某鈾礦上下分區間保安礦柱破壞規律研究

程光華，孫剛友，任 賽

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

隨著鈾礦山開采深度的增加，地質條件逐漸惡化，為保證鈾礦山的安全高效開采，在上下分區間留設水平保安礦柱。水平保安礦柱可使上下采區同時進行生產活動；也便于在深部采準工程施工時，減少上下采區間地應力的相互影響[1]。留設的水平保安礦柱穩定與否直接關系到深部開采的安全性。采用數值模擬礦柱破壞規律，可以較為直觀、真實地反映保安礦柱的破壞過程[2-5]。通過對留設不同厚度水平保安礦柱的穩定性進行分析，得出該礦山水平保安礦柱的合理尺寸[6-7]，同時對上盤巖體的失穩演化規律進行分析。

1 工程背景

某鈾礦山礦體賦存標高360～-560 m，埋藏自南向北傾覆，傾角70°，屬急傾斜礦床，礦體分布不均。礦體形態為復雜脈狀、透鏡狀，平均厚度為2 m，淺部礦體傾角較陡，深部傾角變緩。礦床地質構造簡單，巖石硬度系數f=8～12，巖石質量較好。礦床工程地質條件屬簡單類型，且構造裂隙導水性差，充水含水層屬弱富水性，水文地質條件為簡單類型。

該鈾礦床以-280 m標高為界，礦體集中程度有明顯變化。針對規?；?、集約化開采方案，以-280 m 標高為界分為分上下2個采區，如圖1所示。

2 保安礦柱破壞數值模擬

2.1 構建模型

該鈾礦床開采條件中等，設計主要采用廢石充填法開采；但廢石回填體的強度無法達到原有巖體或膠結充填的強度，且廢石充填不能充滿整個采場，因此會產生部分的二次應力分布。為了明確回采過程中水平保安礦柱、上下盤圍巖的應力、位移變化及分布規律，采用FLAC3D進行數值模擬分析。按照礦山生產實際，在上下采區的銜接處留設水平礦柱，如圖2所示；建立的數值模型如圖3所示。

模型為垂直礦體走向長400 m，豎直方向高540 m、沿礦體走向方向寬80 m的范圍。模型側面限制水平位移，模型底部限制垂直位移。巖石力學參數見表1。

圖2 上下分區間保安礦柱示意圖

圖3 建立的保安礦柱數值模型

表1 巖石力學參數

2.2 數值模擬結果分析

在FLAC3D的平臺，結合該鈾礦生產實際，采用逐步逼近法計算開采體系中水平保安礦柱的適宜厚度。通過不斷減少礦柱尺寸，計算礦柱由穩定狀態向極限平衡狀態演化的臨界厚度，得到礦柱安全厚度。水平保安礦柱的作用主要是支撐上下盤圍巖，緩解、降低上部地壓對深部采場的作用，并支撐上部松散充填體。

2.2.1 不同厚度礦柱塑性區分析

-280 m標高分別留設不同厚度水平保安礦柱的塑性區分布如圖4所示?？梢钥闯?，留設14 m水平保安礦柱時，只在礦柱角點有微量礦體發生塑性破壞，此時礦柱穩定性較好(圖4-a)；礦柱減小到12 m時，塑性區有所增加，但沒有貫通(圖4-b)；礦柱減小為10 m時，礦柱中塑性區基本連通，破壞嚴重(圖4-c)，且部分礦柱經歷多次剪切和拉伸破壞，礦柱的整體性受到嚴重破壞，此時它已不能以整體結構在地壓控制過程中發揮積極作用。水平礦柱先是從兩端出現塑性區，最后沿礦柱對角線產生破壞。

圖4 -280 m分別留設不同厚度水平保安礦柱的塑性區分布

礦柱失穩是礦柱塑性區擴展演化而誘發礦柱發生大規模的塑性流動，伴隨著礦柱失去承載力，而發生的橫向屈服變形、頂板垮落、開采區被上覆巖層充填、巖層發生彎曲下沉等現象。不同礦柱寬度下礦柱塑性區所占比例如圖5所示?？梢园l現，隨著礦柱厚度的減小，礦柱內的塑性單元所占比例增加。當-280 m水平礦柱厚度由10 m變為12 m時，礦柱內處于塑性狀態的單元所占比例由42.71%驟降為19.57%；當礦柱厚度為12～14 m時，塑性區所占比例較小，比較安全。

圖5 留設不同厚度水平保安礦柱塑性區所占比例

2.2.2 不同厚度礦柱拉應力分析

-280 m標高留設不同厚度水平保安礦柱的最大應力分布如圖6所示，在FLAC3D中拉應力為正。從數值分析結果可看出，當保安礦柱厚度分別為14、12、10 m時，僅僅是在靠近水平保安礦柱下盤頂部和上盤底部位置產生拉應力集中，最大拉應力分別為6.54、6.41、6.37 MPa，均小于巖體的抗拉強度，且拉應力變化幅度較小，說明保安礦柱并未產生拉伸破壞。但水平保安礦柱底部靠近上盤位置拉應力較大，屬于比較危險區域，生產活動中應加強對該區域的應力監測。

2.2.3 不同厚度礦柱位移分析

在礦柱跨度一定的情況下，水平保安礦柱厚度不同導致上盤巖層位移不同。隨著礦柱厚度的減少，開采區上覆巖層向充填區域位移增加，礦柱頂板沉降量也增加；且當礦柱厚度減少到一定尺寸時，出現礦柱失穩，上下采區上盤巖體冒落區域發生合并，威脅上部采區的安全作業。礦柱中位移最大區域分布在礦柱的端點部位，礦柱位移監測點根據礦柱危險部位人為設定，位移監測點布置如圖7所示。在礦柱內部設置監測點，整理模擬計算數據，并繪制位移曲線(圖8)。

圖6 -280 m留設不同尺寸水平保安礦柱最大應力分布

圖7 位移監測點分布示意圖

圖8 -280 m水平礦柱監測點位移曲線

從圖8可看出，當-280 m水平礦柱厚度為12 m時，礦柱在監測點4、監測點2、監測點3、監測點1的豎向沉降量依次減小。這說明水平保安礦柱在靠近上盤的角點位置最為危險，礦柱可能從該位置開始發生破壞，應加強在該位置的應力、位移監測。水平礦柱頂板在產生一定的位移后趨于平穩，此時保安礦柱仍保持相對穩定，在控制地壓活動中起到積極作用。根據數值模擬分析結果，從塑性區分布、應力和位移分析得出，-280 m留設保安礦柱厚度為12 m時，可以保證其穩定性。

3 上盤巖體失穩演化模式

開采區的形成導致周邊圍巖應力平衡被打破，應力重新分布，水平保安礦柱厚度不同時，其上盤巖體的移動規律不同。水平保安礦柱的失穩演化模式如圖9所示?？梢钥闯?，水平保安礦柱的強度決定了開采區上盤圍巖是否垮落。上下采區間保安礦柱的破壞可分為3個階段。

3.1 承壓區、卸壓區形成階段

礦體開采后采用廢石充填，廢石充填體的強度低、空隙大，上盤巖體將形成應力拱。由于水平保安礦柱的存在，各應力拱之間相互獨立，應力拱內礦巖受拉，同時將巖體的自重轉載至相鄰的水平保安礦柱上，導致礦柱上下盤圍巖應力集中，形成承壓區。此時水平保安礦柱強度大于上下盤圍巖的集中應力，處于穩定階段(圖9-a)。

3.2 卸壓區疊加階段

受復雜地質條件的影響，保安礦柱的強度逐漸趨近于上下盤圍巖的集中應力，原本相互獨立的應力、位移區開始出現重合區域，此時水平保安礦柱處于極限應力平衡狀態(圖9-b)。

3.3 卸壓區冒落階段

隨著礦柱強度的繼續降低，處于極限應力平衡的水平保安礦柱開始失穩，無法再支撐上盤圍巖的集中應力。上盤圍巖由于卸壓區過大形成垮落帶(圖9-c)，原本部分區域重合的應力拱現已完全合并，形成更大的應力拱；但由于廢石充填體的存在，垮落帶范圍不會太大。

圖9 水平保安礦柱失穩演化模式

4 結論

1)通過FLAC3D對某鈾礦山上下分區開采水平保安礦柱留設厚度進行數值模擬，確定12 m為水平保安礦柱的安全厚度。

2)通過對礦柱破壞引發的上盤巖體冒落演化過程進行分析，由于礦體的開采，造成地應力二次分布，在開采區上盤形成卸壓區和承壓區，礦柱發生從穩定階段到變形階段、破壞階段的演化，與巖石的壓破壞類似，說明水平保安礦柱的破壞機制符合巖石的破壞規律。

3)水平保安礦柱的穩定性是一個動態過程，應在保安礦柱應力集中區域安裝相應監測系統，實時掌握礦柱應力、位移變化大小及規律。