深井超大面积开采盘区矿柱承载作用研究

张少杰， 刘育明， 张爱民

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

1 前言

随着我国浅部矿产资源日益减少以及采掘设备的大型化，矿产资源的开采逐渐向深部和大规模两个方向发展[1-3]。在超大规模深井开采条件下，常采用留设矿柱的方法来确保矿山生产的安全[4-6]。本文采用数值模拟方法，对某深井硬岩矿山盘区矿柱的承载作用进行分析研究，这对矿山安全高效开采具有十分重要的意义，同时可为类似深井矿山开采条件下的矿柱留设提供借鉴参考[7-8]。

2 工程背景

某铁矿属隐伏盲矿床，矿体埋藏深度404～1 934 m，东西长1 500 m，南北平均宽度960 m，最大垂直深度1 580 m，矿体平均厚度246.84 m，倾角约70°。矿体主要呈厚层状产出，总体形态似一个巨大的“金元宝”，区内地质构造简单，岩石较完整。

根据矿体的开采技术条件，设计主要采用大直径深孔空场嗣后充填法开采。为了保持采矿区域的整体稳定性和考虑采矿工程布置的需要，在盘区之间沿最大主应力方向布置大型条形矿柱，盘区内布置采场，采场尺寸40 m×40 m，高度60 m。

3 数值模拟

3.1 计算模型

根据矿山的工程地质条件和开采方案，建立FLAC3D精准数值模型。模型X轴沿矿柱走向，长度为4 800 m；模型Y轴垂直矿柱走向，长度为4 800 m；模型高为1 620 m(标高从-1 620 m至0 m)，如图1所示。图2所示为数值模型的核心部分，即矿体的三维模型，尺寸为1 600 m×1 600 m×1 620 m。-1 020 m中段盘区与矿柱的布置，如图3所示。盘区宽200 m，矿柱宽60 m。为了准确获取矿柱中的应力状态，在矿柱中布置了应力监测点。矿柱中应力监测点的布置平面图如图3所示。矿柱中应力监测点的布置立面图如图4所示，其中，A1监测点表示-1 020 m中段矿柱中的应力，A1t监测点表示-960 m中段矿柱中的应力，其他监测点同样表示，以作区分。

图2 三维模型核心部分

图3 矿柱中应力监测点的布置平面图

图4 矿柱中应力监测点的布置立面图

3.2 地应力特征及边界条件

根据矿山水压致裂地应力测量研究的数据显示：矿区应力场以水平应力为主导，最大水平主应力与铅直主应力的比值均在1.61左右，最大主应力方向为近NEE向，平均方向为67.83°。矿区测点的最大水平主应力和最小水平主应力随深度变化的综合线性回归方程为

σh,max=0.461 9+0.038 9h,R=0.963 2

(1)

σh,min=0.524 5+0.028 3h,R=0.955 4

(2)

式中：σh,max——最大水平主应力，为压应力，与矿体走向近似平行，MPa；

σh,min——最小水平主应力，为压应力，与矿体走向近似垂直，MPa；

h——垂直深度，m；

R——回归系数。

研究区内的垂直应力随深度线性变化，根据矿体埋藏深度和平均岩体容重计算，模型上部施加垂直方向应力σz=5.6 MPa。考虑构造应力的影响，沿模型X轴和Y轴的水平应力分别根据式(1)和式(2)施加。模型侧面限制水平移动，模型底部限制垂直移动。

3.3 力学参数

根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学试验结果，考虑到岩体的尺度效应，模拟计算采用的岩体力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

根据材料力学特征，分别采用不同的力学模型：充填体采用理想弹塑性本构模型；围岩和矿体均采用复合摩尔- 库仑屈服准则，即

(3)

式中：fs——材料发生破坏的临界值，MPa；

σ1、σ3——最大和最小主应力，MPa；

c——内聚力，MPa；

φ——内摩擦角，MPa。

当fs>0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则(σ3≥σt(抗拉强度，MPa))判断岩体是否产生拉破坏。

3.4 计算模拟过程

为了揭示在超大规模深井开采过程中盘区矿柱所发挥的承载作用，对比分析盘区矿柱是否留设两种工况下采场、矿柱和围岩的应力特征和演化过程，本计算分以下步骤进行：

(1)计算模型在给定边界应力与位移条件下的初始状态。

(2)工况一：不留设矿柱3。

①模拟开采-1 020 m中段的矿体。

②模拟开采-960 m中段的矿体。

(3)工况二：留设矿柱3(宽60 m)。

①模拟开采-1 020 m中段的矿体。

②模拟开采-960 m中段的矿体。

4 计算结果分析

-1 020 m中段开采后的最大主应力场(不留设矿柱3)如图5所示。从图中可以看出，-1020 m中段开采后，矿柱2中(监测点C2)的应力值相对较高， 99 MPa；矿柱1中(监测点A2)的应力值为68 MPa；充填体中(监测点B1)的应力值为9 MPa。-1 020 m中段开采后的最大主应力场(留设矿柱3)如图6所示。从图中可以看出，-1 020 m中段开采后，矿柱2与矿柱3交叉位置(监测点C2)的应力值为79 MPa，与不留设矿柱3相比，矿柱2与矿柱3交叉位置的应力降低了20 MPa；矿柱1与矿柱3交叉位置(监测点A2)的应力值为53 MPa，与不留设矿柱3相比，矿柱1中(监测点A2)的应力降低了15 MPa。

图5-1 020 m中段开采后的最大主应力场(不留设矿柱3)

图6-1 020 m中段开采后的最大主应力场(留设矿柱3)

-960 m中段开采后的最大主应力场(不留设矿柱3)如图7所示。从图中可以看出，-960 m中段开采后，矿柱2中积聚的应力发生了较为明显的转移演化，矿柱2中的应力明显降低，在矿柱2的西侧端部应力相对较高，形成了由下至上的应力壳，如图7中红色虚线箭头所示。-960 m中段矿柱2中(监测点C2t)的应力值为72 MPa，矿柱1中(监测点A2t)的应力值为70 MPa。-960 m中段开采后的最大主应力场(留设矿柱3)如图8所示。从图中可以看出，-960 m中段开采后，矿柱2与矿柱3交叉位置(监测点C2t)的应力值为86 MPa，与不留设矿柱3相比，应力值增加了14 MPa；矿柱1与矿柱3交叉位置(监测点A2t)的应力值为58 MPa，与不留设矿柱3相比，应力值降低了12 MPa。

通过对监测点C2和C2t、C1和C1t的应力输出后对比发现，在监测点C2的应力由99 MPa降低为70 MPa的同期，监测点C2t的应力由72 MPa增加为86 MPa，增加值为14 MPa，说明在不留设矿柱3工况下，对于矿柱2来讲，-1 020 m中段的矿柱承载作用降低的情况下，-960 m中段的矿柱仍能发挥承载作用。

通过对监测点C2、B1、A2t的应力输出后对比发现，不留设矿柱3时，在-1 020 m中段开采后，矿柱2中(监测点C2)的应力高达99 MPa；留设矿柱3时，在-1 020 m中段开采后，矿柱2中(监测点C2)的应力为79 MPa，矿柱3中(监测点B1)的应力为87 MPa，说明留设矿柱3能够减小矿柱2中的应力集中程度，使开采扰动压力的分布相比更为均衡。不留设矿柱3时，在-960 m中段开采后，矿柱1中(监测点A2t)的应力由57 MPa增加至70 MPa，增加值为13 MPa；留设矿柱3时，在-960 m中段开采后，矿柱1中(监测点A2t)的应力由52 MPa增加至58 MPa，增加值为6 MPa，说明留设矿柱3也能够减小矿柱1中的应力集中程度。

图7-960 m中段开采后的最大主应力场(不留设矿柱3)

-1 020 m中段开采后的塑性区分布(不留设矿柱3)如图9所示。从图中可以看出，-1 020 m中段开采后，矿柱2中部分单元进入剪切塑性状态；矿柱1中未见有单元进入剪切塑性状态。-1 020 m中段开采后的塑性区分布(留设矿柱3)如图10所示。通过图9和图10的对比可以看出，与不留设矿柱3相比，矿柱1和矿柱2中的塑性区并无明显区别。

图9-1 020 m中段开采后的塑性区分布(不留设矿柱3)

图10-1 020 m中段开采后的塑性区分布(留设矿柱3)

-960 m中段开采后的塑性区分布(不留设矿柱3)如图11所示。从图中可以看出，-960 m中段开采后，矿柱2中部分单元两次进入剪切塑性状态；矿柱1中个别单元进入剪切塑性状态。-960 m中段开采后的塑性区分布(留设矿柱3)如图12所示。通过图11和图12的对比可以看出，与留不设矿柱3相比，矿柱2中两次进入剪切塑性区状态的单元数有所减小。

综上所述，通过对不留设矿柱3和留设矿柱3两种工况开采效应的对比可知，不留设矿柱3工况下矿柱的应力集中程度相对较高，应力变化幅度也相对较大，而留设矿柱3工况下，矿柱中的应力集中程度相对较低，开采扰动压力的分布相对更为均衡。

图11-960 m中段开采后的塑性区分布(不留设矿柱3)

图12-960 m中段开采后的塑性区分布(留设矿柱3)

5 结论

本文采用数值模拟方法对某超大规模深井硬岩矿山盘区矿柱的承载作用进行分析研究，得出以下结论：

(1)不留设矿柱3工况下，-1 020 m中段开采后，矿柱2中的应力值高达99 MPa；留设矿柱3工况下，-1 020 m中段开采后，矿柱2与矿柱3交叉位置的应力值为79 MPa，相比降低了20 MPa。

(2)-960 m中段开采后，应力集中发生了较为明显的转移演化，在矿柱2的西侧端部形成了由下至上的应力壳。

(3)在不留设矿柱3工况下，对于矿柱2来讲，-1 020 m中段的矿柱承载作用降低的情况下，-960 m中段的矿柱仍能发挥承载作用。

4)通过对不留设矿柱3和留设矿柱3两种工况开采效应的对比可知，不留设矿柱3工况下矿柱的应力集中程度相对较高，应力变化幅度也相对较大，而留设矿柱3工况下，矿柱中的应力集中程度相对较低，开采扰动压力的分布相对更为均衡。