落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究.pdf

落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究赵怀军1,林逸晖2,蔡君1(1.凉山矿业股份有限公司,四川 凉山彝族自治州 6 1 5 1 4 1;2.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 0 0 9 3)摘 要:露天开采矿山转地下开采时存在境界矿柱厚度留设问题,以落凼矿为工程背景,运用工程类比分析法、卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法以及M I D A S/G T S有限元分析法对于落凼矿露天转地下开采过渡期间境界矿柱留设厚度进行了研究,研究得出:在落凼矿东部露天采场开采期间,其境界矿柱厚度最低为2 0 2 5m。关键词:境界矿柱厚度;工程类比法;卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法;数值模拟0 引言随着现代工业的快速发展,人们对矿产资源的需求量也越来越大。每年采出的矿石中,约有2/3来自露天开采1。经过几十年持续高强度的开采,绝大多数露天矿山已经进入深凹露天开采阶段,大部分矿山正在或者已经转入露天和地下联合开采或者地下开采。为确保露天和地下同时生产作业的安全,需要在一定时间内在露采与地采间预留境界矿柱,而境界矿柱厚度的确定是露天转地下开采工程的重要研究问题之一。郭霆等2运用F L A C 3 D数值模拟软件确定了某地下开采的石膏矿境界矿柱的最小厚度应为3 7m。严振湘等3采用F L A C 3 D软件对于杏山铁矿中段水平保安矿柱留设厚度进行数值模拟研究,确定其留设厚度在2 0m时能够满足生产需求。卢萍等4根据某铜矿的采矿工艺、开采深度以及工程地质条件,采用理论计算和F L A C 3 D有限差分法数值软件对不同厚度的境界矿柱进行了模拟分析,确定2 0m是该矿山境界矿柱厚度的最优值,能够满足安全生产要求。熊立新等5基于突变理论分析方法,构建了采空区顶板 境界矿柱力学模型,提出境界矿柱失稳的判据,计算了合理的境界矿柱安全厚度,并且运用数值模拟验证了计算结果的合理性。赖红源6通过数值模拟手段对紫金山金铜矿露天与地下开采模型进行分析研究,并通过拟合得到境界矿柱厚度与最大拉应力的关系曲线,确定了紫金山金铜矿露天地下联合开采的境界矿柱合理厚度。张钦礼等7运用A N S Y S有限元分析软件对不同跨度和不同境界矿柱厚度进行数值模拟,结合理论计算结果,给出各个跨度下的安全隔离层厚度,以姑山铁矿为例,推荐其露天转地下开采的隔离层厚度为1 8m。王春华等8结合材料力学、结构力学及K.B鲁别涅依他公式的计算结果,运用M a t l a b软件对境界矿柱厚度及矿房跨度进行数据拟合,并且运用A N S Y S及F L A C 3 D软件进行三维数值模拟及优化,结果表明,某石灰岩地下矿山当下分层矿房跨度为1 5m,间柱宽度为1 3m时,最佳境界矿柱厚度为1 2m。张访问9采用经验类比和理论公式计算两种方法对马坑铁矿隔离层安全厚度进行了科学分析和研究,得出合理的安全厚度为1 5 2 0m。裴明松等1 0采用数值模拟的方法对程潮铁矿隔离矿柱的留设厚度进行了研究,得出当隔离矿柱厚度为2 0m时,地表的沉降值较小,充填采场安全系数较高。王宇等1 1通过F L A C 3 D数值建模确定了某矿山的隔离矿柱厚度为1 5m左右。杨明财等1 2针对密云铁矿1 6.7 m左右的实际 开 采 跨 度,采 用A N S Y S软件进行数值模拟分析,得出其隔离矿柱合理厚度为2 4m。王文军等1 3以某铅锌矿为例,借助理论分析、数值模拟,开展原岩矿柱厚度计算,结果表明2 5m厚的原岩隔离矿柱满足安全需求。徐帅等1 4基于理论计算、比例跨度法和相似条件类比法等多种方法进行联合分析,确定归来庄金矿露天转地下境界矿柱的最优厚度范围为61 5m,采用F L A C 3 D数值模拟确定其境界矿柱厚度最优值为1 0m。牛淑慧1 5采用导水裂隙带理论计算公式得出导水裂隙带高度,进而确定富宁铅锌矿那郎河床下的防水保安矿柱厚度为3 0m。本文以落凼矿为工程背景,运用工程类比法、卡I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3特(C a r t e r)比例顶柱评价方法以及M I D A S/G T S有限元分析法对于落凼矿露天转地下期间境界矿柱留设厚度进行研究,确定合理的境界矿柱留设厚度。1 工程概况落凼矿为露井联合开采,地下开采的矿体一般呈似层状、透镜状,以重叠叠瓦形式产出,膨胀现象明显,也有分叉复合、尖灭再现等现象。矿体产状与围岩产状基本一致,严格受岩性和层位的控制,当围岩受力形成背斜或向斜褶曲时矿体亦同时褶曲。矿体形态较为复杂。矿体倾角为1 5 4 0,矿体厚度为2 3 2m。落凼矿区地下开采的采矿方法有两种,一是分段空场法及房柱法,嗣后用废石及分级尾砂对空区进行充填;另一种是点柱式上向分层充填法,分层开采时每一层的下部用废石及分级尾砂充填,面层用水泥+分级尾砂胶结充填,面层厚度为5 0 0mm。2 工程类比分析法表1、表2的工程类比结果,列举了国内外一些矿山境界矿柱厚度,这些境界矿柱厚度的确定,主要考虑了采空区跨度和暴露面积以及围岩硬度,一般为2 0 2 4m。表1 国外某些矿山的境界矿柱安全厚度矿山名称岩石硬度f采空区跨度/m采空区面积/m2境界矿柱安全厚度/m克里沃罗格4 1 01 5 2 52 0 0 6 0 02 0 3 0海达尔岗斯基8 1 02 5 3 01 0 0 5 0 01 5 2 0柴良诺夫斯基8 1 62 0 0 2 1 0 01 4 1 6尼基托夫斯基8 1 02 0 2 51 5 3 0依也尔雅可夫斯基1 4 1 62 0 3 04 0 0 5 0 01 0表2 国内外某些矿山实际境界矿柱厚度矿山名称地下开采的采矿方法境界矿柱厚度/m凤凰山铁矿过渡期深孔留矿,后改阶段崩落法。7 1 0冶山铁矿分段崩落法无金岭铁矿铁山区过渡期分段空场法,后改分段崩落法。无铜山铜矿分段空场法(留矿法)嗣后胶结充填矿房顶柱铜官山铁矿水平分层干式充填法矿房跨度一半或1 0 续表2 国内外某些矿山实际境界矿柱厚度矿山名称地下开采的采矿方法境界矿柱厚度/m松树卯矿硐室爆破阶段崩落法无新桥硫铁矿先空场法,后充填采矿法。2 4石人沟铁矿过渡期空场法,后改分段崩落法。2 0获各琦铜矿先空场法,后充填采矿法。2 4加拿大K i d dC r e e k矿分段空场法嗣后胶结充填9加拿大F r o o dS t o b i e矿分段崩落法1 2m护顶垫层芬兰P y h a s a l m i矿过渡期分段空场法,后改分段崩落法。2 03 卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法3.1 分析原理评价顶柱稳定性时需要考虑到岩体质量参数,Q值与RMR法已广泛地应用于岩土工程,这2种方法考虑到了岩石的结构特征、节理特性、水及应力环境等。在基于2 0 0个以上顶柱稳定实例的基础上,卡特(C a r t e r)于2 0 0 0年开发了比例顶柱方法(S c a l e dC r o w nM e t h o d)。比例矿柱的概念特性是指基于矿柱的三维几何尺寸,与实际矿柱跨度成一个比例关系,按式(1)求得:Cs=ST(1+SR)(1-0.4 c o s)0.5(1)式中,Cs为比例矿柱跨度,m;S为实际矿柱跨度,m;为容重,t/m3;T为顶柱厚度,m;为矿体倾角,();SR为跨度比S/L(顶柱跨度除以以米为单位的顶柱沿走向的长度)。几何尺寸参数确定如图1所示,比例矿柱公式可用于研究形成了一定倾角与几何尺寸采场后,围岩顶柱厚度的临界尺寸。该比例顶柱跨度,可以绘制成顶柱岩体质量条件与历史实例矿山关系,如图2所示。根据历史实例矿山关系图,可拟合出一条临界跨度线,通过临界跨度线可分辨出稳定的顶柱实例与不稳定的顶柱实例。临界跨度线方程为:Sc=3.3 Q0.4 3s i nh(Q)0.0 0 1 6(2)式中,Q为Q系统分级法的Q值;s i nh(Q)为双曲正弦函数。设计顶柱的安全系数K为:K=ScCs(3)99赵怀军,等:落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究图1 矿柱几何尺寸参数定义图2 岩体质量Q与顶柱厚度关系 安全系数的确定,参照类似矿山的开采实例,因顶柱易冒顶,其稳定性直接危及采矿人员的安全,所以选取顶柱的安全系数K为1.5 2.0。3.2 落凼矿地下开采境界矿柱的安全性评价落凼矿地下开采的顶板为钠长岩,其Q值为4.6 5。根据钠长岩的工程属性来判断境界矿柱的安全稳定性,故由式(2)可求得:钠长岩Sc=6.4 3。按式(1)反算,在满足安全系数K=2.0,其Cs=3.2 1 5,在矿体倾角设为5 0 时,不同的采场长度及采场跨度下,计算的境界矿柱厚度见表3。由表3可知:(1)随采场跨度及采场长度的增加,满足安全系数2.0下的境界矿柱厚度增大;(2)在采场长度不超过1 0 0m,采场跨度为6m时,境界矿柱最小厚度需要1 2.4 3m,考虑爆破等因素,现场实际需要留设2 0m的境界矿柱,才能保持其安全稳定性。表3 顶板为钠长岩顶柱安全系数达2.0的境界矿柱最小厚度采场长度/m采场跨度/m境界矿柱最小厚度/m5 061 1.7 61 03 0.5 01 56 3.3 41 88 7.1 82 01 0 4.5 62 51 5 2.4 83 02 0 5.8 56 061 1.9 81 03 1.2 71 56 5.6 71 89 0.9 22 01 0 9.4 42 51 6 0.9 53 02 1 8.8 9001采矿技术2 0 2 3,2 3(3)续表采场长度/m采场跨度/m境界矿柱最小厚度/m1 0 061 2.4 31 03 3.2 71 57 1.6 01 81 0 0.4 82 01 2 1.9 82 51 8 2.9 83 02 5 3.3 51 2 061 2.5 51 03 3.7 81 57 3.1 91 81 0 3.1 02 01 2 5.4 72 51 8 9.2 83 02 6 3.4 84 有限元数值模拟分析研究4.1 分析模型的建立针对落凼矿露天转地下开采境界矿柱厚度确定的问题,采用M I D A S/G T S软件进行建模分析,本次建模西露天坑底标高为2 0 2 0m。东露天设计终了境界最低标高为1 8 9 0m。东露天设计终了边坡角为:北部边坡2 7,东部边坡4 5,南部边坡4 5,西部边坡3 8,组合台阶高度5 0m,台阶宽度1 0m。建立的有限元模拟分析的模型如图3所示。根据采矿方法图,本模型生成后共有现存空区2 1个,使用分段空场嗣后充填法开采的待采矿块2 0 9个,空区及待采矿块如图4至图6所示。4.2 屈服准则与岩体力学参数考虑到矿岩材料的应力应变非线性关系,进行了弹塑性有限元分析,其屈服准则采用摩尔 库伦准则。根据落凼矿的工程地质特征,计算中考虑了4种力学介质,即钠长岩、片岩、断层破碎带、充填体,综合选取的岩体力学参数见表4,纳长岩为表中块状纳长岩、片状纳长岩的平均值。4.3 有限元模拟计算分析结果对于建立的矿块模型进行计算分析,计算分析步骤见表5。部分矿块垂直位移云图如图7至图1 2所示,结果表明:露天转地下开采,位移量变化较大的区域为露天与地下重叠区,东露天坑坑底因露采开挖卸载而位移向上,其正下方对应的采场位移也向上隆起,露天与地下采场间的影响范围为2 0 2 5m。因此,在今后的开采过程中,露天与地下采场间的境界矿柱的尺寸应在影响范围以上,并应密切注意东露天坑下方和周边1 8 5 0采区至1 8 8 0采区间的采区稳定性,采取必要的控制措施并加强地压监测,防止露天坑底塌陷引起地下采场的破坏。图3 落凼矿有限元模拟分析模型图4 模型中矿块俯视图101赵怀军,等:落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究图5 模型中矿块前视图图6 模型中矿块右视图表4 落凼矿地下开采岩体力学参数岩性弹性模量/M P a泊松比单轴抗压强度/M P a抗拉强度/M P a黏聚力/M P a内摩擦角/()钠长岩(片状)7 7 9 90.2 49.10.9 61.23 8钠长岩(块状)5 5 4 30.3 88.90.9 21.1 53 8片岩7 6 7 50.2 97.51.1 41.03 6充填体4 0 00.4 02.00.20.12 8断层破碎带6 0 00.3 51.00.20.12 8图7 模拟计算分析步骤三矿块垂直方向位移201采矿技术2 0 2 3,2 3(3)图8 模拟计算分析步骤五矿块垂直方向位移图9 模拟计算分析步骤七矿块垂直方向位移图1 0 模拟计算分析步骤九矿块垂直方向位移图1 1 模拟计算分析步骤十矿块垂直方向位移301赵怀军,等:落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究图1 2 模拟计算分析步骤十三矿块垂直方向位移表5 落凼矿模型模拟分析计算步骤开挖顺序开挖步骤步骤一计算在自重应力场作用下的初始应力场步骤二东、西露天坑开采及已有采空区步骤三开采1步骤四开采2及充填1步骤五开采3及充填2步骤六开采4及充填3步骤七开采5及充填4步骤八开采6及充填5步骤九开采7及充填6步骤十开采8及充填7步骤十一开采9及充填8步骤十二开采1 0及充填9步骤十三充填1 05 结论落凼矿露天转地下的过渡期(即露天与地下开采并存时间)地下开采要保证不影响到露天开采,本文运用工程类比法、卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法以及M I D A S/G T S数值模拟分析法对露天转地下过渡期的境界矿柱留设厚度进行研究,可以得出以下结论。(1)通过工程类比法表明,国内外一些矿山境界矿柱厚度的确定,主要考虑了采空区跨度和暴露面积以及围岩硬度,一般为2 0 2 4m。(2)卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法计算表明,落凼矿在过渡期,其井下采场长度小于1 0 0m,采场跨度为6m时,境界矿柱最小厚度需要1 2.4 3m,考虑爆破等因素现场实际需要留设2 0m的境界矿柱,才能保持其安全稳定性。采场跨度在1 0m时,境界矿柱最小厚度需要3 3.2 7m,现场实际需要留设3 5m以上的境界矿柱,才能保持其安全稳定性。(3)有限元模拟分析也表明境界矿柱的尺寸为2 0 2 5m。因此,在落凼矿东部露天采场开采期间,其境界矿柱厚度最低为2 0 2 5m。参考文献:1 陈晓青.金属矿床露天开采M.北京:冶金工业出版社,2 0 1 0.2郭霆,杨超群,杨平伟,等.石膏矿隔离矿柱留设厚度数值模拟研究J.采矿技术,2 0 2 2,2 2(0 1):5 0-5 3.3严振湘,张文东.基于F L A C3 D数值模拟方法的杏山铁矿中段隔离矿柱稳定性分析J.现代矿业,2 0 2 1,3 7(0 2):2 0 6-2 0 9.4卢萍,张金梁,杨泽,等.某铜矿露天转地下隔离矿柱的确定研究J.有色金属(矿山部分),2 0 2 0,7 2(0 6):1 1-1 4+1 9.5熊立新,罗周全,谢承煜,等.采空区群失稳模型构建及隔离矿柱安全厚度研究J.金属矿山,2 0 1 5(0 8):4 8-5 2.6赖红源.紫金山金铜矿露天地下联合开采隔离矿柱厚度数值模拟研究J.采矿技术,2 0 1 4,1 4(0 3):4 2-4 4+5 0.7张钦礼,陈秋松,胡威,等.露天转地下采矿隔离层研究J.科技导报,2 0 1 3,3 1(1 1):3 3-3 7.8王春华,黄明清.某石灰岩矿隔离矿柱厚度理论计算及数值模拟J.有色冶金设计与研究,2 0 1 4,3 5(0 1):5-8.9张访问.马坑铁矿隔离层矿柱安全厚度的分析和研究J.矿业研究与开发,2 0 1 6,3 6(0 5):8 3-8 5.1 0 裴明松,许梦国,程爱平,等.程潮铁矿联合开采隔离矿柱合理厚度研究J.矿冶工程,2 0 1 6,3 6(0 5):5-9.1 1 王宇,李真,谭富生.基于F L A C3 D的空区下矿体回采隔离保安矿柱厚度研究J.矿业研究与开发,2 0 1 6,3 6(1 0):1 0 3-1 0 8.1 2 杨明财,盛建龙,刘艳章,等.基于有限元分析的露天转地下开401采矿技术2 0 2 3,2 3(3)采隔离矿柱尺寸研究J.化工矿物与加工,2 0 1 7,4 6(0 1):3 8-4 0.1 3 王文军,李家树,徐帅,等.深部开采过程中隔离矿柱承载机理及厚度优化J.金属矿山,2 0 2 0(0 8):3 8-4 3.1 4 徐帅,安龙,李元辉,等.基于多方法联合的露天转地下境界矿柱厚度优化J.东北大学学报(自然科学版),2 0 1 8,3 9(0 8):1 1 8 1-1 1 8 6.1 5 牛淑慧.富宁铅锌矿地表河流防水保安矿柱厚度的确定J.昆明冶金高等专科学校学报,2 0 2 1,3 7(0 1):2 0-2 4.(收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 2)作者简介:赵怀军(1 9 8 3),男,四川通江人,工程师,主要研究方向为采矿技术与管理,E-m a i l:7 3 1 9 5 7 0 1 3 q q.c o m。501赵怀军,等:落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究