露天轉(zhuǎn)地下開采境界礦柱參數(shù)優(yōu)化研究

胡 哲，羅 佳，史秀志，陳小康

(1.大冶有色金屬公司， 湖北 大冶市 435005；2.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083；3.中國瑞林工程技術(shù)有限公司， 江西 南昌 330031)

0 引 言

露天礦山隨著開采深度的增加，開采難度越來越大，需要適時(shí)轉(zhuǎn)為地下開采。露天礦山轉(zhuǎn)為地下開采的過渡時(shí)期，礦山的產(chǎn)量會受到影響，為了確保產(chǎn)量，一般要求露天和地下同時(shí)開采[1]。根據(jù)國內(nèi)的一般經(jīng)驗(yàn)[2￣4]，在露天坑底留設(shè)一定厚度的境界礦柱，作為地下開采的安全頂柱，將露天開采和地下開采分隔開。然而，單獨(dú)留境界礦柱時(shí)，留設(shè)的礦柱厚度大，礦石損失量大，并且隨著地下開采的進(jìn)行，境界礦柱的強(qiáng)度降低，礦柱下采場充填接頂情況不理想，對境界礦柱的支撐作用有限，單一的境界礦柱方案后期安全性得不到保證。鑒于此，本文提出了露天轉(zhuǎn)地下開采，留設(shè)境界礦柱和采場連續(xù)礦柱的方案，采場頂板的暴露面積減小，回采安全性提高，相應(yīng)的減小了境界礦柱的厚度，礦石損失量減小。

國內(nèi)外有關(guān)境界礦柱安全厚度的研究方法有很多[5￣7]，主要有：B.и.波哥留波夫的公式；K.B.魯別涅依他等人的公式；平板梁理論推導(dǎo)；松散系數(shù)理論；工程計(jì)算法；經(jīng)驗(yàn)類比法等。這些方法將境界礦柱研究當(dāng)做二維平面問題進(jìn)行分析，與實(shí)際境界礦柱屬于三維實(shí)體不符，具有一定的弊端。本文運(yùn)用三維數(shù)值模擬方法，采用Flac3D數(shù)值分析軟件，對某礦境界礦柱和采場連續(xù)礦柱的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化研究，對指導(dǎo)礦山生產(chǎn)具有積極意義。

1 工程概況

該礦床屬于接觸交代矽卡巖-高中溫?zé)嵋旱V床，礦石平均品位高。礦石以矽卡巖為主，普氏硬度系數(shù)為7～9，礦石密度3.6×103kg/m3。該礦體賦存于礦山10～16線之間，沿走向長度約110 m，傾角60°～80°，礦體厚度5～30 m，礦體延深-187～-425 m，大部分賦存于-275 m以上，礦體埋藏較深，現(xiàn)露天坑開采已到-197 m標(biāo)高位置，露天開采難度加大。礦體上盤有一條破碎帶，透水性較強(qiáng)，斷層最寬處寬達(dá)7 m，斷層內(nèi)充填物不明，周圍可能存在斷層破碎帶，且可能與南坑水體有直接水力聯(lián)系，因此，應(yīng)加強(qiáng)超前探水工作，確保回采安全。

基于該礦體開采現(xiàn)狀，為保證下部礦體的順利開采，需在露天坑底留安全境界礦柱，轉(zhuǎn)為地下開采。考慮到礦巖及圍巖都不是很穩(wěn)固，在境界礦柱的基礎(chǔ)上預(yù)留采場條形礦柱(如圖1所示)，減小境界礦柱厚度，實(shí)現(xiàn)安全回采、減小礦量損失的目的。

圖1 境界頂柱、礦柱示意

2 建立分析模型與模擬方案

2.1 模型建立

根據(jù)礦山實(shí)際情況，考慮到盡可能減小邊界條件對結(jié)果的影響，本模型擬對-245～-185 m之間礦體圍巖進(jìn)行研究，模型高度為60 m，長度方向取200 m，寬度方向取150 m。

本文采用ANSYS建立模型，然后借助ANSYS-TO-FLAC3D轉(zhuǎn)化軟件將圖形單位、節(jié)點(diǎn)和組信息導(dǎo)入FLAC3D,如圖2所示。

圖2 FLAC3D模型

模型涉及到的礦體、圍巖、充填體等材料均屬于彈塑性材料，適應(yīng)于摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。表1所示為本次模擬材料的物理力學(xué)參數(shù)。用FLAC3D程序模擬境界礦柱和條形礦柱的穩(wěn)定性，通過受力和變形分析，得出境界礦柱和條形礦柱的最優(yōu)厚度。

2.2 模擬方案

為確定合理的境界礦柱和條形礦柱的搭配參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件得出礦柱的應(yīng)力和位移的分布特征，分析計(jì)算結(jié)果判斷頂板的穩(wěn)定性，綜合考慮礦石損失最小，最終確定最合理的境界礦柱搭配參數(shù)。在保證礦山正常安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，為礦山盡可能的回收礦石和確保產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

以礦山實(shí)際情況為依據(jù)，本研究共設(shè)計(jì)了9組礦柱方案，境界礦柱參數(shù)方案見表2。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 分析原則

(1) 安全系數(shù)比較。在FLAC3D中安全系數(shù)起源于邊坡工程的穩(wěn)定性研究，是指巖體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)(折減后)的剪切強(qiáng)度的比值[8]。安全系數(shù)越大，巖體穩(wěn)定性狀態(tài)越好，理論上認(rèn)為，安全系數(shù)為1時(shí)巖體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，但若考慮環(huán)境因素的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，服務(wù)年限為10 a以上時(shí),安全系數(shù)取1.1～1.2;服務(wù)年限達(dá)20 a時(shí),取1.2～1.5;服務(wù)年限在20 a以上時(shí)大于1.5[9]。

(2) 位移與應(yīng)力分析。以境界礦柱和采場條形礦柱的位移與變形作為一項(xiàng)衡量指標(biāo)。頂板的位移變形量是判斷是否破壞的直接因素，頂板的位移量小，境界礦柱安全性高，通過對重點(diǎn)位置的位移進(jìn)行監(jiān)測，如果出現(xiàn)突變，說明研究對象發(fā)生了嚴(yán)重的失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)應(yīng)力等值線發(fā)現(xiàn)最大、最小應(yīng)力值，并且可以找出最先破壞的位置和破壞發(fā)生的大致范圍。巖體的破壞形式，主要有拉伸破壞和剪切破壞。監(jiān)測關(guān)鍵位置的拉應(yīng)力，將監(jiān)測結(jié)果與材料抗拉強(qiáng)度對比，便可確認(rèn)材料是否發(fā)生拉伸破壞。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

表2 境界礦柱參數(shù)方案

3.2 結(jié)果分析

考慮到文章的篇幅,現(xiàn)僅對方案IV的模擬情況進(jìn)行分析(如圖3～5所示)。該方案境界礦柱的安全系數(shù)為1.67，大于1，礦柱處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。從圖3可以看出，頂板最大垂直位移出現(xiàn)在礦柱兩側(cè)的采場中間，最大位移值為11.96 mm，頂板最大位移較小，不會發(fā)生較大的破壞冒落情況。圖4顯示最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在條形礦柱與頂板的交接處，說明中間條形礦柱對于承受頂板壓力的重要作用，最大主應(yīng)力為14.5 MPa，小于礦巖的最大抗壓強(qiáng)度。從圖5可以看出，最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在采場的頂、底板，最大拉應(yīng)力值為0.95 MPa，小于礦巖的最大抗拉強(qiáng)度。綜上所述，方案IV境界礦柱是穩(wěn)定的，不會發(fā)生坍塌破壞。

圖3 方案IV垂直方向位移等值線圖

圖4 方案IV最小主應(yīng)力等值線圖

圖5 方案IV最大主應(yīng)力等值線圖

(1) 安全系數(shù)分析。從表3可以看出，每個(gè)方案的安全系數(shù)都大于1，但方案VI、VII、VIII、IX的安全系數(shù)偏小，考慮到礦山服務(wù)年限和安全系數(shù)的浮動，棄用這4個(gè)方案，其余5個(gè)方案的安全系數(shù)都較大，可滿足安全和服務(wù)年限的要求。在相同的條形礦柱寬度情況下，隨著境界頂板的厚度增加，頂板的安全系數(shù)增大；相同的境界礦柱厚度下，條形礦柱的寬度越大頂板安全系數(shù)越高。

(2) 位移與應(yīng)力分析。最大垂直位移隨著境界礦柱厚度和條形礦柱寬度的減小而增加，各方案的垂直位移由大到小的排列順序?yàn)镮X、VIII、VII、VI、III、V、IV、II、I，其中方案IX、VIII、VII、VI的最大垂直位移超過了境界礦柱的最大允許位移量。各方案的最大抗拉應(yīng)力和最大抗壓應(yīng)力均隨著境界礦柱和條形礦柱的減小而增大，條形礦柱寬度減小，應(yīng)力值變化明顯，并且最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在條形礦柱與頂板的接觸位置。由于條形礦柱的存在，頂板由一個(gè)大跨度的簡支巖梁分為兩個(gè)簡支巖梁，梁的跨度減小了，相應(yīng)的兩側(cè)頂板中央的最大彎矩減小，對于提高頂板的穩(wěn)定性作用顯著。由此可見，條形礦柱在維持境界礦柱穩(wěn)定性具有重要作用。方案III、VI、VIII、IX境界頂柱的最大拉應(yīng)力均超過了礦體的抗拉強(qiáng)度1.35 MPa，頂板將受到拉伸破壞。最大壓應(yīng)力由大到小的排列順序?yàn)榉桨窱X、VIII、VI、III、VII、V、II、I、IV，其中方案IX、VIII、VI、III、VII礦柱的最大壓應(yīng)力均超過了礦體的抗壓強(qiáng)度。

綜上所述，首先可以排除方案III、VI、VII、VIII、IX，剩下的4個(gè)方案中，方案I、II選擇的境界頂柱厚度為18 m，考慮到該礦山露天坑內(nèi)回填有尾砂和礦石，境界礦柱將作為永久損失，在確保頂板安全的前提下，優(yōu)先考慮境界礦柱厚度為15 m的方案IV、V。

分析對比方案IV、V均能滿足各方面的要求，方案V與方案IV相比，條形礦柱的寬度小2 m；結(jié)合礦山實(shí)際情況，本文研究中簡化了一些因素，如爆破作用和地下水等對頂板穩(wěn)定性的影響。并且，條形礦柱在開采過程中可以采用人工礦柱替代，從而實(shí)現(xiàn)回收的目的。相比而言方案，IV安全性更高，因此，選擇方案IV作為最終方案，即境界礦柱厚度為15 m，留設(shè)7 m寬的條形礦柱。

4 結(jié) 論

本文提出了露天轉(zhuǎn)地下開采時(shí)，境界礦柱和條形礦柱相結(jié)合的礦柱留設(shè)方式，該方法對相似礦山境界礦柱的布置具有參考價(jià)值。

通過建立三維數(shù)值模型，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對境界礦柱參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。根據(jù)礦山實(shí)際，選擇9個(gè)不同方案，分析各方案的安全系數(shù)、應(yīng)力和位移情況，得出條形礦柱在境界礦柱穩(wěn)定性中的重要作用。從安全和盡量多回收資源的角度出發(fā)，最終確定方案IV即境界頂柱厚度為15 m、條形礦柱寬度為7 m為最終方案。

表3 模擬結(jié)果

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