多中段回采对采空区顶板稳定性影响的研究

2013-09-27杨福波

采矿技术 2013年1期

杨福波

（铜陵有色股份金口岭矿业公司，安徽铜陵市 244000）

1 矿山概况

某钨矿矿体为急倾斜薄矿脉，矿石和围岩比较稳固，且不具有自燃性、氧化性和结块性，矿体厚度为0．1～2．0m。目前，该钨矿山开采时采用了多种留矿法方案，包括：杆柱留矿法、矿房留矿法、分段留矿法、短矿房留矿法、假底木质留矿法、钢筋混凝土假底留矿法、爬罐天井中深孔留矿法、振动放矿漏斗留矿法、固定漏斗留矿法、过路漏斗留矿法等。其中，短矿房留矿法所占比例较大，一般在一条矿脉中，在一矿块布置一个中央天井，其他矿块大部分在短采区布置。其中段高度为40m左右，采区长度一般为80～100m，短采区留矿法有20～80m，顶底柱各留3m，漏斗间距4～6m。图1为某矿房单体设计图，其中采场具体设计参数为：采区长度为75．4m，顶柱3m，底柱2．2m，漏斗间距为5m，中段高度为42．2m。

图1 某矿房单体设计

该矿山采用留矿法开采，形成大量的采空区，且尚无充填处理空区的相关设施。多中段采空区稳定性分析，尤其是采空区顶底柱稳定性分析值得研究。

2 有限元模型的建立

本文有限元程序计算分析中，本构模型采用MC模型，MC材料选项采用 M－C（Mohr－Coulomb）屈服准则。MC材料选项中需要输入6个参数：弹性模量E、密度ρ、泊松比u、内聚力C、内摩擦角φ以及膨胀角。膨胀角在屈服过程中影响土体的体积变化，对岩体的变形没有多大影响，此次计算时假定围岩没有体积变化，则取膨胀角为0。

该矿山矿体上下盘围岩主要为花岗岩，节理裂隙不发育，稳定性好，矿岩接触界面清晰，密度为2．617t／m3，松散系数约为1．6，普氏硬度系数f为：矿石10～12，花岗岩8～10，具体参数见表1。

表1 矿岩物理力学参数

根据国内外相关工程和相似计算的取值，利用折减系数求出岩体的弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角，具体折减系数见表2。

表2 岩体折减系数

则有限元计算矿体的弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角值，见表3。

表3 有限元计算岩体力学参数

根据该钨矿矿体赋存条件和实测围岩、矿体物理力学特性，建立了实体模型，矿体走向长约1000 m，高600m，厚2m。整个矿体标高为700～100 m，共15个中段，每个中段高40m，划分10个采场，采场宽约100m，间柱宽2m，顶柱和底柱分别为2．5，3m，沿脉平巷2．2m。随后，对实体模型进行了单元网格划分，如图2、图3所示，共划分63136个节点，294062个单元，其中实体数331个，网格组332个。

图2 矿体计算模型

图3 围岩计算模型

3 有限元计算结果分析

分析了15个中段开挖过程中各中段顶底柱的应力、位移分布变化情况，得出结论如下。

（1）矿体在没开挖之前处于弹性平衡状态，岩体所受的应力等于上覆岩层的自重应力。

（2）矿体开挖以后，岩体原有的平衡状态遭到破坏，开挖对采场所留的顶、底柱以及矿柱都产生了一定的影响，且在采空区与矿柱的边角处出现高度的应力集中现象。从第三中段开挖开始，采空区上方中央的岩层出现了受拉状态，根据岩层的抗拉强度特性，顶板所受的拉应力将是采场稳定性的决定因素。

（3）针对指定中段顶柱上某一点在开挖前后的应力变化，如图4所示，图中可以看出：从第1步至第5步，最大、最小主应力与自重应力相差不大，变化比较缓慢，接近直线；开挖到第6步时，应力急剧变化，最大主应力由30．8MPa增大到80．2MPa，最小主应力也由30．7MPa增大到43．6MPa；此后，随着不断地向深部中断开挖，最大、最小主应力也相应地呈增加趋势；开挖到第15步时，最大主应力为180．2MPa，最小主应力为96．5MPa。最大应力超过了矿体极限抗压强度，这很可能会在采场周围出现冒顶、崩落等地压现象。

（4）从有限元位移模拟结果可以看出，每个中段采场及巷道的开挖都会对上下中段的矿体产生变形影响。开采上部中段的矿体时，下覆岩体的变形量比较小。但随着不断地向深部开挖，岩体的位移变化量越来越大。