某方解石礦山露天轉地下開采護頂礦柱厚度確定

李曉剛 黃衛(wèi)波 熊賢亮3

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.山東濟南高新發(fā)展股份有限公司）

對于露天轉地下開采的礦山，在露天轉地下開采的設計時，需對前后期開采的井下進行統(tǒng)一全面的規(guī)劃［1］。為保證地下作業(yè)的安全，必須確定露天與地下之間隔離礦柱的合理厚度。

1 礦山簡介

（1）露天開采。涇縣某方解石礦山生產規(guī)模15萬t/a，前期采用自上而下分臺階露天開采，中深孔爆破工藝。礦山采用公路開拓汽車運輸，臺階高度10 m，安全平臺寬度5 m，工作臺階坡面角70°，終了臺階坡面角65°，采場最終邊坡角46°。

地下開采設計采用平硐開拓，新建工程主要有+130 m、+150 m 中段運輸巷道，+170 m 回風巷道，回風斜井，各中段間通風人行天井，硐室等工程。

礦山設計采用房柱法采礦，礦塊沿走向布置，礦塊長40～50 m，礦塊寬14 m，間柱寬8 m（留設夾石附近），礦房頂部留8 m 頂柱，礦房最大采高為12 m，階段運輸巷道與礦房間隔8 m。

2 存在問題

（1）礦區(qū)周邊民房較多，露天爆破安全距離不能滿足國家相關法律法規(guī)和規(guī)程的要求。

（2）礦山地表已形成了8 個規(guī)模不等的采坑，部分采坑最低點標高距離設計的地下井巷工程較近，地下采掘活動可能會影響到地表露天采坑及其周邊的安全性。

3 護頂礦柱厚度計算

采用公式法［2-5］計算合理的護頂礦柱厚度。

（1）結構力學梁理論。假定采空區(qū)頂板巖體是一個兩端固定的平板梁結構，上部巖體自重力及其附加載荷作為上覆巖層載荷，按梁板受彎考慮，以巖層的抗彎抗拉強度作為控制指標。

式中，H為采空區(qū)頂板的安全厚度，m；σ為允許拉應力，3 200 kPa；γ為頂板巖體容重，25.97 kN/m3；ln為頂板跨度，m；b為頂板單位計算寬度，取1 m；q為露天作業(yè)附加載荷，取1 000 kPa。

（2）荷載傳遞線交匯法。

式中，β為荷載傳遞線與頂板中垂線間夾角，35°；ln為采場跨度，m。

（3）厚跨比法。在不考慮頂板形態(tài)、荷載大小和性質由近似的前提下，根據水平投影跨度L和護頂礦柱最薄處厚度H，計算出H/L≥0.5時，護頂礦柱厚度是安全的。為考慮安全，引入安全系數K，可得到不同安全條件下的采空區(qū)跨度與護頂礦柱厚度之間的關系，由經驗知H/（KW）≥0.5是安全的，計算公式如下。

式中，W為采空區(qū)跨度，m；K為安全系數，國內外礦山邊坡采用的安全系數通常為1.15～1.30，取1.2。

（4）普適拱理論。適宜于堅硬巖體計算，計算值偏小。該礦山巖性變化不大，適用壓力拱拱高公式計算。

式中，b為采空區(qū)跨度，m；h為采空區(qū)高度，12 m；φ為礦體內摩擦角，30.3°；f為礦體硬度系數，取3；Hb為穩(wěn)定巖層厚度，該礦山礦體較完整，取15 m。

分別采用結構力學梁理論、荷載傳遞線交匯法、厚跨比法、普適拱理論法計算出護頂礦柱厚度與采場跨度的關系，計算結果見表1。

4 模擬分析

4.1 建立模型

模型分為3 個部分（圖1）：圍巖（組1）、礦體（組2）、采場（組3）。礦體位于采礦權范圍內，最低標高為+130 m。采場寬14 m，高12 m，間柱寬8 m。

4.2 結果分析

（1）在采場模型中，從左到右依次為1#、2#、3#、4#采場，模擬結果見圖2～圖4。從圖2 看出，1#、2#采場變形值相對較小，在-0.05～0.05 m；3#、4#采場頂板處Z向最大沉降值為-0.1～-0.22 m。

（2）從圖3可以看出，1#、2#采場變形值為-0.005～-0.01 m；3#、4#采場頂板處Z向最大沉降值為-0.015～-0.035 m，間柱變形值為-0.005～0.005 m。

（3）從圖4可以看出，1#、2#采場變形值在-0.005～-0.01 m；3#、4#采場頂板處Z向最大沉降值為-0.015～-0.04 m。間柱變形值為-0.005～0.005 m。Z向最大沉降值為-0.04 m，比20 m 厚護頂礦柱時的-0.035 m略大。

綜上所述，當護頂礦柱厚度為15 m 時，靠近邊坡底部的4#采場變形值較大，為-0.22 m，無法保證地下作業(yè)安全。邊坡沉降值為-0.05 m，存在向采場滑動的趨勢。當護頂礦柱厚度分別為20、25 m 時，各采場、間柱以及邊坡變形值變化均較小，采場及圍巖變形已趨于穩(wěn)定。

5 結論

（1）分別采用結構力學梁理論、荷載傳遞線交匯法、厚跨比法、普適拱理論法計算出護頂礦柱厚度與采場跨度的對用關系。當采場跨度為15 m 時，護頂礦柱厚度最大值為19.8 m，最小值為5.9 m。

（2）進一步模擬結果表明，護頂礦柱為15 m時，最大沉降位移為-0.22 m，最大上升位移為0.3 m，邊坡變形值為-0.05 m，不利于采場安全。當護頂礦柱厚度分別為20、25 m時，各采場、間柱以及邊坡變形值變化均較小，采場及圍巖變形已趨于穩(wěn)定。

（3）確定某方解石礦山露天采坑底部護頂礦柱厚度需在20 m以上。