深部开采过程中隔离矿柱承载机理及厚度优化

王文军 李家树 徐 帅 吴 超 于清军

（1.甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100；2.成远矿业开发股份有限公司，辽宁 辽阳 111200；3.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；4.赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司，内蒙 古赤峰 025450）

浅部易采矿产资源逐渐枯竭，深部资源成为未来矿产资源开采的必然趋势［1-4］。深部开采过程中，高地应力、高井深、高地温和高承压水以及循环开采扰动的深部开采环境［5］，极易诱发开采过程中的岩爆、大变形及大体积塌方等工程灾害，威胁到人员、设备的安全。特别是在高地应力作用下，巷道、采场等开采工程破坏严重，顶板及上盘岩体频繁冒落，导致开采过程中工程支护成本急剧上升，损失贫化加剧；严重者导致矿体无法开采，造成大量的经济损失［1-2］。

岩体被开挖之前处于平衡状态，开挖破坏了岩层的平衡状态，岩层向新的平衡调整，调整过程中带来的地应力的重新分布，引起开挖工程的变形与破坏，这就是地压显现。当地应力超过岩层的极限平衡状态，岩体就发生变形破坏，导致地下工程灾害的发生。垂直地应力与构造地应力均随开采深度增加而非线性增大，且不可回避、无法避免。针对深部矿产资源高应力的开采环境，研究人员提出了“卸压开采”的理论［6-7］。卸压开采基于应力调控的方法，降低拟开采区域的应力数值，对拟开采区域的工程稳定、开采安全具有积极的意义。卸压开采理论在实际工程实践中主要通过“开采顺序”［8-9］和“卸压爆破”［10-11］来实现。开采顺序调控中主要形成一个“倒置金字塔”的开采顺序，将地应力向两翼及上下盘围岩中进行调控，减小矿体中应力集中。卸压爆破则是利用预裂爆破的方法，切断地应力的传播路径，一定范围内改变地应力的传播路径。采矿实际生产中，借鉴采场预留自然矿柱作为底柱做法，部分学者如许宏亮［12］、赵兴东［13］、李夕兵［14］提出了在深部开采中预留一定量的自然矿柱来隔离深部与浅部开采，起到调节深部应力分布的作用，减少或控制地表岩移。预留自然隔离矿柱操作相对简单，在深部开采中被广泛使用。

本项目依托的某铅锌矿山在开采过程中，上部形成较多空区，空区下存在较多深部矿体尚待开采，提出一种空区下预留一定厚度的原岩矿柱隔离浅部空区与深部待采矿体的解决方案，通过隔离矿柱，实现浅部空区处理与深部矿体开采的平稳过渡。基于理论计算、相似材料物理仿真、数值模拟等方法，揭示了隔离矿柱的作用机制，开展了隔离矿柱厚度的优化。

1 工程概况

某铅锌矿矿体开采现状见图1，矿体倾角约75°，局部厚大部位矿体厚度30～40 m，属于急倾斜厚大矿体。矿体上下盘围岩完整，属Ⅱ、Ⅲ类围岩。浅部厚大矿体采用阶段矿房法，矿房沿着走向布置，段高50 m，长32 m，间柱18 m，顶柱10 m，平底结构出矿；狭窄部位采用浅孔留矿法开采，矿房均不充填。间柱与顶柱通过深孔崩落进行回收。浅部矿体回收后地表出现坍陷，井下空区5万m3仍未处理。空区下深部仍有较多矿量尚未开采。矿山当前的空区处理方式引起了地表塌陷，对地表部分构筑物产生了影响，当前的空区处理方式和开采方式已经不再适合。矿山当前存在的问题是如何保证空区治理与深部资源安全开采。

2 隔离矿柱厚度理论计算

隔离矿柱厚度取决于埋深及围岩物理力学性质。隔离矿柱厚度不宜太小，太小则达不到隔离和承载的目的；由于隔离矿柱自身应力集中导致回收难度大，回收率仅有30%～40%，因而隔离矿柱过于厚大则占用较多的矿产资源。当前用于确定隔离矿柱的方法有荷载传递交线法、厚跨比法、简化梁法、鲁别涅伊特公式等方法。基于依托矿山的实际数据，计算过程如表1所示。当深部矿房跨度B不同时，各方法计算的隔离矿柱厚度H分布规律如图2所示。

矿山开采深度约600 m，矿体水平厚度为30～40 m。深部拟改用阶段矿房嗣后充填采矿法和上向水平充填采矿法。设计最大暴露跨度约25 m。简化梁法、厚跨比法、荷载传递法、鲁别涅伊特方法，对应的境界矿柱厚度分别为26.9 m、17.5 m、12.3 m和25.1 m。4种方法的平均厚度为20 m。基于安全考虑，取安全系数为1.25，则保留境界矿柱的理论厚度为25 m，能够达到境界矿柱的隔离和承载作用。

3 基于数值分析的隔离矿柱厚度优化

3.1 计算模型

通过AutoCAD对地表等高线提取X、Y、Z坐标后，利用Surfer进一步做插值处理，生成与实际相符的三维地表模型。根据各中段平面图与剖面图，在ANSYS中建立三维矿体精细模型，最后导入FLAC3D中进行计算分析。如图3所示，模型长2 300 m，宽1 400 m，高900 m。计算模型采用位移约束，在底面和4个侧面进行约束。在隔离矿柱与矿柱相邻中段的间柱和上方散体中布置9个监测点，编号为A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3。

3.2 计算参数

通过现场地质取样，加工成标准试样后，开展室内岩石力学实验，测试试样的单轴抗压强度、抗拉强度，获得试样的岩石强度指标，并基于Hook-Brown准则进行折减获取其岩体强度；经配比实验获取充填材料的配比及力学参数。折算后的岩体与充填材料的力学参数如表2所示。

3.3 模拟方案

深部矿体采用阶段矿房进行开采，开挖后采用1∶10灰砂比充填材料进行充填。数值分析时分别计算15 m、20 m、25 m、30 m 4种不同厚度的自然矿柱作用下，隔离矿柱及上下盘围岩中的位移和塑性区随深部矿体开采的变化情况。

3.4 计算结果分析

（1）15 m厚隔离矿柱。在15 m厚的自然矿柱作用下深部矿体开挖时自然矿柱内监测点的位移、塑性区如图4所示。由图4可见，隔离矿柱中监测点C1、C2、C3的最大位移分别为67.5 mm、72.7 mm和60.1 mm，表明同一隔离矿柱中部的位移变化量最大，上盘次之，下盘最小。相对于距离隔离矿柱50 m的B组监测点，B2的最大位移为63.38 mm、A2的最大位移为53.01 mm，表明位移监测值均随距离隔离矿柱的距离增大而逐渐减小。

预留15 m厚的自然隔离矿柱，计算平衡后塑性区分布如图5所示。由塑性区分布图5可知，在厚度15 m的自然隔离矿柱作用下，随着深部矿体的开挖自然隔离矿柱中已经形成贯通塑性区，隔离矿柱破坏严重，易导致工程失稳，塑性区的体积占整个隔离矿柱厚度的95%。因此15 m厚隔离矿柱不能满足安全生产需求。

（2）不同厚度隔离矿柱计算结果。15 m、20 m、25 m、30 m厚度隔离矿柱计算得到的监测点位移和塑性区的体积随厚度变化如图6所示。通过图6可以看出，C2、B2、A2三监测点位移均随自然隔离矿柱厚度增大而明显减小。当隔离矿柱厚度超过25 m时，位移逐渐趋于定值，表明隔离矿柱的厚度增大可以有效隔离深部开采对上覆空区和松散岩体的影响，可有效控制地表岩层移动。但隔离矿柱厚度超过25 m，随着隔离矿柱的增大，隔离效果增强作用不大。由不同厚度隔离矿柱中塑性区的占比曲线可见，随着隔离矿柱厚度增大，塑性区的体积占隔离矿柱的有效体积迅速下降。当隔离矿柱厚度在25 m时，塑性区体积仅占总体积的约5%且零星分布，未出现贯通。厚度超过25 m时，塑性区所占比重更低。由此可见，隔离矿柱厚度为25 m时安全性较好。

4 基于物理仿真的隔离矿柱作用机理分析

基于相似材料物理仿真实验平台，通过模拟空场嗣后充填开采深部矿体时自然矿柱与上盘围岩的变形与破坏规律，揭示深部开采时自然隔离矿柱的作用机理。

（1）实验装置。相似材料实验平台采用二维平面实验系统，实验平台装填模型尺寸长×高×厚为2 400 mm×1 100 mm×200 mm，加载系统最大垂直载荷达100 t，水平应力最大载荷达60 t。实验系统如图7所示。采场几何尺寸为长×高=32 m×38 m，结合实验平台的装模尺寸，确定开挖采场几何尺寸为长×高=19.2 cm×22.8 cm，几何相似比为166.7，参考相关实验选取容重比为1.76，经计算强度相似比为1∶290。

（2）材料参数。实验材料采用58#全精炼石蜡，由10～20目和20～40目粒径石英砂按照1∶2的比例混合作为骨料，采用800目重晶石粉作为增重剂。此外加入少量的长城抗压润滑油作为润滑剂便于脱模。经相似准则折算后，矿体与围岩强度差异较小，因此本研究矿体与围岩采取同一材料展开相似模拟实验，各相似材料的力学参数如表3所示。

（3）实验方案。结合相似理论可知模型上部应施加载荷值为0.038 MPa，为保证塌陷区木块在挤压作用下不产生运动，在塌陷区上部施加载荷值为正常区域载荷值的20%为0.007 6 MPa。实验采用梯度加载的方式进行加载，持压阶段分模型应力平衡、开挖和开挖后持压分步骤进行，加载方案如表4所示。实验中将应力盒集中布置于自然隔离矿柱中，利用散斑监测区域的位移变化。

（4）实验结果分析。自然隔离矿柱在整个实验过程经历了稳定持压阶段、微裂隙产生发展阶段和自然隔离矿柱失稳阶段3个阶段，如图8所示。自然隔离矿柱在持压梯度五阶段进入变形快速发展阶段，经历了裂隙的迅速扩展后进而发生破坏失稳。自然隔离矿柱在持压梯度五阶段才出现肉眼可见的微裂隙，微裂隙首先出现在自然隔离矿柱左上部位和平行四边形采场右上顶点位置，并分别向下和向上逐渐发育扩展，在此过程中自然隔离矿柱内部也出现少许裂纹，随着裂隙的发育贯通，引起隔离矿柱产生拱状冒落体，随着自然隔离矿柱破坏程度的逐渐升高，最终隔离矿柱整体向下运动，在充填体的支撑作用下重新趋于稳定。

由于采场上部塌陷区的存在，隔离矿柱承受载荷主要来自于矿柱两侧岩体的挤压作用，隔离矿柱内应力主要表现为水平应力。由采场开挖的应力云图（如图9（a））可知，位于采场上部的矿柱水平应力值降低，而位于隔离矿柱两侧的岩体产生应力集中，采场下盘相较于采场上盘的应力集中程度更高。自然隔离矿柱失稳过程的位移云图如图9（b）所示，隔离矿柱为整个监测区域的位移较大区域，隔离矿柱与隔离矿柱两侧岩体的位移量形成鲜明对比，即隔离矿柱相对独立位移变形受到相邻岩体的制约较小，并且隔离矿柱上位移云图同样成拱状扩散，冒落区域位移平均15 mm，与隔离矿柱宏观发生的隔离矿柱拱状冒落相对应。隔离矿柱在水平应力的挤压作用下，形成类似于典型单轴抗压实验的X状破坏形式，即在受压状态下产生剪切破坏。

5 隔离矿柱经济价值分析

基于理论计算、数值分析可知预留25 m厚度隔离矿柱，可以保证深部矿体开采过程中，隔离矿柱以及矿柱上部采空区、松散岩体的稳定，起到隔离浅部空区与深部矿体安全开采的作用，同时在深部开采过程中，起到承载上覆压力降低深部应力的作用。

25 m厚预留矿柱位于采空区下部10 m处。根据所选位置的矿岩分布特征，预留矿柱占用矿石量约37.6万t。依据矿山开采经济价值推算，当前开采矿石的利润为288.16元/t，预留原岩矿柱占用矿石价值为1.08亿元。

由此可见，预留隔离矿柱在深部资源开采到一定深度后，特别是隔离矿柱下方2个中段（100 m）的矿体开采完毕，形成一个稳固充填体情况下，当隔离矿柱上部采空区系统处理完，空区被消除后，可以考虑回收隔离矿柱，以减少资源的损失与浪费。

6 结论

（1）借鉴露天转地下过程中预留隔离矿柱技术，在深部开采过程中，预留隔离矿柱，一方面起到有效隔离浅部与深部开采相互影响，实现浅部空区处理、残矿回收与深部开采的互不干扰、并行作业，保证矿山在深部开采采矿方法更换过程中的产能平稳过渡、生产顺利衔接。同时作为承载矿柱，降低深部开采的垂直应力，为深部资源开采提供较好的条件。

（2）基于荷载传递交线法、厚跨比法、简化梁法、鲁别涅伊特公式4种方法，进行综合考虑，理论计算结果显示25 m厚的原岩隔离矿柱可以达到预期效果。基于数值模拟仿真，对比15 m、20 m、25 m、30 m的不同厚度隔离矿柱作用下的位移、塑性区变化规律，表明25 m厚的原岩隔离矿柱满足安全生产需求。

（3）基于相似材料物理仿真实验，25 m厚的原岩隔离矿柱在持续梯度加载下，经历稳定持压阶段、微裂隙产生发展阶段和自然隔离矿柱失稳阶段3个阶段，经历了裂隙的迅速扩展后进而发生破坏失稳。隔离矿柱失稳时对应的加载压力为自重应力的3.5倍，表明25 m厚的自然隔离矿柱在正常情况下，可以保证生产安全。

（4）25 m厚的原岩隔离矿柱占用矿量约37.6万t，价值约为1.08亿元。因此在条件具备的情况下，原岩矿柱应该进行回收，以降低矿石损失与浪费。