张贵银

(中国黄金集团建设有限公司，北京 朝阳 100020)

0 引 言

我国自1967年开始先后在全国数百个矿山采用条带开采法开采“三下(位于地表水体、建筑物和铁路下)”压矿，条带开采方案设计时应考虑两个方面的问题，一是条带开采后地表不应出现波浪形下沉盆地，二是保留条带宽度能够支撑上覆岩层的载荷，在此原则基础上应尽量提高采出率[1]。某矿3#厚矿体位于某村庄下，前期首采区试采后出现地表下沉较大，如后续采区继续采用全面开采方法，则地表村庄建筑物安全难以保证，甚至会出现下沉塌陷等生态环境事件[2]。针对上述村庄压矿难题，组织专家论证后采用条带开采方案以控制地表移动变形，开采后保留矿柱能否对上覆岩层有效支撑，且能够保持长期稳定关系到条带开采的成败。条带开采矿柱稳定性理论主要有：尺寸效应理论、矿柱的载荷和矿柱强度理论[3]。一般认为在保留矿柱内部存在弹性核区时，矿柱处于三向受力状态，英国A.H.Wlilson提出了两区约束理论，即矿柱两侧为塑性区，中部为弹性区。本文在前人矿柱稳定性理论研究的基础上，结合尖点突变理论分析了设计参数的合理性，并通过计算机数值模拟进行验证，摸清了矿柱变形破坏规律。但一般矿体含有软弱夹层、裂隙，具有显著的流变性，并且矿柱受地下水的作用其蠕变变形速度加剧，导致矿柱的长时强度进一步降低，更易发生失稳破坏[4-5]。目前针对复杂地质条件下，复合多因素共同作用于矿柱时，影响因子的敏感性有待进一步研究。近年来随着非线性科学理论在岩土工程领域的飞速发展、计算机数值模拟软件的开发，矿柱稳定性研究已经渗透了多学科知识，如数值模拟FLAC3D软件在地下矿山开采领域得到了广泛的应用[6]。本文研究对于类似条件下提高“三下”矿产资源回收率和控制地表沉陷具有一定借鉴意义。

1 条带矿柱稳定性影响因素分析

影响条带矿柱稳定性的因素较多，大致可分为地质和采矿因素[7]。

1.1 地质因素

地质因素是矿体赋存条件决定的，是先天存在的，地质条件稳定与否关系到条带开采中条带矿柱能否保持长期稳定。主要包括地质构造、倾角、赋存深度、地应力和地下水等因素，而地应力是影响矿柱稳定性的重要因素之一。

条带开采矿柱失稳破坏的根本原因为初始应力被扰动后重新平衡。条带开采矿柱的变形破坏形态取决于地应力场和其物理力学特性，一般来说地应力随采深的增加而增加，且矿柱内应力增大幅度大于一侧采空的实体，如图1所示。

图1 条带开采地应力与赋存深度的关系

1.2 采矿技术因素

采矿技术因素对矿柱稳定性的影响主要包括：条带开采参数(即采宽、留宽)、条带矿柱的高度、顶板管理方法、采矿工艺方法以及深部开采孤岛矿柱防冲措施等。而采场顶板管理方法对矿柱稳定性影响较大，矿体顶板在矿柱上方断裂垮落形成悬臂梁，一般情况下顶板垮落能够充填一倍以上的采高，使矿柱处于三向应力状态，矿柱中部为弹性核区，两侧为塑性区，如图2所示。

图2 三向应力状态下矿柱的塑性区和柱核区

2 矿柱失稳破坏机理分析

在条带开采中当矿柱的塑性区宽度发展到一定宽度时，矿柱易产生突发性失稳破坏[9]。条带开采中保留条带矿柱承受的载荷主要是上覆岩层的自重[9]，如图3所示。在以往的研究中往往忽略了顶板与矿柱的相互作用，在“三下”压矿条带开采中可采用突变理论研究大采深厚矿体条件下矿柱突变破坏失稳机理[9]。

图3 矿柱屈服区与弹塑性区分布

应力峰值σ1为矿柱屈服应力，矿柱边界至峰值应力σ1区域称为塑性区，其宽度用Y表示，矿柱两侧塑性区之间为弹性核区，如图3所示。在窄矿柱条件下，矿柱两侧已经采空，矿柱由外向里依次为片帮区、塑性区、弹性核区，这种条件下弹性核区很小，在开采扰动或者顶板下沉过程中弹性区极易向塑性区转变，导致矿柱破坏失稳。可见，在条带开采中，为了维持矿柱的支撑作用，在兼顾回采率条件下应该尽量保留宽矿柱，加强回采巷道矿柱侧支护，使矿柱保持在三向应力状态下，以提高矿柱的强度。

根据矿柱失稳尖点突变理论，失稳临界点两侧塑性区和弹性核区满足公式(1)即：

(1)

式(1)即为条带开采中矿柱发生突变失稳破坏的条件，是矿柱刚度不够条件下突变失稳的判据，对上式进一步整理可得：

(2)

式(2)表明：保留的条带矿柱中弹性核区宽度占留设矿柱宽度的11.92%以下时，矿柱极易发生突变失稳破坏。弹性核区宽度占留设矿柱总宽度的11.92%以上时，其稳定性较好。因此，矿柱保持长期稳定的前提是必须保证一定的核区宽度。

3 条带矿柱失稳数值模拟分析

3.1 矿柱稳定性数值模型的建立

为了掌握该矿3#矿条带开采过程中保留矿柱的应力分布规律及其变形特征，为设计合理的开采方案提供理论依据，采用FLAC3D数值模拟软件对条带开采采宽120 m、保留矿柱90 m的开采方案中矿柱的稳定性、塑性区和应力分布规律进行研究。模拟矿岩体参数和本构模型应尽可能地拟合条带开采的实际情况，以便与矿柱稳定性监测数据进行对比，来验证所建数值模型的适用性。

模型中矿岩体力学特性可采用Mohr-Coulomb屈服准则来进行约束[12]，模型的长×宽×高=800.0 m×500.0 m×740.0 m，三维数值计算初始模型如图4所示，模型中各岩层的物理力学参数如表1所示。

图4 三维数值计算初始模型

表1 数值计算采用的矿岩体物理力学参数

3.2 矿柱塑性区分布结果

条带开采结束后作用在矿柱上的载荷达到其屈服强度后，此时在矿柱两侧产生了一定宽度的不可恢复的塑性变形和破坏，导致矿柱整体的承载能力下降。按照条带采宽120 m、留宽90 m方案开采后，矿柱的塑性区分布见图5。从图5可以看出：条带矿柱塑性区主要分布于矿柱的两侧及顶、底板岩层中，塑性区发育在矿柱与矿体顶、底板角点处达到最大，大致呈“X”形发育，塑性区对围岩影响较小，且矿柱一侧塑性区宽度仅为25 m左右。此时弹性区宽度约为40 m，占矿柱总宽度的44%，根据尖点突变理论可知矿柱可以保持长期稳定。

图5 条带开采方案塑性区分布模拟结果

3.3 矿柱应力分布规律

受条带开采扰动，“矿柱-覆岩”应力平衡体系会被打破，随着应力的重新分布，保留矿柱中应力范围和大小也会随之改变，研究矿柱应力分布规律、应力水平及其与屈服应力之间的关系，以判断矿柱所处应力环境，稳定的应力环境是决定矿柱在长期采场矿岩体流变过程中保持稳定的关键。

条带开采后矿柱垂直应力分布特征见图6，根据模拟结果可将矿柱划分为应力卸载区、应力高峰区和弹性区3部分[13]，且垂直应力约为最大主应力的1.2倍左右，最大主应力中拉应力呈两端高而中间低的“马鞍形”分布特征，在矿柱内存在一定程度的应力集中，表明矿柱边缘塑性区易发生拉伸破坏。卸载区矿柱已经完全进入塑性破坏状态，其承载应力急剧下降，且该部分围岩发生明显形变，按照条带方案开采后卸载区宽度发展到20 m，约占矿柱宽度比例的44.4%。位于应力卸载区和弹性区之间的矿柱为承载高峰区，此区内矿柱虽然进入塑性状态，但其处于三向受力状态下承载能力较强。采宽120 m、留宽90 m时矿柱应力高峰区内应力集中系数达到1.8～2.0，应力峰值约为21.3～23.5 MPa，峰值位于塑性区内12 m附近，此时弹性核区宽度为40 m，且弹性核区所占矿柱宽度比例44.4%，矿柱稳定性较好。

图6 条带开采方案应力分布云图

4 条带矿柱稳定性现场监测

条带矿柱稳定性监测是一项隐蔽性很强的工程，必须通过现场监测信息来判断矿柱的长期稳定性。该工程采用位移监测仪和钻孔应力计对矿柱进行监测，监测条带工作面附近和工作面后方矿柱的横向变形和垂向压力[14]。通过对监测信息进行分析，以保证井下施工生产安全，监测系统布置平面图见图7。

图7 矿柱稳定性监测系统布置平面图

4.1 矿柱横向变形监测数据分析

根据上述监测方案对3102条带工作面轨道顺槽矿柱布置测站，根据监测数据绘制趋势线，图8和图9分别为矿柱不同深度的横向变形速度和变形量曲线图。

图8 矿柱不同深度横向变形速度

图9 矿柱不同深度横向变形量

根据图8和图9可知：矿柱横向变形速度在其两侧9 m内达到最大值，横向位移变形主要发生在其边缘18 m范围内，此区域矿柱已经完全发生塑性破坏；5～9 m范围内矿柱横向变形速度先增大后减小，说明随着工作面向前不断推进，冒落顶板围岩被逐渐压实，矿柱横向变形速度降低。在横向变形测点距工作面30～40 m时，矿柱受采动影响逐渐出现微变形，说明3102工作面超前影响距离约为40 m。随工作面超前监测点40 m后，条带矿柱的横向变形速度以及变形量开始逐渐增大，说明覆岩基本顶的破断已经影响到了矿柱的稳定性，此时作用在矿柱上的载荷主要为基本顶及其上覆岩层构成的外应力拱内岩体。

4.2 矿柱竖向受力监测数据分析

根据监测数据可知：矿柱不同深度处竖向载荷受时间、采动影响而变化，如图10所示。在超前工作面距离为330 m时，12 m深处传感器数据开始显现，在超前工作面290 m时达到了应力计的最大值，说明该段矿柱承受的载荷较大。在矿柱两侧3 m深位置受支护系统约束而处于三向应力状态，当条带工作面超前测站75 m时，3 m深应力计读数增大到最大值约10.3 MPa，此时矿柱开始破坏。由于这一强度远大于实际矿岩体的强度，说明巷内支护系统的横向约束使得矿柱保持在三向受力状态下。

图10 矿柱内不同深度处钻孔应力变化曲线

不同监测时期矿柱不同深部支承压力分布情况如图11所示。由图11可知：随着工作面的不断向前推进，矿柱内支撑压力峰值逐渐向内部转移，在矿柱内9～15 m深度位置支撑压力达到最大值约13 MPa，而18 m深位置处矿柱应力最大仅约为4 MPa，此时矿柱内部承受压力较小，但是随着时间的推移，18 m深位置处矿柱上支撑压力逐渐增大并向中部转移[15]。

图11 不同时期3 m、6 m和18 m深钻孔应力计观测曲线

5 结 论

(1)通过对条带开采矿柱稳定性影响因素和破坏机理分析可知：条带开采保留矿柱处于三向应力状态，两侧为塑性区，中部为弹性核区，且弹性核区宽度占比矿柱总宽度的11.92%以上时矿柱才能够保持长期稳定。

(2)结合该矿山矿体赋存条件建立了深部厚矿体条带开采FLAC3D数值模型，对模拟结果进行分析可知：在大采深厚矿体的条件下，矿柱塑性区宽度为20 m，弹性核区宽度为40 m，其占矿柱宽度比例44.4%，矿柱应力高峰区内应力集中系数达到1.8～2.0，应力峰值约为21.3～23.5 MPa，留设矿柱稳定性较好。

(3)通过对条带矿柱在采矿工作面的推进过程的横向位移和竖向受力进行监测可知：工作面开采超前影响距离为40 m，条带矿柱边缘12 m内横向变形较大，确定了矿柱一侧的塑性区宽度约为18 m，矿柱上9～15 m深度位置处应力达到峰值，基本上与数值模拟结果一致。