深部开采过程中隔离矿柱承载机理及厚度优化

浅部易采矿产资源逐渐枯竭，深部资源成为未来矿产资源开采的必然趋势[1-4]。深部开采过程中，高地应力、高井深、高地温和高承压水以及循环开采扰动的深部开采环境[5]，极易诱发开采过程中的岩爆、大变形及大体积塌方等工程灾害，威胁到人员、设备的安全。特别是在高地应力作用下，巷道、采场等开采工程破坏严重，顶板及上盘岩体频繁冒落，导致开采过程中工程支护成本急剧上升，损失贫化加剧;严重者导致矿体无法开采，造成大量的经济损失[1-2]。

岩体被开挖之前处于平衡状态，开挖破坏了岩层的平衡状态，岩层向新的平衡调整，调整过程中带来的地应力的重新分布，引起开挖工程的变形与破坏，这就是地压显现。当地应力超过岩层的极限平状态，岩体就发生变形破坏，导致地下工程灾害的发生。垂直地应力与构造地应均随开采深度增加而非线性增大，且不可回避、无法避免。针对深部矿产资源高应力的开采环境，研究人员提出了“卸压开采”的理论[6-7]。卸压开采基于应力调控的方法，降低拟开采区域的应力数值，对拟开采区域的工程稳定、开采安全具有积极的意义。卸压开采理论在实际程实践中主要通过“开采顺序”[8-9]和“卸压爆破”[10-11]来实现。开采顺序调控中主要形成一个“倒置金字塔”的开采顺序，将地应力向两翼及上下盘围岩中进行调控，减小矿体中应力集中。卸压爆破则是利用预裂爆破的方法，切断地应力的传播路径，一定范内改变地应力的传播路径。采矿实际生产中，借鉴采场预留自然矿柱作为底柱做法，部分学者如许宏亮[12]、赵兴东[13]、李夕兵[14]提出了在深部开采中预留一定量的自然矿柱来隔离深部与浅部开采，起到调节深部应力分布的作用，减少或控制地表岩移。预留自然隔离矿柱操作相对简单，在深部开采中被广泛使用。

本项目依托的某铅锌矿山在开采过程中，上形成较多空区，空区下存在较多深部矿体尚待开采，提出一种空区下预留一定厚度的原岩矿柱隔离浅部空区与深部待采矿体的解决方案，通过隔离矿柱，实现浅部空区处理与深部矿体开采的平稳过渡。基于理论计算、相似材料物理仿真、数值模拟等方法，揭示了隔离矿柱的作用机制，开展了隔离矿柱厚度的优化。借鉴露天转地下过程中预留隔离矿柱技术，在深部开采过程中，预留隔离矿柱，一方面起到有效隔离浅部与深部开采相互影响，实现浅部空区处理、残矿回收与深部开采的互不干扰、并行作业，保证矿山在深部开采采矿方法更换过程中的产能平稳渡、生产顺利衔接。同时作为承载矿柱，降低深部开采的垂直应力，为深部资源开采提供较好的条件。基于荷载传递交线法、厚跨比法、简化梁法、鲁别涅伊特公式 4 种方法，进行综合考虑，理论计算结果显示 25 m 厚的原岩隔离矿可以达到预期效果。基于数值模拟仿真，对比 15 m、20 m、25 m、30 m的不同厚度隔离矿柱作用下的位移、塑性区变化规律，表明 25 m厚的原岩隔离矿柱满足安全生产需求。基于相似材料物理仿真实验，25 m厚的原岩隔离矿柱在持续梯度加载下，经历稳定持压阶段、微裂隙产生发展阶段和自然隔离矿柱失稳阶段 3 个阶段，经历了裂隙的迅速扩展后进而发生破坏失稳。隔离矿柱失稳时对应的加载压力为自重应力的 3.5倍，表明 25 m厚的自然隔离矿柱在正常情况下，可以保证生产安全。25 m 厚的原岩隔离矿柱占用矿量约 37.6万 t，价值约为 1.08 亿元。因此在条件具备的情况下，原岩矿柱应该进行回收，以降低矿石损失与浪费。