CN107916934A - 一种多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法，包括截取待开采水平矿柱的部分矿体作为样品，测定样品的体密度，泊松比，抗拉强度极限的矿岩体物理力学测定步骤；测量待开采水平矿柱延矿体走向的长度a及垂直矿体走向的长度b，初步确定开采时水平矿柱的最小保留垂直厚度h的水平矿柱测量步骤；计算水平矿柱受到的最大拉应力的最大拉应力计算步骤；当时，此时水平矿柱的最小保留垂直厚度h为失稳临界厚度的失稳临界厚度判定步骤。本发明基于符拉索夫厚板理论，建立了水平矿柱临界厚度的判定力学模型，为矿山及时准确的判定水平矿柱临界厚度提供了理论依据，有利于提高水平矿柱的安全回收，提高了矿产资源的利用率。
Description
技术领域
本发明属于矿物采掘技术领域，具体涉及一种失稳临界厚度判定方法简单、水平矿柱回收安全、回收率高的多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法。
背景技术
近年来，水平分层充填采矿法（上向/下向）多采用沿矿体水平全断面开挖，机械化大盘区、无矿柱连续布置以及双中段甚至多中段同时回采的模式得到广泛应用。在双中段或者多中段同时回采且进路充填无法接顶时，水平矿柱必然会动态形成。水平矿柱是矿柱中较典型的一种，起到承载采场及空区的作用，能够确保采场及空区的稳定性。过去几年中，部分矿山在开采过程中出现了水平矿柱，如金川二矿区、金川龙首矿、武山铜矿、凤凰山铜矿、安庆铜矿等。
金川二矿区采用多中段大面积连续开采工艺，其采矿方法为机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法，且盘区间不留矿柱。随着开采深度的增加，巷道变形问题突出，在回采1150m中段1198m分段最后两个分层和整个1178m分段时，分层联络道和进路内充填体出现大面积脱层，进路变形问题突出，进路底板矿石松散破裂，给二矿区带来了巨大的经济损失。2009年，中南大学对于金川二矿区多中段同时回采时采空区及地表的变形规律做了研究，主要针对连续回采模式和两步骤回采模式，研究了二矿区水平矿柱的变化规律，并从岩石突变理论的角度解释了地表变形的规律及其原因。但是，并未提出针对水平矿柱失稳临界厚度的判定技术。
安庆铜矿为确保高中段回采安全，在-385～-400m之间留设了15m厚的水平矿柱，随开挖和充填深度的增大，留设的矿柱量也越来越多，造成了严重的资源浪费，为了研究针对水平矿柱的回收方法，廖伟成结合工程实际情况，模拟分析了多种回采方法，主要从安全性和回收效率进行考虑，最终选择上向进路分层充填法进行回采。仅考虑了水平矿柱回收方法，并未分析预留的水平矿柱厚度是否合理。
此外，龙首矿岩体复杂破碎，为研究其贫矿体大面积开采过程中预留30m厚度的水平矿柱能否保证地表及井下采场结构的稳定，吴爱祥等采用尖点突变理论对龙首矿预留水平矿柱的稳定性进行了分析，并利用SURPAC、ANSYS以及FLAC 3D等三维数值模拟软件对矿柱的稳定性进行了研究。通过GPS地表监测，验证了理论计算与数值模拟结果的可靠度。提出及时充填且保证充填接顶率，水平保安矿柱厚度为30m时便不会出现突变失稳破坏。但研究结果只针对特定厚度水平矿柱稳定性进行判定，无法计算矿柱临界厚度。
另外，在分析水平矿柱回采过程最有可能失稳方式的基础上，李奇等基于小变形薄板理论将采场顶板简化成薄板结构，通过对水平矿柱的受力分析并结合其赋存条件，将单个水平矿柱采场回采后的状态简化为四边固支薄板，通过李兹法求解其挠度表达式，结合极限平衡强度理论，分析采场跨度和预留安全厚度的关系，其成果为安全回采水平矿柱提供理论依据。但是，当水平矿柱尺寸不满足薄板结构时，其研究结果失真。
矿产资源是不可再生资源，珍惜有限的矿产资源对于我国国民经济发展具有极其重要的意义。资源的浪费，不仅是导致资源问题的根源，也是产生其它危机，如经济、环境和稳定等问题最重要的原因之一。因此，如何准确的判定水平矿柱的失稳临界厚度，将对矿山安全的对水平矿柱进行回收，从而最大限度的回收水平矿柱，减小资源浪费，有效延长企业服务年限具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种失稳临界厚度判定方法简单、水平矿柱回收安全、回收率高的多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法。
本发明的目的是这样实现的：包括矿岩体物理力学测定、水平矿柱测量、最大拉应力计算、失稳临界厚度判定步骤，具体包括：
A、矿岩体物理力学测定：截取待开采水平矿柱的部分矿体作为样品，测定样品的体密度、泊松比、抗拉强度极限；
B、水平矿柱测量：测量待开采水平矿柱延矿体走向的长度a及垂直矿体走向的长度b，初步确定开采时水平矿柱的最小保留垂直厚度h；
C、最大拉应力计算：计算水平矿柱受到的最大拉应力
其中：q0为水平矿柱顶端介质载荷，g为重力加速度；
D、失稳临界厚度判定：当时，此时水平矿柱的最小保留垂直厚度h为失稳临界厚度。
本发明根据测定及测量得到的水平矿柱工程特征，建立了水平矿柱失稳临界厚度的判定力学模型，得出了水平矿柱的失稳临界厚度与矿体厚度及矿体力学参数之间的关系，为矿山及时准确的判定水平矿柱失稳临界厚度提供理论依据，从而能够指导矿山企业安全的对水平矿柱进行回收，达到最大限度的回收水平矿柱，减小资源浪费，有效延长企业服务年限的目的。因此，本发明具有失稳临界厚度判定方法简单、水平矿柱回收安全、回收率高的特点。
附图说明
图1为本发明采场垂直剖面图；
图2为实验例下向水平分层矩形进路布置图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明包括矿岩体物理力学测定、水平矿柱测量、最大拉应力计算、失稳临界厚度判定步骤，具体包括：
A、矿岩体物理力学测定：截取待开采水平矿柱的部分矿体作为样品，测定样品的体密度、泊松比、抗拉强度极限；
B、水平矿柱测量：测量待开采水平矿柱延矿体走向的长度a及垂直矿体走向的长度b，初步确定开采时水平矿柱的最小保留垂直厚度h；
C、最大拉应力计算：计算水平矿柱受到的最大拉应力
其中：q0为水平矿柱顶端介质载荷，g为重力加速度；
D、失稳临界厚度判定：当时，此时水平矿柱的最小保留垂直厚度h为失稳临界厚度。
所述B步骤中待开采水平矿柱的最短边长度小于最小保留垂直厚度h的5倍。
所述C步骤中待开采水平矿柱简化为矩形区域且四周为围岩或矿体、水平矿柱与底部充填体之间具有空膛。
所述C步骤中水平矿柱受到的最大拉应力为水平矿柱下表面（a/2、b/2）处的拉应力。
所述D步骤中时，水平矿柱将发生拉伸失稳破坏。
实验例1
1、下向水平分层矩形进路式胶结充填采矿法数值模拟
（1）几何模型建立
建模区域选择：采用FLAC 3D软件进行数值分析研究，根据所研究的问题和某铅锌矿矿山开采现状，选取了地表以下标高680m深度至760m段矿体作为研究分析对象，矿体倾角72°，沿着矿体走向上取40m，垂直矿体走向方向取50m建立模型。矿体上部及四围岩取3倍矿体尺寸，底部围岩取100m。数值模型为长方体（350m×280m×420m），将矿体围在中部。
模型边界与破坏准则：模型四周和底部采用位移约束（Fix），顶部采用自由边界，将重力加速度设置为-9.81m/s2。矿岩和充填体的破坏主要表现为弹塑性破坏，屈服准则采用摩尔-库仑准则。
进路布置：矩形进路奇数层沿着矿体走向方向布置，偶数层垂直矿体走向布置，760m至720m布置720中段，720m至680m布置680中段，720中段和680中段同时开采。
建立FLAC 3D有限差分法几何模型：进路布置图如图2所示，几何模型的单元数（zone）为2605066，节点数（gridpoints）为2684352。
开挖步骤
矩形进路垂直或沿着矿体走向交错布置，模拟计算过程中每分层的进路采用隔一采一的开采方式，即：先开挖720中段和680中段的1分层1期进路，之后进行充填1分层1期进路，然后再开挖1分层2期进路，接着充填1分层2期进路。
（2）模型参数选取
矿岩参数赋值
本次模拟赋值计算中采用的矿岩体物理力学参数见表1所示。
表1 矿岩参数赋值
原岩应力赋值
本次计算地应力赋值见表2。
表2 模型赋应力值表
| 对应水平 | σX（MPa） | σY（MPa） | σv（MPa） |
| 1000m水平 | -1.7737 | -1.0287 | -1.12 |
| 580m水平 | -20.398 | -11.831 | -12.88 |
（3）模拟初始状态分析
在岩石力学参数和边界条件加载完成后，得到矿山在开采前的地应力状态。在初始应力场达到平衡后，对各节点位移和速度进行了清零处理，以消除各点在初始应力场平衡计算中产生的位移，使得初始位移和实际相符。经过分析得出初始地应力场基本与工程实际相满足，可以进行下步开挖和充填工作。
（4）模拟结果
矩形进路底宽3m，高3m。5分层开采工作完成时，720、680中段之间矿体的垂直厚度减小至24m，矿体内最大主应力和最小主应力都发生了突变。形成了近似“X”状的最大主应力集中区域，最大主应力集中区域的应力处于-17.5MPa~-20MPa之间。此外，出现了近似“X”状的最小主应力减弱区，应力处于-2MPa~-3MPa之间。同时，720中段未开挖矿体从上中段进路底板塑性区距离下中段进路顶板半圆拱塑性区仅仅4m就形成贯通区域，水平矿柱已经完全形成。
当水平矿柱厚度减小为21m时，水平矿柱的最大主应力集中区域从720中段底板靠近上盘围岩处到680中段充填体上部靠近下盘处形成贯通，应力为-18MPa~-22MPa之间，为同水平上、下盘围岩最大主应力的1.3倍左右，此外，水平矿柱内部最小主应力减小至0.98MPa~-3MPa之间，且应力分布趋于均匀。同时，水平矿柱塑性区体积突增，整个矿柱出现塑性区贯通区域。此时，水平矿柱完全被破坏。
实施例1
某铅锌矿采用盘区机械化下向分层进路式胶结膏体充填采矿法，上下层进路垂直交错布置。随着多中段同时开采，760中段未开采矿体在底部支撑较弱且所受应力较大条件下，经受了大变形，矿石表现出碎裂状；矿柱有明显的张性裂隙、新裂隙，闭合节理扩张，有明显错动；同时，充填体出现不接底现象。综合以上各种现象可知，760中段水平矿柱形成且逐渐被破坏，此时，水平矿柱的垂直厚度为22m。
Claims (5)
1.一种多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法，其特征在于包括矿岩体物理力学测定、水平矿柱测量、最大拉应力计算、失稳临界厚度判定步骤，具体包括：
A、矿岩体物理力学测定：截取待开采水平矿柱的部分矿体作为样品，测定样品的体密度、泊松比、抗拉强度极限；
B、水平矿柱测量：测量待开采水平矿柱延矿体走向的长度a及垂直矿体走向的长度b，初步确定开采时水平矿柱的最小保留垂直厚度h；
C、最大拉应力计算：计算水平矿柱受到的最大拉应力
其中：q0为水平矿柱顶端介质载荷，g为重力加速度；
D、失稳临界厚度判定：当时，此时水平矿柱的最小保留垂直厚度h为失稳临界厚度。
2.根据权利要求1所述多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法，其特征在于所述B步骤中待开采水平矿柱的最短边长度小于最小保留垂直厚度h的5倍。
3.根据权利要求2所述多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法，其特征在于所述C步骤中待开采水平矿柱简化为矩形区域且四周为围岩或矿体、水平矿柱与底部充填体之间具有空膛。
4.根据权利要求1、2或3所述多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法，其特征在于所述C步骤中水平矿柱受到的最大拉应力为水平矿柱下表面（a/2、b/2）处的拉应力。
5.根据权利要求4所述多中段同时开采模式下水平矿柱失稳临界厚度判定方法，其特征在于所述D步骤中时，水平矿柱将发生拉伸失稳破坏。
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