露天地下聯合開采人工境界保安礦柱可靠性分析*

張長鎖 王海軍,2 趙旭林3

（1.礦冶科技集團有限公司；2.東北大學資源與土木工程學院）

隨著礦山開采技術條件的不斷變化，尤其是礦體開采深度不斷加深，露天剝離量不斷增大，為提高礦山經濟效益，越來越多的露天礦山不得不轉入地下開采。在露天開采轉地下開采的過渡期內，必須減小或避免露天采場與地下采場之間的相互影響，目前主要通過設置空間上的隔離保護層。隔離層可分為2種，一是在露天坑底留置一定厚度的礦體作為境界保安礦柱，將露天生產與地下生產隔離，如河北鋼鐵石人溝鐵礦預留16 m厚的境界保安礦柱，大冶銅綠山銅鐵礦預留17 m厚的境界保安礦柱等。二是開采完礦體后，再造人工境界保安礦柱［1-2］，來隔離露天與地下生產，如遼寧北票鐵蛋山礦、鞍鋼眼前山鐵礦等。露天地下聯合開采礦山的境界保安礦柱是礦山生產至關重要的安全保障［3-4］。

1 礦山概況

某金礦上部采用露天開采，設計露采坑底境界標高為213 m，平面最大尺寸為881 m×168 m，最大垂直深度為57 m；金礦深部采用地下開采，采礦方法為高分段空場嗣后充填采礦法，采用斜坡道開拓方案，回采順序為由下而上。為保證地下開采與露天坑尾砂堆積的相互獨立性，保證地下開采和尾砂排棄的安全性，需要留設人工境界保安礦柱。該礦礦體品位較高，如果采用第一種方式設置隔離保護層，則保安礦柱內的礦石將永久損失，因此選用人工境界保安礦柱。同時，礦山計劃使用露天坑作為尾礦庫，人工境界保安礦柱不僅要保障地下采區的正常生產，還需要肩負露天坑尾砂的安全堆存。

2 人工境界保安礦柱設計及施工方案

考慮礦山開采技術條件、人工境界保安礦柱寬度、露天采場邊坡穩定性狀態、礦井水文地質等因素，對人工境界保安礦柱的施工工藝進行整體規劃。

露天開采結束后，在露天礦坑坑底采取淺孔微差爆破的方式，為下一步保安礦柱的施工提供平整的場地。保安礦柱采用鋼筋混凝土結構，并使用錨桿將人工礦柱與圍巖形成一體。由于露天坑底范圍較大，人工礦柱施工采用分步分層的開挖、施工工藝，最終形成整體式露天坑人工境界保安礦柱。這樣既可提高境界礦柱的整體穩定性，同時也能盡早采出一部分礦石，保證露天轉地下開采產能的平穩過渡。人工礦柱采用C40鋼筋混凝土結構，礦柱底部受力部位設置在礦脈兩側的上下盤巖體中，形成一個完整的嵌入式人工礦柱，保證地下開采的安全。

由于礦體寬度的變化，對人工礦柱的結構形式、材料選擇及承載力均有較大的不同。因此，將礦柱分為A、B、C、D、E 5個區域，設計礦柱頂面標高（露天坑底標高）為213 m。各區域分布情況見表1和圖1，礦柱典型剖面如圖2所示。

?

相對天然礦柱，采用人工境界保安礦柱結構具有以下優點。

（1）提前回收境界保安礦柱的礦石，尤其是品位較高的礦石，不僅可實現礦山露天轉地下開采資源和產量有序銜接，還可帶來較好的經濟效益。

（2）人工境界保安礦柱結構整體性較好，強度和穩定性相較于天然礦柱提高2～3倍，對露天開采遺留的邊坡實現更好的支撐作用。

（3）提高回采效率，進一步降低回采礦石的貧化。

（4）采用鋼筋混凝土結構形式，整體性好，有較高的承載能力。

（5）防滲、防漏風性能優于天然保安礦柱。

3 人工境界保安礦柱穩定性分析

人工境界保安礦柱的穩定性分析工作需要結合其施工特點以及不同階段的狀態來進行［5-6］。保安礦柱從施工到開始起作用分為4個階段：①原始狀態（露天開采后）；②人工境界保安礦柱施工；③地下開采及廢石回填；④露天坑底施加尾砂荷載（相當于對礦柱施加1 MPa均布壓應力）。

3.1 模型建立

原巖場三維模型能夠清晰地反映被研究地質體的主要構成及相互關系［7-8］。構建露天地下聯合開采的物理三維模型，模型由原巖場、人工境界保安礦柱、礦體、廢石充填體構成，模型剖面如圖3所示。

3.2 巖體物理力學參數取值

根據礦區地質報告，將礦區巖性分為花崗巖、流紋巖、廢石充填體、混凝土和礦體5類，各材料物理力學參數見表2，基于Hoek-Brown強度準則進行計算分析。

?

3.3 模型網格劃分

本礦山礦區的地形、礦體的幾何特征差別明顯，為保證數值模擬分析結果的可靠性，必須采用耦合的有限元網格。本次有限元網格劃分整體采用微觀到宏觀、宏觀整體驗證的劃分原則，首先劃分地表、露天開采境界、人工境界保安礦柱、地下開采礦體等部分，然后將各部分網格進行布爾運算，得到具有耦合的節點及單元，要進行布爾減運算的實體模型見圖4。生成網格后利用檢查自由面的方式來確認是否存在節點不耦合的情況。經檢查，模型內部空區邊界處與圍巖之間不存在自由面的情況。

3.4 數值模擬分析計算

對模型中各巖性材料添加物理力學參數、邊界約束以及尾砂堆積荷載，之后便可進入計算階段。模型計算結束后，借助三維可視化的功能對人工境界保安礦柱的應力、應變、位移及塑性區進行觀察，進而分析人工境界保安礦柱的穩定性狀態。

4 模擬結果分析

為了便于觀察人工境界保安礦柱及附近圍巖的應力計算結果，在Z=213 m處切取水平剖面（圖5），同時對人工境界保安礦柱實體進行透明帶邊線顯示，獲得水平剖面上X向、Y向、Z向的最大主應力分布云圖（圖6）。

由圖6可知，剖切圖中X方向應力的數值范圍為+1.136×103～-9.168×103kPa；Y方向為+5.493×102～-3.605×103kPa；Z方向為+2.115×103～-8.77×103kPa。人工境界保安礦柱在承受來自上部尾砂的壓力和地下開采空區的擾動后，X、Y、Z向所受到的拉應力均小于人工礦柱本身的抗拉強度（+2.0×103kPa），其壓應力值均小于抗壓強度（40×103kPa），整體較穩定，但由于拉應力區的存在，后期需要加強對人工礦柱的穩定性監測。

由圖7可知，地下開采壽命期結束后，人工礦柱附近區域最大總位移為1.5 cm，不會造成地下開采與尾砂堆的聯通，保證地下開采與尾砂堆互相影響在可控范圍之內。

5 結語

本研究介紹了大型人工礦柱的設置及施工工藝，為同類型礦山提供參考；同時對具有復雜地表且內部嵌有復雜人工礦柱的實體模型進行科學、合理的仿真模擬，可靠地分析了人工境界保安礦柱的穩定性。