多因素影响复杂空区群下残留矿柱回收模拟研究

科技 2024-11-01 13:39 湖南

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摘要

对于有着断层切割、多矿脉等因素影响下的某钨矿Ⅰ号矿脉6～8线保安矿柱的回收问题,采用理论分析和数值计算分析了该矿山采空区的稳定性以及残留保安矿柱的回采可行性。在此基础上提出了3种残留矿柱回收方案并进行对比分析研究。研究结果表明:矿柱周边的采空区相对稳定,矿柱自身内部的应变能得到了释放,回收带来的地压灾害风险降低,其发生变位性破坏导致自身的整体刚度降低,矿柱控制地压活动的作用效应随之减弱,可以考虑对该矿柱进行安全回采。残留矿柱回采出矿后,被断层切割的残矿回采区与原左右两侧采空区之间的间柱应力集中更加明显,也出现了较大面积的剪切破坏塑性区,说明残矿回采时可能有剪切破坏的风险,而对保安矿柱两侧被断层影响的采空区进行部分充填可以有效地抑制应力集中现象,减弱边帮的松脱趋势,有效减小残矿回采区上、下盘沿断层滑移趋势,可以实现对残留保安矿柱安全经济的回收。

作者及单位

江文武^1,2，廖俊钰¹，钟海³，廖永斌³

1.江西理工大学资源与环境工程学院；2.赣南科技学院资源与土木工程学院；3.江西漂塘钨业有限公司

引用格式

江文武, 廖俊钰, 钟海等. 多因素影响复杂空区群下残留矿柱回收模拟研究[J]. 金属矿山, 2024, (6):71-78.

正文

保安矿柱在矿山地下开采工程一直扮演重要角色,其优点主要是使地面构筑物不遭损害,控制采空区相邻区域的地压活动,但这会丢失一部分矿产资源,给矿山带来巨大的经济损失,随着开采工艺的不断完善,对回收留设在采空区大量的保安矿柱成为了可能。因此,对处于多种因素影响的采空区群下残留矿柱的安全回采进行研究是有重要意义的。

近年来,在对残留矿柱、残矿回采方面,前人学者基于相应的工程背景进行了许多研究。如焦文宇,贾海波等以现场监测实验数据为基础,采用数值模拟手段分析了导致复杂采空区稳定系较差的原因,提出增加人工矿柱用以加强支撑的优化方案,为采空区治理做出参考;陈绍民等利用ZEB-REVO以及ZEB-Horizon扫描仪和SLAM技术,并结合矿山的采空区赋存现状,对采空区的稳定性现状进行了深入分析,为金属矿山空区治理提供了科学的依据;赵小平、王少林等采用监测手段研究了复杂空区与矿柱耦合作用下的采空区稳定性,提出复杂采空区的治理办法;王万红等对房柱法开采的大面积采空区进行分析研究,得出处理暴露面积大且密集的采空区群的稳定性的规律;陈光飞等借助数值模拟对矿山开采进行了三维数值模拟,得出连续垂直隔墙和C15混凝土充填治理采空区的最优方案;刘光清等利用数值分析方法对空区群下的残矿回收以及回收后采空区的治理进行了研究;于跟波等利用模糊决策理论选出对残矿的回采方案;江文武等对残留矿柱回采可行性的条件做出了研究;熊晓勃等利用矿柱安全系数进行理论分析,分析了残留矿柱的稳定性;王明华等对含有软弱夹层的岩石质量进行了分级评价研究;马元军等在对急倾斜薄矿脉空区群开采矿压显现规律进行研究时,发现在沿矿体走向开采时,矿压显现规律为部分底柱的应力集中,且随着中段下降不断叠加;张培波等将矿柱强度理论应用于采空区群稳定性分析中,判断了残留矿柱对采空区群的稳定性影响;费鸿禄等对浅埋的大采空区下的残矿回收工作进行了采空区的稳定性研究,对采空区周边井筒破坏机理做出了分析。以上学者的研究对于采空区的稳定性以及对残矿回采参数优化具有很高的参考价值,但对于在由多矿脉影响、采空区切割的采空区群下对已发生变位破坏的保安矿柱进行回收少有研究,本文将以某矿山在多种因素影响复杂空区群下赋存的保安矿柱为研究背景,采用FLAC3D软件进一步模拟矿柱开采的应力、位移、塑性区情况,验证矿柱回采可行性,为实现残留矿柱安全高效的回采提供保障。

1 研究背景

1.1 工程概况

某钨矿主要矿带有4条,分别是Ⅲ、Ⅰ、V1、V7号矿脉,且该矿区共有9个中段,中段标高676～208 m,其中每隔60 m设置一个中段,目前,该钨矿的Ⅰ号和Ⅲ号以及V7号矿脉是其主要生产矿带,东部矿体宽4～45 m,最宽78 m,采矿方法以阶段矿房法为主,沿矿体走向布置采场,每个采场尺寸长×宽×高分别为50 m×20 m×60 m,其中采场顶、底柱8 m,采场沿走向间距8～10 m。该钨矿的448～328 m 3个中段为主要生产区段,而0线以西的区域还存在大断层F3、F5交错赋存、彼此影响,其中F3断层于4～12线内斜切Ⅰ号、Ⅲ号矿脉,破碎带宽0～0.8 m,F5断层分布于Ⅰ号矿脉南部,延深至328 m中段,于388 m中段向北斜切Ⅰ号矿脉,破碎带宽0.05～0.5 m,具体如图1所示。

图1 6～8线保安矿柱赋存情况

由于前期开采需要,Ⅰ号矿脉的448 m、388 m、328 m中段6～8线保留保安矿柱,随着矿山资源的日渐枯竭,为了不浪费优质国有矿产资源、延长矿山生产年限以及不在后续开采引发地压活动的情况下要在维护该矿柱工程中投入大量人力物力资源,对Ⅰ带6～8线保安矿柱及时安全的回收成了矿山亟待解决的重要一环,但由于人们对矿柱现如今的地压控制情况以及被断层切割的矿柱自身的安全情况并没有一个清楚的认知,矿柱回收安全性和可行性依然存疑,如果贸然回收,可能给矿山带来严重的地质灾害与经济损失。为了安全地回收残留矿柱,重点对残留矿柱问题进行研究。

1.2 采空区稳定性分析

残留矿柱的周边采空区稳定是对残留矿柱进行回采的前提条件。本文借助综合评价法对采空区稳定性进行分级,其主要步骤为:① 根据各个影响采空区稳定性的主要因素建立关系矩阵,将主要因素置于矩阵的对角线上,各因素间的相互影响和作用置于矩阵其他节点;② 对相应的各因素进行活动性指数的换算,得到各个因素对采空区稳定性的影响程度;③ 将模糊数学理论构造出的各因素隶属度曲线与各因素活动性指数进行累加,得到采空区稳定性系数,最后对采空区稳定性进行分级。

针对该钨矿采空区失稳的成因,从工程因素、水文、区域地质条件和其他因素四个方面进行深入探讨,并结合前期的调查研究,选用岩石的单轴抗压强度、顶板暴露面积、岩石单轴抗压强度与最大初始应力比值、矿柱状况、结构面间距、结构面产状与顶板方位关系、最大主应力方向与顶板方位关系、地下水8个影响因素共同进行采空区稳定性分级。关系矩阵R表示为

式中,ann为第n个主要的影响因素;aij为因素aii对因素ajj的影响因素。

活动性指数计算公式如下:

式中,FA(i)为ann的活动性指数;SFA(i)为ann所在行、列元素值之和;SFA为矩阵所有元素值之和。

采空区稳定性系数计算公式如下:

式中,SA(i)为矩阵中的ann隶属度值。

最终得出采空区稳定性分级情况见表1。采空区稳定性整体处于合格状态,是Ⅰ带矿脉的448 m、388 m、328 m中段6～8线保留的保安矿柱回采前提。

表1 采空区分级情况

2 矿柱回采风险模拟分析

2.1 模型的建立

本文选取0～12线间的Ⅰ、Ⅲ号矿脉,高层为268～556 m作为研究范围,依据横纵剖面图确定分段矿体边界以及围岩的分界面,再以此拟合建立围岩、矿脉、采场、断层三维几何模型。其中x方向为沿矿脉走向,y方向为垂直矿脉走向,z方向为铅垂线方向也是268～556 m中段分布方向。以Ⅰ、Ⅲ号矿脉的0线～12线为中心向四周扩展,因地下工程开挖造成影响的岩体尺寸是其开挖半径的3～5倍,为了避免岩体开挖对边界的影响,所以选定整个模型规模为800 m×800 m×800 m,具体如图2所示。模型的边界条件:模型x、y方向施加水平约束,对模型底部施加约束。数值计算中开挖引起的应力与位移变化都由初始应力场产生,其中的地应力仅有自重应力场。

图2 矿山三维几何模型

2.1.1 力学参数

依据调研以及室内实验得出矿山矿体及岩体力学参数选取见表2。

表2 岩体物理力学参数

2.1.2 强度准则

设定本次计算研究区域的围岩、矿体均属于弹塑性材料。模拟计算采用理想弹塑性本构模型莫尔—库仑屈服准则判断岩体的破坏:

式中,σ1为最大主应力;σ3为最小主应力;c为黏聚力;φ为内摩擦角。

当fs<0时,材料进入塑性流动,将要发生剪切破坏,而当岩体受到超过其极限抗拉强度的拉应力时,其将会发生拉伸破坏。

2.2 矿柱形成过程力学环境分析

2.2.1 应力变化分析

本文首先对矿山开采历史和矿柱形成过程进行了数值模拟重现,为了更好地揭示矿柱形成过程中矿柱在控制相邻区域地压活动演化过程,在388 m中段Ⅰ带采场上盘围岩和Ⅰ、Ⅲ带矿脉间的夹层中布置了监测点,具体如图3所示。

图3 388 m中段监测点设置

1～13—监测点编号

随着回采进度的推进,6～8线的采区上盘围岩的应力变化如图4、图5所示。在开采初期,矿柱形成前,各个监测点应力分布均匀,开采工程启动后,随着各采空区的形成,采空区上盘围岩最大压应力迅速减小,在矿柱高度达到50 m时,矿柱左右两边采空区逐渐形成,应力重新分布,保安矿柱中出现应力集中现象,这说明矿柱对支撑周边采空区和控制地压起到积极的作用,随着矿柱高度达到100 m时,保安矿柱内的应力迅速减小,矿柱应力释放明显,矿柱的整体性遭到一定破坏,且夹层内对应的矿柱部分压应力已接近围岩,矿柱对周围地压的控制能力减弱。

图4 Ⅰ号采场上盘围岩最大压应力

图5 Ⅰ、Ⅲ号矿脉之间夹层最大压应力

2.2.2 位移变化分析

沿矿柱高度在矿柱内部从上到下设置间隔均等设置20个监测点,并每隔4个监测点挑出一个共5个监测点记作#1、#2、#3、#4、#5,得到矿柱形成过程中自身的位移规律如图6,图7所示。

图6 保安矿柱沿矿体走向位移监测结果

图7 保安矿柱各阶段沿断层倾向滑移位移

随着矿柱高度增加,其内部位移变化特征规律为:随着矿柱高度的增加,其水平位移逐步增大,并且在矿柱高度达到100 m后,随着矿柱高度的增加水平位移趋势有较大程度的增加,有向采空区方向松脱的趋势;而对于矿柱自身由于断层的切割,矿柱在以断层为分界面的上方区域与下方区域发生相对的滑移位移,并随着矿柱高度的增加,断层上下盘发生的相对滑移不断增大,其中最大的相对位移达到10 cm,矿柱存在失稳的概率。这些说明随着矿柱高度的增高,矿柱自身的破坏程度也逐渐加剧,该矿柱对地压的控制作用进一步削弱。

综上可知,矿柱内部已经发生变位性破坏,矿柱支撑能力减弱,且其内部应变能得到释放,回收风险减小。因此,对该矿柱回收的技术问题开展研究的基础上,可以考虑对该矿柱进行回收。

3 矿柱回采方案确定

3.1 方案的选择

为实现Ⅰ号矿脉的448 m、388 m、328 m中段6～8线保留保安矿柱安全高效回收,基于前人研究基础上,提出3种矿柱回采设计方案并进行对比研究,方案一是矿柱两侧采空区不充填,方案二是矿柱断层部分充填,方案三是采空区完全充填,如图8所示。

图8 各方案图示

3.2 应力变化规律

沿用上节模型,模拟3种方案回收矿柱,回收矿柱结束时的应力分布特征如图9。其中各个监测点的布置如图9(a),残矿回采区顶底柱中心位置设置4个监测点顶1～顶4,对残矿回采区与左右两侧采空区之间的间柱设置左1～左17、右1～右17监测点,每个监测点的间隔是10 m。

图9 0～12线整体最小应力

由图9可知,矿柱采空区围岩中最小主应力的应力变化规律:采空区相邻围岩大部分区域表现为受压状态,最大压应力值为22 MPa,其中,被断层F5切割部分的原生矿柱压应力集中最为明显,不充填采空区下矿柱存在贯穿大面积的压应力集中现象,而通过充填手段,可以使得该部分的应力集中范围减小,缓解其边帮松脱趋势。

由图10～图11可知,随着充填的逐步完成,矿柱的各个采场顶底板最大压应力都有所减小,而对断层切割部分的间柱而言,对矿柱周边采空区进行适当的充填能在一定程度上改善处于高应力环境下采空区中矿柱及围岩的受力状况,缓解其应力集中程度,其中方案一该部分的最大压应力为21.5 MPa;方案二该部分的最大压应力为17.5 MPa;方案三该部分的最大压应力为17.9 MPa;考虑到回采矿柱的经济性以及残留矿柱回采的安全性,方案二是最优方案。

图10 矿柱采场顶柱最大压应力

图11 矿柱采场边帮最大压应力

3.3 矿柱竖直位移变化特征

图12是不同方案下回采残留矿柱的垂直横剖面位移云图。由图12可以看出,上部中段采场顶板出现下沉变形,但底板无明显形变;下部中段采场顶板不仅出现下沉变形,而且底板出现上升变形;其他区域总体上无明显形变;由于断层F5的切割,断层上下盘的位移方向不同,上盘沿断层倾向向下滑移,向采空区内部挤压,下盘沿倾向向上隆起;不同方案回采矿柱产生的位移值有所差异,方案一断层上盘的滑移范围为0～-2.71 cm,下盘竖直位移范围为0～3.14 cm;方案二断层上盘的滑移范围为 0～-2.44 cm,断层下盘的滑移范围为 0～2.62 cm;方案三断层上盘的滑移范围为0～-2.31 cm,断层上盘的滑移范围为 0～2.43 cm。上述数据说明在矿柱两侧充填的状态下对矿柱回采区顶底板的作用比不充填情况下有明显好转,但在充填到一定程度后,充填的多寡对顶底板的位移影响较少,综合考虑选择方案二作为回采方案。

图12 垂直位移横剖面分布

3.4 矿柱回采区塑性区分布规律

回收矿柱结束时得到矿柱回采诱发的塑性区分布规律如图13所示。

图13 塑性区分布

由图13可知,被断层F5切割的388 m中段间柱与采空区顶底板都发生了大面积的塑性破坏区,这些破坏区既有拉伸破坏区也有剪切破坏区,其中顶底板主要破坏方式为拉伸破坏,间柱的破坏方式主要为剪切破坏。与方案一对比分析可知,随着采空区与被断层F5切割的矿柱两侧采空区被逐步充填,矿柱回采区的两侧边帮剪切破坏塑性区,矿岩交接处的拉伸破坏和剪切破坏区域,以及采空区的顶底板的剪切和拉伸破坏等区域的破坏程度均有所降低,这说明充填体在控制相邻区域的岩层移动和破坏起到了积极的作用。

表3 各方案顶底板塑性区体积

4 结论

本文采用关系矩阵和模糊数学理论相结合的方法确定了采空区的稳定性级别,并在此基础上利用数值模拟软件FLAC3D模拟了6～8线内的残留矿柱开采方法和开采风险。结论如下:

(1)在矿柱周围存在的双矿脉、复杂的围岩特征(空区数量多、分布广、断层多)的影响下,对矿柱相邻区域、不同中段采空区的稳定性进行了分析,结果表明,大部分采空区处于稳定性的状态,小部分采空区处于欠稳定性的状态。

(2)随着开采进度的推进,在矿柱内部呈现应力集中现象,但矿柱高度增加到一定值时,矿柱内部的应变能得到了明显的释放,说明矿柱在回收过程中发生如岩爆等地压灾害的风险明显降低,矿柱自身开始向着两边采空区松脱,断层上下盘矿柱沿断层倾向产生了较大的相对位移,矿柱形状较原先发生改变,该矿柱发生变位性破坏,矿柱作为保安矿柱的性能被大幅削弱,可以考虑对该保安矿柱进行回收。

(3)对残留矿柱回采过程中,深入分析对比了矿柱回采的3种方案下的各项地压活动指标,最终推荐以先对矿柱两侧388 m中段先进行废石胶结充填,再对矿柱进行回采的技术方案最为经济可行,对被断层切割的矿柱部位进行了有效的保护,提高对残留矿柱回收工作的安全性。

参考文献（略）

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