大空區(qū)高應(yīng)力條件下礦柱回采方案優(yōu)化研究

大團(tuán)山規(guī)格礦床是大銅山礦產(chǎn)的主要礦床之一。大礦區(qū)已采用大型礦區(qū)開采，取得良好的開采效果。大盤區(qū)開采具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)工藝簡單、開采成本低等優(yōu)點;但也存在采空區(qū)暴露面積大,采場空間跨度大等不利因素。因支撐空區(qū),保證其他礦段安全生產(chǎn)的需要,盤區(qū)之間預(yù)留有30m寬的礦柱,積存礦量近100萬t。按回采一半計算,能回收大約50萬t的資源量,直接經(jīng)濟(jì)效益將達(dá)到5000萬元。且礦石儲量具有很好的可靠度,現(xiàn)有的采礦系統(tǒng)也對礦柱的回采工作的展開提供便利條件。因此,從資源的回收及工程的投入來看,在滿足安全性的前提下,對盤區(qū)礦柱進(jìn)行部分或全部回收帶來的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的,具有較高的研究價值。1盤區(qū)間柱設(shè)置現(xiàn)大團(tuán)山礦體正在大規(guī)?；夭?580m中段。-580m以上依次劃分5個盤區(qū),盤區(qū)最大暴露面積達(dá)到10000～11000m2,頂板最大斜長跨度接近100m。在該中段的采準(zhǔn)設(shè)計中,根據(jù)采礦的需要留設(shè)有盤區(qū)間柱。Ⅲ盤區(qū)與Ⅳ盤區(qū)之間在31A勘探線的位置留設(shè)了約30m的盤區(qū)間柱,即31A礦柱。Ⅳ盤區(qū)與Ⅴ盤區(qū)之間在35勘探線的位置留設(shè)了約30m的盤區(qū)間柱,即35#礦柱(如圖1)。如圖2,目前35#礦柱-565m以上可采礦量為40萬t。5#盤區(qū)采后空區(qū)約為體積35萬m3。礦柱主要組分為銅,礦石容重為3.35t/m3,巖石容重為2.85t/m3。礦床水文地質(zhì)條件為簡單類型。礦體及其頂、底板各類巖石力學(xué)強(qiáng)度高,圍巖普氏堅固性系數(shù)f=9～13,屬半堅硬巖石。巖體結(jié)構(gòu)完整。2數(shù)值模擬模型的構(gòu)建2.1flac3模型本次研究采用FLAC3D軟件計算,該程序采用顯式差分法求解,相對于有限元法,能更好地模擬材料的塑性破壞和塑性流動,更為準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)剡m應(yīng)分步開挖回采數(shù)值模擬的要求,并可自動處理計算結(jié)果,提供用彩色圖形顯示的等值線表示的應(yīng)力場和位移場。本構(gòu)模型選用摩爾-庫倫巖土通用模型。該模型采用復(fù)合破壞準(zhǔn)則。圖3即為FLAC3D摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則表現(xiàn)形式。其抗拉強(qiáng)度表達(dá)式為σmax=ctanφ?(1)σmax=ctanφ?(1)抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為|τ|=c+σntanφ.(2)|τ|=c+σntanφ.(2)2.2m.georgi法實驗室力學(xué)試驗參數(shù)應(yīng)用于巖體工程時,需考慮到巖石與巖體的差別,即進(jìn)行強(qiáng)度折減。一般認(rèn)為,巖石與巖體在抗剪強(qiáng)度方面的差異,主要表現(xiàn)在內(nèi)聚力(C)方面,而巖石的內(nèi)摩擦角與巖體的內(nèi)摩擦角差別較小。因此,本研究采用M.Georgi法對試驗結(jié)果的內(nèi)聚力進(jìn)行處理。折減后力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)礦山現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),計算得地應(yīng)力分布梯度:ε1=0.03437MPa/m,ε2=0.01085MPa/m,ε3=0.00337MPa/m(注:分別為主應(yīng)力σ1,σ2,σ3三者的應(yīng)力分布梯度)。3礦柱實體模型數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計算模型是否與實際情況相符合,包括選擇適當(dāng)?shù)挠嬎惴秶?確定計算模型的邊界條件,對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理等等。在建立數(shù)值模型過程中,主要考慮了以下幾點:(1)考慮到各剖面形態(tài)較為復(fù)雜,故采用自下而上的三維實體建模,即點—線—面—體,層層搭建。這樣能很好地對不規(guī)則礦柱進(jìn)行匹配。礦柱三維實體模型詳見圖4。(2)三維實體模型選取礦體傾向方向為X方向,礦體走向為Z方向,鉛直方向為Y方向。垂直剖面和水平面分別以勘探線和中段平面圖為基礎(chǔ)。模型Y方向底部由-670m平面下推200m,X、Z方向由礦柱最近端分別外推約200m。模型實際尺寸為長×寬×高=790m×600m×900m,固定以上5個邊界的位移和速度。礦柱實體模型如圖2表示,整體模型如圖4所示。(3)經(jīng)過前期的數(shù)值模擬實驗,四面體網(wǎng)格精度不夠,計算結(jié)果明顯比六面體高,故選取六面體網(wǎng)格對實體模型進(jìn)行劃分。具體有限元網(wǎng)格模型如圖5所示?？紤]到巖體最常見的破壞主要是由拉應(yīng)力帶來的張性斷裂破壞及剪切力所帶來的剪切破壞,故本次研究重點關(guān)注2個方面:一是拉、剪應(yīng)力區(qū)的大小與分布范圍;二是判斷礦柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)是否貫通。模擬時,對于30m寬的礦柱,分別以回采15、20、25、30m為研究對象。4高剪應(yīng)力分析應(yīng)力與位移分布分別見圖6～圖10。從圖6來看,初始應(yīng)力能較好地符合地應(yīng)力場。35#礦柱15m回采后,礦柱內(nèi)部承擔(dān)的壓應(yīng)力普遍在20MPa以上,最大值出現(xiàn)在預(yù)留垂直礦柱處,達(dá)到29.5MPa。20m回采后,礦柱內(nèi)部承擔(dān)的壓應(yīng)力普遍在15MPa以上,最大壓應(yīng)力達(dá)到30.1MPa,仍然出現(xiàn)在預(yù)留垂直礦柱中。圍巖中剪應(yīng)力集中區(qū)分布在空區(qū)腰部,最大值達(dá)到6.64MPa。礦柱中剪應(yīng)力集中區(qū)分布較廣,最大剪應(yīng)力達(dá)到8.67MPa,已經(jīng)超過了預(yù)設(shè)礦柱抗剪強(qiáng)度,會在礦柱外側(cè)產(chǎn)生部分屈服帶。但高剪應(yīng)力集中區(qū)大都集中在礦柱上端邊緣,且從礦柱內(nèi)部位移量來看,數(shù)值均不大,分布較為連續(xù)均勻,表明礦柱內(nèi)部并未有大范圍的塑性破壞產(chǎn)生。即礦柱外側(cè)部分的塑性破壞并沒有傳遞到礦柱內(nèi)部。35#礦柱25m開采后,空區(qū)周圍圍巖應(yīng)力進(jìn)一步得到增長,最大拉應(yīng)力達(dá)到2.78MPa,最大剪應(yīng)力達(dá)到7.12MPa,剪應(yīng)力集中區(qū)仍然分布在空區(qū)腰部位置,頂?shù)装逦灰品謩e為6.35cm和4.60cm。從以上應(yīng)力位移的信息來看,空區(qū)大面積失穩(wěn)的可能性仍然較低。相對于35#礦柱20m回采后的應(yīng)力分布規(guī)律。本方案中,礦柱內(nèi)部壓應(yīng)力普遍在10～15MPa,相對于前面幾個方案,隨著開采寬度的加大,留設(shè)礦柱的變窄,礦柱內(nèi)部所承擔(dān)的應(yīng)力變小。周圍圍巖所承擔(dān)的應(yīng)力進(jìn)一步提高,最大值出現(xiàn)在垂直礦柱處,達(dá)到35.4MPa。除此之外,本方案中一個最大的變化是礦柱內(nèi)部位移量有了大幅度增長,達(dá)到13.6cm,是20m回采方案礦柱內(nèi)部位移的2～3倍,說明此時礦柱內(nèi)部核載區(qū)已經(jīng)進(jìn)入塑性屈服。根據(jù)巖石力學(xué)彈塑性理論,巖石進(jìn)入塑性區(qū)后強(qiáng)度會大幅度降低,位移會大幅度增加,巖石將難以有效地承擔(dān)高負(fù)載。即對于系統(tǒng)而言,剩余礦柱僅能相當(dāng)于一個強(qiáng)化版的“膠結(jié)充填體”。總體來說,頂?shù)装逦匆姰惓．a(chǎn)生,周圍圍巖能很好地轉(zhuǎn)移并負(fù)擔(dān)應(yīng)力,表明系統(tǒng)仍能維持一定程度的穩(wěn)定,只要在回采過程中及時采取相關(guān)安全措施,保障回采工作的安全進(jìn)行,該方案在一定程度上可行。35#礦柱30m(全采)回采后,頂板最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.27MPa,已經(jīng)相當(dāng)接近巖體極限抗拉強(qiáng)度,空區(qū)腰部的最大剪應(yīng)力達(dá)到7.31MPa,已經(jīng)達(dá)到巖體極限抗剪強(qiáng)度,頂板層會受到較為嚴(yán)重的壓剪切破壞,局部地區(qū)會出現(xiàn)冒落,安全形勢已經(jīng)不容樂觀,故該方案難以滿足安全要求。5回采過程中礦柱的平衡破壞特征(1)從礦柱回采前的初始應(yīng)力狀態(tài)來看,受力狀況較好,可以考慮對其進(jìn)行部分回收。(2)預(yù)留垂直礦柱能很好地轉(zhuǎn)移并承擔(dān)應(yīng)力。隨著開采幅度的增大,應(yīng)力轉(zhuǎn)移的幅度也逐步加大,15m回采時,35#礦內(nèi)部壓應(yīng)力普遍在20～30MPa,20m回采時,35#礦柱內(nèi)部壓應(yīng)力普遍在15～20MPa,25m回采時35#礦柱內(nèi)部壓應(yīng)力除邊緣部分地區(qū)外,普遍已在10MPa以下。而35#礦柱預(yù)留的垂直礦柱所受壓應(yīng)力隨著開采寬度的加大分別變?yōu)?9.5MPa(15m方案),32.4MPa(20m方案),35.4MPa(25m方案)。(3)礦柱主要是受壓剪應(yīng)力為主,隨著礦柱回采的進(jìn)行,在礦柱4個幫角及腰部處均出現(xiàn)了剪切帶。各處剪切帶均隨著開采區(qū)域的擴(kuò)大而擴(kuò)大,并逐漸向礦柱內(nèi)部發(fā)展,礦柱承載面積逐漸縮小,最終導(dǎo)致礦柱整體破壞直至失穩(wěn)。隨著礦柱的進(jìn)一步回采,空區(qū)跨度的加大,礦柱腰部拉(剪