岩层发生局部片帮冒顶等地压活动。

相比于矿房回采后情况，矿柱回采后回采矿柱两边采空区顶板拉应力区出现贯通情况，形成相对增大的拱形拉应力区；相同区域的拉应力值也略有增大，其最大拉应力值从0.325 MPa增为0.439 MPa。

但总体来说，拉应力区域范围不大，且拉应力值远小于围岩岩体抗拉强度4.33 MPa，因此不会发生拉应力作用下的围岩岩体
整体失稳破坏。

图9与图10为三采区矿房回采后与矿柱回采后的剪应变增量云图，采空区顶板出现剪应变增量的拱形贯通区域，且矿柱回采后拱形贯通区域范围较大，其剪应变增量值也相对较大，故会发生采空区拱形冒落；从矿柱剪应变增量值大小来看，矿房回采后1、3、4号和6号永久矿柱剪应变增量值平均为1.2×104，矿柱回采前后，永久矿柱剪应变增量略有增大，可能发生剪切变形，如果矿柱长期受荷载作用，那么就可能进一步发生剪切破坏。

分析整个数值计算结果，矿房与矿柱回采后，采空区顶板会发生拱形冒落，永久矿柱剪应变增量略有增大会发生剪切变形，如果矿柱长期受荷载作用，那么就可能进一步发生剪切破坏，引发地压活动。

3 结语
——矿房回采后位移等值线呈拱形分布，最大位移位于采空区顶板区域，矿柱回
采后位移略有增大，但变化量不大。

——矿房回采后采空区顶板局部区域表现出拱形拉应力区，越靠近采空区拉应力
区范围和拉应力值也越大，矿柱回采后回采矿柱两边采空区顶板拉应力区出现贯通情况，形成相对增大的拱形拉应力区，相同区域的拉应力值也略有增大，但总体来说，拉应力区域范围不大，且拉应力值远小于围岩岩体抗拉强度，不会发生拉应力作用下的围岩岩体整体失稳破坏。

——采空区顶板出现剪应变增量的拱形贯通区域，且矿柱回采后拱形贯通区域范
围较大，其剪应变增量值也相对较大，故可能发生采空区顶板的拱形冒落，矿柱回采前后，永久矿柱剪应变增量略有增大会发生剪切变形，如果矿柱长期受荷载作用，那么就可能进一步发生剪切破坏，引发地压活动，矿柱回采后应及时处理采空区，有效控制地压，避免采空区发生拱形冒落。

参考文献：
【相关文献】
[1] 郑能，刘金明，黄敏，等．残矿回收合理回采顺序数值模拟研究[J]．采矿技术，2012(5)：11-12,66．
[2] 张海波，宋卫东，付建新．大跨度空区顶板失稳临界参数及稳定性分析[J]．采矿与安全工程学报，2014(1)：66-71．。