某鐵礦礦柱回采安全性研究

劉武團(tuán) 趙 奎 胡京濤 饒兆勛 劉明榮

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011；4.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

某鐵礦礦柱回采安全性研究

劉武團(tuán)1趙 奎2胡京濤3饒兆勛3劉明榮4

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011；4.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

某鐵礦二采區(qū)一中段采用空場采礦法進(jìn)行采礦，經(jīng)過多年開采該中段未處理采空區(qū)體積已經(jīng)達(dá)到40萬m3，遺留礦柱礦量超過26萬t，為了充分回收礦產(chǎn)資源礦山計劃回采礦柱。由于現(xiàn)場未處理的采空區(qū)體積較大，而礦柱又是維持采空區(qū)穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素，可能部分礦柱的回采或破壞就會誘發(fā)一定規(guī)模的地壓活動，威脅礦山的正常安全生產(chǎn)。所以在礦柱回采之前，對回采區(qū)域的礦柱進(jìn)行安全性研究，可以指導(dǎo)礦柱回采的實施，進(jìn)而保障礦柱的正常安全回采。結(jié)合礦山的現(xiàn)場實際情況，以應(yīng)力增量理論為基礎(chǔ)，采用工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對礦山二采區(qū)一中段需回采礦柱的安全性進(jìn)行研究，確定了各回采礦柱的安全系數(shù)大小。研究結(jié)果表明礦山二采區(qū)一中段的礦柱處于安全狀態(tài)，可以進(jìn)行部分礦柱回收。

應(yīng)力增量理論 數(shù)值模擬 礦柱回采安全性

以空場采礦法開采的地下金屬礦山，在開采過程中首先回采礦房然后再回采礦柱，當(dāng)?shù)V房回采完畢以后，就會遺留下大量的礦柱和采空區(qū)[1-2]，這些遺留下的礦柱都是寶貴的礦產(chǎn)資源，對礦柱進(jìn)行回采不僅可以使礦產(chǎn)資源得到更充分利用，而且還可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，延長礦山的生產(chǎn)服務(wù)年限[3]。但是由于礦柱是采場的重要承重部位，對采場的穩(wěn)定性起著重要作用，可能部分礦柱的回采或者破壞就會導(dǎo)致采場發(fā)生冒落、垮塌等地壓顯現(xiàn)，甚至誘發(fā)一定規(guī)模的地壓活動造成人員、財產(chǎn)的損失，影響礦山的正常安全生產(chǎn)，所以礦柱的回采不同于礦山正常的礦石開采，存在著較大的風(fēng)險，安全問題是資源回收利用首要考慮的因素，也是影響其能否順利回收的關(guān)鍵問題[4-7]。在礦柱回采之前，對回采區(qū)域的礦柱進(jìn)行安全性研究，可以指導(dǎo)礦柱回采的實施，保障礦柱的正常安全回采[8-10]。某鐵礦二采區(qū)一中段采用空場采礦法進(jìn)行采礦，經(jīng)過多年開采留下大量礦柱和采空區(qū)，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，該中段未處理采空區(qū)體積將近40萬m3，遺留礦柱礦量約為26.6萬t，其中間柱所占比例最大為17.2萬t。目前該中段采礦已接近尾聲，而二中段還在進(jìn)行基建，因此，進(jìn)行礦柱回采安全性研究對礦山安全持續(xù)生產(chǎn)和資源充分利用具有重要的意義。

1 礦柱穩(wěn)定極限狀態(tài)方程

1.1 礦柱強(qiáng)度

影響礦柱強(qiáng)度的因素有很多，主要包括礦柱的大小、幾何尺寸、礦柱巖體的地質(zhì)構(gòu)造等，針對不同的情況條件，國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)提出了許多計算礦柱強(qiáng)度的公式，其中應(yīng)用最為廣泛的是由Bieniawski提出的礦柱強(qiáng)度公式[11]：

(1)

式中，σp為礦柱的強(qiáng)度，MPa；σp1為寬高比為1時的礦柱強(qiáng)度，MPa；ω、h分別為礦柱的寬度、高度，m。

式(1)是考慮了礦柱形狀因子的經(jīng)驗公式，雖然已經(jīng)非常具有代表性，但是沒有考慮到節(jié)理等巖體結(jié)構(gòu)特性因素。為了將節(jié)理對礦柱強(qiáng)度σp1的影響考慮進(jìn)去，結(jié)合礦山的實際情況及應(yīng)用的簡便，采用Hoek-Brown方法計算節(jié)理裂隙對礦柱強(qiáng)度的影響：

(2)

式中，σc為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；s為巖體完整性無量綱實驗常數(shù)。

(3)

(4)

1.2 礦柱平均應(yīng)力

傳統(tǒng)計算礦柱平均應(yīng)力的計算方法有面積分?jǐn)偡?、柱撓曲法、載荷系數(shù)法等，這些方法都沒有考慮地應(yīng)力場對礦柱應(yīng)力的影響作用。常將這些公式應(yīng)用于采用房柱法開采的礦體傾角較小的礦山，但是從實際的工程應(yīng)用表明，這些方法計算獲得的礦柱平均應(yīng)力值，有時要遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實際情況。

與傳統(tǒng)計算礦柱平均應(yīng)力的方法相比，如果以礦山原巖應(yīng)力測量和次生應(yīng)力監(jiān)測為基礎(chǔ)，再結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果和相類似礦山的經(jīng)驗，那就可以比較準(zhǔn)確的確定礦柱應(yīng)力集中系數(shù)，這樣獲得的礦柱平均應(yīng)力值也要更為準(zhǔn)確，礦柱平均應(yīng)力

(5)

式中，K為礦柱應(yīng)力集中系數(shù)，MPa；σ0為相鄰礦柱回采前礦柱應(yīng)力，MPa；σ1為礦柱二次回采相鄰礦柱應(yīng)力增量，MPa。

1.3 礦柱穩(wěn)定極限狀態(tài)方程

將前面計算得到的礦柱強(qiáng)度值與礦柱平均應(yīng)力值進(jìn)行比較，其比值作為衡量礦柱安全性大小的指標(biāo)，因此也稱為安全系數(shù)S[12]。

(6)

S<1時現(xiàn)場對應(yīng)的礦柱嚴(yán)重破壞，S>2時現(xiàn)場對應(yīng)的礦柱相當(dāng)完好，所以可以將礦柱安全系數(shù)與礦柱安全性等級劃分為3個等級：S<1時，礦柱屬于不穩(wěn)定級別；S介于1～2時，礦柱屬于中等穩(wěn)定級別；S>2時，礦柱屬于穩(wěn)定級別。

以應(yīng)力增量理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的回采礦柱安全系數(shù)計算公式，不僅綜合考慮到了巖體結(jié)構(gòu)特征、原巖應(yīng)力、等因素對礦柱穩(wěn)定性的影響，而且還考慮了二次回采對礦柱應(yīng)力的變化情況，因此采用該方法進(jìn)行礦山回采過程礦柱穩(wěn)定性判斷分析將更為可靠。

2 工程地質(zhì)調(diào)查

采用原位觀測的詳細(xì)觀測法，對二采區(qū)一中段需回收礦柱的區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查。本次調(diào)查共布置33個測點，詳細(xì)記錄了這些測點的結(jié)構(gòu)面類型、產(chǎn)狀等信息，經(jīng)分析這些數(shù)據(jù)信息得到結(jié)構(gòu)面主要特征及規(guī)律：①該中段大型結(jié)構(gòu)面很少，斷層離礦柱回采區(qū)域距離很比較遠(yuǎn)，巖體的穩(wěn)定性比較好；②該中段節(jié)理普遍發(fā)育為結(jié)構(gòu)面，傾角為30°～50°的結(jié)構(gòu)面占50%以上，少數(shù)傾角較緩或較陡。

二采區(qū)一中段主要礦柱有5個，如圖1所示，其中預(yù)留3號礦柱作為永久性礦柱不進(jìn)行回收，其余4個礦柱全部進(jìn)行回收。對1號、2號礦柱和4號、5號礦柱而言，其回收的順序是相對均衡的，但是由于主井擔(dān)負(fù)著礦山的提升運(yùn)輸任務(wù)，為了確保該主井的安全，所以礦柱的回采先后順序依次為5號礦柱、4號礦柱、2號礦柱、1號礦柱。

圖1 礦柱分布圖

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型

綜合考慮計算精度的要求以及邊界效應(yīng)，建立長903 m、寬347 m、高115 m的長方體計算模型，整個模型節(jié)點數(shù)為82 545個，四面體單元數(shù)467 207個，模型如圖2、圖3所示。

圖2 圍巖礦體模型圖

圖3 礦柱、礦房網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值計算結(jié)果

采用FLAC3D有限差分軟件對模型進(jìn)行計算，首先對模型施加初始應(yīng)力場，然后再開挖模型中全部礦房，最后按照礦柱的回采順序開挖需要回采的礦柱，記錄各個階段礦柱的應(yīng)力數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。部分結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 礦房回采后應(yīng)力云圖

圖5 4號、5號礦柱回采后應(yīng)力云圖

圖6 礦柱全部回采后應(yīng)力云圖

4 礦柱回采安全性分析

4.1 基本參數(shù)確定

(1)礦柱的形狀參數(shù)包括礦柱的平均長度l、平均寬度ω以及平均高度h，綜合現(xiàn)場調(diào)查以及礦方提供的數(shù)據(jù)資料，得到二采區(qū)一中段礦柱平均長度、礦柱平均寬度以及礦柱平均高度的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 二采區(qū)一中段各礦柱基本參數(shù)

(2)根據(jù)室內(nèi)進(jìn)行的礦巖基本力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果，得到礦石的抗壓強(qiáng)度σc為89.21 MPa。根據(jù)礦山工程地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，采用巖體RMR值的計算方法，得到巖體RMR值為83，即該巖體的質(zhì)量等級為Ⅰ級，將巖體RMR值代入計算公式中，s=0.114 6,得到礦柱寬高比為1時的強(qiáng)度σp1為22.3 MPa。

(3)相鄰礦柱回采前礦柱的應(yīng)力主要包括2個部分，第一部分是在巖體未開挖擾動之前受到的原巖應(yīng)力，第二部分是因巖體、礦房開挖等使礦柱受到的應(yīng)力增量。由于礦山?jīng)]有相關(guān)的地應(yīng)力測量資料，也沒有應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，所以直接利用數(shù)值模擬的結(jié)果來確定相鄰礦柱回采前礦柱應(yīng)力σ0和礦柱二次回采相鄰礦柱應(yīng)力增量σ1，如表2、表3所示。

(4)根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果以及結(jié)合大量礦山有關(guān)資料，采場開挖礦柱應(yīng)力集中系數(shù)一般為2～3，根據(jù)礦山的實際情況，選取礦柱安全性計算的礦柱應(yīng)力集中系數(shù)為2.5。

表2 礦房回采后礦柱應(yīng)力

4.2 礦柱安全系數(shù)

根據(jù)礦柱安全系數(shù)計算的原理，將上述確定的基本參數(shù)，代入到礦柱穩(wěn)定極限狀態(tài)方程計算出相應(yīng)礦柱的安全系數(shù)，得到二采區(qū)一中段各礦柱的安全系數(shù)如表4所示。

表3 礦柱二次回采相鄰礦柱應(yīng)力增量

表4 二采區(qū)一中段礦柱安全系數(shù)

4.3 礦柱安全性分析

礦柱安全系數(shù)計算結(jié)果表明，二采區(qū)一中段的礦柱安全系數(shù)都大于1，即所有礦柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)。

根據(jù)劃分的礦柱安全性等級，二采區(qū)一中段的礦柱安全性程度主要是隸屬于穩(wěn)固等級，只有1號礦柱和4號礦柱是隸屬于中等穩(wěn)固等級。

5 結(jié) 論

(1)目前，礦山已經(jīng)安全回采了二采區(qū)一中段的4號和5號礦柱，在礦柱回采完以后沒有發(fā)生地壓活動并且其他未采礦柱也很完好。

(2)二采區(qū)一中段的礦柱安全系數(shù)都大于1，即所有礦柱在礦柱回采的過程中都處于安全狀態(tài)，可以進(jìn)行部分礦柱回采，回收期間加強(qiáng)地壓監(jiān)測。

(3)結(jié)合礦柱回采實踐表明，本研究所用的基于應(yīng)力增量理論研究礦柱穩(wěn)定性的方法是可行的，可以用于分析礦柱的安全性，指導(dǎo)礦柱回采方案的實施等方面。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Stability of Pillars Recovery in an Iron Ore

Liu Wutuan1Zhao Kui2Hu Jingtao3Rao Zhaoxun3Liu Mingrong4

(1.NorthwestInstituteofMining&Metallurgy，Baiyin730900，China；2.JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China；3.ChangshaEngineeringandResearchInstituteLtd.ofNonferrousMetallurgy，Changsha410011，China；4.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，China)

The open stope mining method was adopted in the first section of No.2 mining area in an Iron Mine.The untreated goaf has reached 400,000 m3and the ore quantity of remained pillar is nearly more than 26 million tons after years of exploitation.In order to fully recover the mineral resources，the mine is planning to recover the pillars.As the untreated mined-out area is large and the remained pillar is the key support for maintaining the stability of mined-out area，the recovery or destroy of part of pillars may induce a certain scale of ground pressure activities which will threaten normal safe production of mine.So before the pillar stoping，the research on security of pillar mining area can guide the implementation of the pillar stoping，and ensure the pillar mining in safety.Combining with the actual situation in an iron mine and based on the theory of stress increment，the combination of engineering geological investigation，laboratory test with numerical simulation is adopted to research the pillar′s security about the first section in No.2 mining area and to determine the safety factor of each pillar.The research results showed that the pillars in the first section of No.2 mining area is in safety，and parts of pillars can be recovered.

Stress increment theory，Numerical simulation，Pillar recovery secutity

2014-05-11

劉武團(tuán)(1969—)，男，高級工程師。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-08-162-04