隔一采一矿柱空场回采嗣后放顶处理空区数值分析

米继武，李永辉

(1.河北崇礼紫金矿业有限责任公司， 河北崇礼县 076350；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012)

隔一采一矿柱空场回采嗣后放顶处理空区数值分析

米继武1，李永辉2

(1.河北崇礼紫金矿业有限责任公司， 河北崇礼县 076350；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012)

数值模拟研究对象为崇礼紫金70号脉1304～1224m 3中段厚大矿体部分，通过模拟矿柱回采及空区处理过程中采空区周围岩体的应力分布规律和位移变化情况，对采空区及矿柱的稳定性分析评价，以寻求适宜、安全、高效率的矿柱回采顺序及空区处理方案。

空场采矿法；应力分布；位移；空区处理；数值模拟

1 计算域的选取及计算模型的离散化

计算域的大小对数值模拟有重要影响，计算域要取得适中，既保证计算工作的顺利进行，又要保证计算结果具有一定的精度。根据弹塑性力学理论可知，在有限元的计算中，可以把3～5倍开挖的区域作为计算域。为了满足计算需要和保证计算精度，本次计算采用的模型尺寸取为所开挖范围的3倍。

70号脉1304～1224m3中段矿体倾角25°，真厚度35m，中段高度40m。沿矿体走向划分为10m宽的一步骤采场和20m宽的二步骤采场，采场长为矿体厚度35m。矿区地势西低东高，西部地表标高1470m，东部地表标高1570m，中部有一26.6°的坡面，各中段代表其实际的赋存标高。

根据矿区的地形地势及矿体赋存位置的实际情况，本着模型上的覆岩层厚度与实际采场深度相当的原则建立模型，其长×宽×高尺寸为1938m×1120m×472m(左端)/572m(右端)，即沿倾向长度取1938m(X方向)，沿矿体走向取1120m(Z方向)，沿铅垂方向取572m(Y方向)。模型示意见图1。

图1 计算模型

根据数值模拟离散化原则对计算模型进行了单元划分，“隔一采一矿柱空场回采嗣后放顶处理空区”方案模型划分单元8022个，节点34996个。“超前顺序回采矿柱连续放顶处理空区”方案模型划分单元8090个，节点34538个。

2 初始地应力及边界约束条件

研究范围内采场距离地表均在400m以下，假定模型初始地应力基于完全由重力引起的，因此，垂直应力与到地表的距离成比例，水平2个方向的应力，即侧压由泊松比μ算出，侧压系数F计算公式如下:

根据已有的岩石力学数据:上盘围岩泊松比为0.26、下盘围岩泊松比0.3、矿体泊松比0.22、充填体泊松比0.33，经上式计算得出矿体及上、下盘围岩的侧压系数分别为0.282，0.351和0.429。

由于采动的影响范围是有限的，可将模型边界处的位移视为零。计算原岩应力时边界采取位移约束:在YOZ相对两个侧面上节点在x方向约束，即滑动铰支座；XOY相对两个侧面上节点在z方向约束，即滑动铰支座；Y＝998底面上，进行X、Y、Z方向约束，即固定铰支座；Y＝1570平面为自由面，不进行任何约束。

在模型中输入相关参数后得出矿岩体初始应力值，其中1304m中段的σy＝4.36 MPa，铅垂方向；σx＝1.229 MPa，与矿体倾向一致；σz＝1.229 MPa，与矿体走向一致。1304m中段距离地表166m，σy值与按照公式γH＝(1470－1320)×0.026＋(1320－1304)×0.0263＝4.32(MPa)计算的垂直地应力值4.36 MPa接近，σx和σz与下式算出的两个水平应力值1.247 MPa接近。模拟与假设相吻合，初始应力场符合现场实际情况。

3 数值模拟的计算方案

为研究不同矿柱回采及空区处理顺序对空区周围岩体稳定性的影响，并定量地反映回采过程中矿岩的应力变化规律、破坏等情况，针对两空区处理及矿柱回采方案进行分步骤计算模拟，其模拟步骤如下:

(1)原岩应力的计算；

(2)回采三个中段所有10m矿房；

(3)回采1304m中段1＃、3＃、5＃和7＃矿柱；

(4)1304m中段已回采采场放顶15m；

(5)1304m中段已回采采场再放顶15m；

(6)回采1264m中段1＃、3＃、5＃和7＃矿柱；

PPP模式下，社会资本作为专业的投资人进行项目的开发建设，政府则作为公共服务的提供者和监督者为社会资本提供政策和法律支持，虽然政府也可以出资或以资产作价入股，但理论上不超过50%，实际中通常不超过30%，避免了政府直接举债，转移了政府的融资风险[1]。

(7)1264m中段已回采采场放顶15m；

(8)1264m中段已回采采场再放顶15m；

(9)回采1224m中段1＃、3＃、5＃和7＃矿柱；

(10)1224m中段已回采采场放顶15m；

(11)1224m中段已回采采场再放顶15m；

(12)1264m中段已回采采场放顶15m。

4 计算结果及分析

为便于分析，将各中段从西至东20m矿柱采场依次编号为1＃～7＃，见图2。

图2 各中段20m矿柱采场分布示意

各中段7＃矿柱埋藏深度要比其余矿柱大，回采及采空区处理后其应力分布将作为分析比较的重点，中部区域5＃采空区应力分布也十分重要，因此，选取5＃和7＃矿柱采空区对其上盘围岩及顶底板应力分析。间隔回采矿柱后，4＃和6＃矿柱将产生岩体应力集中，矿柱稳定性分析中则将选取4＃和6＃矿柱进行分析比较，详见图3～图6。

图3 1304～1224m中段采空区顶板各模拟步骤最大主应力对比

通过对该方案各模拟步骤采空区顶底板、上盘围岩体及矿柱主应力分布图的分析比较，得出如下结果。

(1)受中段采场埋深影响，同一中段各采空区顶底板、上盘围岩体及矿柱的初始应力随埋深而不同，其主应力值随回采与空区处理过程而呈规律性变化。

(2)回采3中段10m矿房后，其端部两采空区上盘围岩体处分别形成30m宽的应力集中带，其中1224m中段7＃矿房采空区上盘围岩体主应力最大，最大压应力值为－9.774 MPa。

(3)从上盘围岩体主应力对比图可知，回采过程空区上盘围岩体产生应力集中，应力集中系数随回采工作的向下推进而逐渐增大。间隔回采3中段矿柱前，其采空区上盘围岩体受双向压应力作用，5＃与7＃采空区上盘围岩体的主应力值相差不大。从间隔回采到模拟过程结束，相应采空区上盘围岩体周边区域受双向压应力，5＃采空区最大压应力值高于7＃采空区；中部局部区域为双向拉应力区，7＃采空区最大拉应力值高于5＃采空区。可知，11步骤模拟后5＃采空区上盘围岩体进一步拉破坏的可能性较7＃采空区小，其剪切破坏较7＃空区大。

图4 1304～1224m中段采空区上盘围岩体模拟步骤最大主应力对比

图5 1304－1224m中段采空区底板各模拟步骤最大主应力对比

图6 1304～1224m中段矿柱各模拟步骤最大主应力对比

(4)从底板岩体主应力对比图得知，间隔回采三中段矿柱前，其采空区底板主要受双向压应力作用，5＃与7＃空区底板的主应力值相差不大。从间隔回采到模拟过程结束，相应中段底板中部受单向拉应力作用，其最大拉应力5＃采空区要低于7＃采空区；相应中段底板中部靠近上盘围岩处受双向压应力，且压应力集中显著，最大压应力5＃采空区要高于7＃采空区。可见，11步骤模拟后5＃采空区底板拉破坏的可能性较7＃采空区大，其剪切破坏可能性较7＃空区小。

(5)从矿柱主应力对比图得知，间隔回采矿柱的过程使得2＃、4＃和6＃矿柱与采空区上盘围岩体的夹角部位产生应力集中，应力集中系数随两步骤放顶而减小。间隔回采到其放顶过程结束，4＃、6＃矿柱中部偏上盘局部区域受单向拉应力作用，其值均有所减小；其余部位受双向压应力作用，最小压应力值有所增加，最大压力应值逐渐减小。可见，放顶对降低2＃、4＃和6＃矿柱中部的最大拉应力和其余部位的最大压应力值有一定的作用。

4.2 位移分布状态的分析

在采空区顶底板及上盘围岩的位移状态中，如果垂直位移过大，将直接导致采空区顶板冒落，严重时会引起地表沉陷，因此垂直位移比水平位移重要，其位移分析中取Y位移值；矿柱的位移状态中，过大的水平位移将直接导致矿柱失稳，而且垂直方向Y位移也十分重要，因此2＃、4＃和6＃矿柱位移分析中取Z位移和Y位移值，具体位移值如表1和表2所示。

表1 各模拟步骤采空区顶底板及上盘围岩体最大位移变化情况

通过对表1和表2进行归纳总结，分析结果如下。

(1)采空区周围岩体的位移影响范围约为采空区跨度的一倍左右，在此范围以外其位移和变形值均较小。

(2)间隔回采10m矿柱后，不同中段的不同采空区周围岩体位移值有所不同，最大值一般发生在低中段中部采空区。1224m中段2＃～6＃采空区上盘围岩体中部和顶板中部靠近上盘沉降位移分别为10mm和6mm，1264m中段3＃～5＃空区底板中部靠近下盘处上升位移为10mm。

(3)从顶板沉降位移变化情况可以看出，围岩充填体对顶板沉降位移有缓冲作用，致使放顶后的一段时间内顶板位移增加缓慢。但随着回采工作向下推进，回采中段的相应采空区顶板沉降位移值逐渐增大。

(4)从底板位移变化情况可知，各中段空区底板均出现了不同程度上向位移，其位移值随回采工作向下推进而增加，随放顶工作而略有减小，整体呈增长趋势。空区底板在变形上表现为底鼓现象。在整个模拟过程中1304～1224m 3中段各空区底板上升位移变化分别为18～25mm、20～27mm和25～27mm。

(5)从矿柱位移变化情况可知，矿柱垂直位移值Y随回采工作向下推进而增加，从11mm增加到17mm；水平位移值Z表示矿柱边壁向采空区的移动值，从4mm增加到7mm。放顶在一定程度上减缓了矿柱的垂直位移和水平位移值。

表2 各模拟步骤矿柱最大位移变化情况

〛周崇仁，黄存绍，曾 耀.矿柱回采与空区处理[M].北京:冶

[1]金工业出版社，1989

[2]长沙矿山研究院，河北省崇礼县紫金矿业.东坪金矿厚大矿体采矿方法及70号脉整体回采方案设计[R].长沙:长沙矿山研究院有限责任公司，2000.

[3]李清望，任凤玉.矿山采空区的冒落规律研究及其监控措施[J].有色矿山，2001，30(2)〛

[4]牛建华，王茂森.洛阳钼矿采空区的稳定性仿真分析与研究[D].长春:吉林大学，2007.

2015-03-20)

米继武(1970－)，男，河北沽源县人，工程师，从事矿山开采工作，Email:244930872＠qq.com。