金属矿山多矿柱承载与失稳破坏研究

李坤1,厉浩2

1山东科技大学 山东 青岛 266590

2淮海工学院 江苏 连云港 222069

摘要：在金属矿山开采中，当采用房柱法、全面法等空场采矿法时，会留下许多矿柱来支撑采空区周围岩体，以此维护采场稳定性。矿柱中的高应力集中导致了高应变能的储备，而周围采场的开采活动也提供了能量积聚的外在条件，当载荷超过矿柱的承载极限后，岩体中的弹性能大量释放，将引起多矿柱的大规模失稳破坏。

关键词：金属矿山；多矿柱；失稳破坏；

引言

随着矿产资源日益枯竭以及矿山生产的迫切需求，矿柱的安全高效回采已成为许多矿山企业面临的难题。矿房内矿石开采后采空区残留矿柱起到支撑空区顶板的作用，导致矿柱应力集中，尤其是一些特殊工况下，比如该中段的上下中段矿房均已开采、只有上下矿段对应的矿柱存在时，矿柱的回采形式就成为保证矿柱安全高效回采的关键。合理的矿柱回采方式对于提高矿床资源采出率、实现矿山可持续发展具有重要意义。

1金属矿山面临的挑战

（1）金属矿山普遍存在生产中段较多、采场分散、环境较差、采掘工艺复杂、环节多、生产设备复杂多样、生产成本逐步升高等情况，给矿山安全高效生产带来难题。经过多年的开采，资源枯竭是许多矿山面临的问题，将不得不进行地下深井探矿和采矿，而深部开采带来的安全管理压力会逐渐增大。（2）随着国家对环境保护与生态文明建设要求愈来愈严，给矿山企业带来的压力也随之增加。党的“十八大”明确了建设生态文明这一宏伟目标，对矿山环境保护工作和矿山可持续性发展提出了更高的要求，迫切需要转变传统矿山生产建设理念。（3）多年的人口政策和社会经济快速发展的影响，“人口红利”的优势已经消失。几十年来，我国矿山企业建设获得了长足进步，完成了低端的发展。而随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，矿山企业逐渐面临人才队伍建设的困难，主要表现为招工困难、人才队伍老龄化严重、人员的技术层次低、人才专业结构不合理、高级技工比例偏低、人才流失严重。矿山传统的粗放型发展模式逐步将成为过去，其带来的高投入、高消耗、高成本和高污染发展模式也将随着社会进步和经济政策的完善而成为历史。面对严峻的挑战，矿山企业的当务之急是做好数字化转型，在这个过程中矿山企业要抓住机遇对各要素进行升级，做好安全生产标准化、自动化、智能化和立体化管控工作。

2单矿柱稳定性研究方法

2.1安全系数法

安全系数法是矿柱稳定性评价的传统方法。安全系数的定义为矿柱强度与矿柱荷载的比值，当比值小于1时，矿柱的荷载超过其峰值强度，即矿柱失效。根据矿柱安全系数的定义建立矿柱的安全系数表达式时，需对矿柱强度、荷载进行估算。目前预测矿柱强度的方法主要是利用经验公式，并且多数都基于矿柱宽高比。首次提出基于试验室测试煤岩试样强度的Holland Gaddy公式；根据现场矿柱的测量和观察进行回归分析推导了一种矿柱强度计算公式；通过分析失效矿柱数据库建立了矿柱强度的经验公式，结合Bieniawski岩体分级、室内试验和数值模拟的结果，提出了一种考虑岩石强度、矿柱尺寸和潜在不连续面影响的矿柱设计方法；提出了一个局部退化模型来进行矿柱渐进破坏的平面应变分析及矿柱强度的预测；通过试验和模拟得出，当矿柱宽高比小于5时，矿柱强度取决于矿柱宽高比，而矿柱峰后应力-应变曲线的非线性则取决于宽高比和单轴抗压强度；研究了矿柱几何形状和矿柱强度之间的关系。

2.2数值分析法

数值分析法被广泛地应用于矿柱稳定性评价中。利用FLAC3D建立某海底金矿三维数值模型，综合分析了海水压力和开采顺序对顶柱稳定性的影响；通过数值模拟的方法研究了一个多矿柱多米诺失稳破坏案例，模拟了载荷传递与破坏过程。由于实际工程中，矿柱内往往赋存着许多大小产状不等的结构面，通过将离散元和有限元相结合的方法，模拟了结构面对不同宽度矿柱稳定性的影响；根据土耳其某采石场的地质构造和岩石物理力学性质等现场数据，通过数值模拟确定了开采的房柱最佳参数，估算了矿柱中的垂直应力，并进行了多矿柱系统的稳定性分析；通过三维有限元数值分析方法，确定了回采区优势结构面、关键矿柱以及矿柱临近区域的损伤情况，对残留矿柱回采方案进行了稳定性分析；应用突变理论和数值模拟相结合的方法，对某金矿的矿柱进行了稳定性分析，并分析了开采扰动对矿柱稳定性的影响。

3金属矿山采矿技术的采矿技术要点

3.1改良技术、规范有效，设计合理有效的采矿技术方案

采矿单位要实施自己的金属矿山采矿技术的采矿技术。采矿单位做好金属矿山采矿中采矿技术，金属矿山设备及时更新，寻求各种通路的资金进行设备引进，先学习先进的设备技术操作流程，进而再为我所用，金属矿山行业的人员应不断更新自己的知识，不断改善采矿技术方案，提升方案的时代适应性，金属矿山采矿单位进行金属矿山采矿中采矿技术的分析和反思，正确制定备品备件的策略，在采矿单位推崇的成本管理中显得尤为重要。现代信息技术的发展丰富了采矿技术流程工序方法的维度，为了保证采矿单位有效的进行金属矿山采矿中采矿技术监测，金属矿山采矿中采矿技术既要能及时改革，且每次改革又要降低金属矿山采矿中采矿技术储备资金。

3.2创新金属矿山采矿技术，协调不同组织之间的利益

通过建设和创新金属矿山采矿技术政策，政府协调不同组织结构之间的利益关系，并利用法律，金属矿山采矿技术政策与金属矿山采矿技术文化之间的相互作用，利用，相互渗透和相互影响不断实现节金属矿山采矿技术社会建设。制度创新，促进乡村金属矿山采矿技术地的稳定发展。可以说，制度的建立是一个从制度的建立，制度的实施到制度的不断完善和发展的动态过程。建立乡村金属矿山采矿技术地制度必须建设乡村金属矿山采矿技术地，必须扭转被动节金属矿山采矿技术的局面，转向有意识的节金属矿山采矿技术。节金属矿山采矿技术意识的形成不是立刻形成的，必须建立和完善完整的社会金属矿山采矿技术教育体系。通过连续不断的过程，公众对节金属矿山采矿技术的认识将逐步加深，并使节金属矿山采矿技术成为公众的＃尽责行为。通过正规的教育和公众宣传，营造良好的外部环境和氛围，提高全社会对金属矿山采矿技术资源的意识和节金属矿山采矿技术意识，形成节金属矿山采矿技术价值观和节金属矿山采矿技术文化。采矿工地还要注意社区利益，尤其是注意到贫困户的切身需要，在采矿工地与金属矿山采矿技术小乡村金属矿山采矿技术产业的合作发展中，做到以效率和公平为基本原则，从而在减少成本的情况下避免社区极端事件或者是损坏采矿工地形象的事情发生。

结束语

鉴于实际工程中的多矿柱-顶底板系统及矿柱间的相互作用行为更为复杂，且应力状态及损伤程度难以完全探测清楚，以往认为上覆岩层的载荷重分布是引起多矿柱连锁失稳破坏行为的诱因是过于浅显的，当前的研究尚不足以揭示多矿柱载荷传递的物理本质，该问题仍有待结合工程实践开展深入研究。

参考文献

[1]朱万成,董航宇,刘溪鸽,牛雷雷,代风,关凯.金属矿山多矿柱承载与失稳破坏研究[J/OL].采矿与岩层控制工程学报:1-27[2022-06-14].

[2]张爱卿,李金云,吴爱祥,王贻明.嗣后充填多矿柱同时回采充填体侧向位移研究[J].矿冶工程,2022,42(02):24-27+31.

[3]姜兆阳.浅谈金属矿山采矿技术的发展方向[J].世界有色金属,2022(04):51-53.

[4]郭建来.金属矿山开采中现代化采矿工艺与技术解析[J].世界有色金属,2020(20):229-230.

[5]王甫刚.金属矿山选矿技术进展及发展方向探究[J].中国金属通报,2020(08):19-20.