露天轉(zhuǎn)地下開采境界頂柱安全厚度研究

劉恒亮 張欽禮 卞繼偉

(1.銅陵化工集團(tuán)新橋礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244132；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

露天轉(zhuǎn)地下開采境界頂柱安全厚度研究

劉恒亮1張欽禮2卞繼偉2

(1.銅陵化工集團(tuán)新橋礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244132；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

境界頂柱是露天開采和地下開采有序進(jìn)行的保證，其合理的厚度對(duì)露天轉(zhuǎn)地下具有重要意義。為確定新橋礦露天轉(zhuǎn)地下境界頂柱安全厚度，運(yùn)用厚跨比法、荷載傳遞線交匯法和結(jié)構(gòu)力學(xué)方法對(duì)境界頂柱安全厚度進(jìn)行理論分析與計(jì)算，并用ANSYS對(duì)不同跨度和不同境界頂柱厚度進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得到了不同采空區(qū)跨度下的境界頂柱安全厚度。根據(jù)分析結(jié)果可以有效地確定礦山的境界頂柱厚度，為露天轉(zhuǎn)地下安全生產(chǎn)提供可靠的指導(dǎo)。根據(jù)礦山30 m的實(shí)際開采跨度，推薦新橋礦的境界頂柱安全厚度為24 m。

露天轉(zhuǎn)地下 境界頂柱 理論計(jì)算 數(shù)值模擬

隨著露天礦開采深度的逐步增加，其開采難度越來(lái)越大，露天開采越來(lái)越不能滿足生產(chǎn)的要求[1-2]，許多礦山實(shí)現(xiàn)了從露天開采到地下開采的過(guò)渡，如銅官山鐵礦、石人溝鐵礦、大寶山銅鐵、首鋼大石河鐵礦等。在露天開采轉(zhuǎn)為地下開采的過(guò)程中，面臨選擇合理的采礦方法，保證露天邊坡的穩(wěn)定，確定合理的境界頂柱等諸多問題，其中合理的境界頂柱可以有效地保證露天轉(zhuǎn)地下開采的安全性[3]。露天生產(chǎn)均為大型設(shè)備和大孔徑爆破，如果境界頂柱過(guò)薄，爆破作用加之重型設(shè)備反復(fù)碾壓會(huì)削弱境界頂柱穩(wěn)定性，可能會(huì)引起境界頂柱的冒落，甚至坍塌，會(huì)給礦山生產(chǎn)帶來(lái)不可估量的損失，因此，境界頂柱必須能保證人員、設(shè)備和材料的安全性；如果境界頂柱過(guò)厚，雖然能保證地下開采的安全性，但是會(huì)浪費(fèi)大量的資源[4-6]。因此，合理的境界頂柱厚度是露天轉(zhuǎn)地下開采過(guò)程中亟待解決的問題。

為了確定境界頂柱的安全厚度，很多專家運(yùn)用不同的方法進(jìn)行了許多研究。如陸廣等[7]運(yùn)用二維有限元軟件Phase2D進(jìn)行數(shù)值模擬，確定露天轉(zhuǎn)地下開采隔層的厚度；周科平等[8]通過(guò)建立未確知測(cè)度模型對(duì)境界頂柱安全進(jìn)行評(píng)價(jià)；馬田輝等[9]運(yùn)用MSC.PATRAN 和MSC.NASTRAN構(gòu)建模型，得出合理的境界頂柱厚度。本研究以新橋礦業(yè)有限公司(下稱“新橋礦”)露天轉(zhuǎn)地下開采工程為對(duì)象，釆用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以實(shí)現(xiàn)預(yù)留境界頂柱的優(yōu)化。

1 工程概況

新橋礦露天開采設(shè)計(jì)最終境界最低開采水平為-156 m水平，上盤最終邊坡角43°，下盤最終邊坡角39°～41°；露天坑底長(zhǎng)度約900 m，寬度為25～65 m，平均寬度為50 m。露天坑底部礦體水平厚度多為20 m～60 m，只在20線～23線之間水平厚度達(dá)140 m，平均水平厚度37 m；礦體傾角多為45°～60°，平均傾角55°。新橋露天開采的設(shè)計(jì)要求，露天坑開采結(jié)束后用松散碎石將露天坑回填至-108 m水平。由于新橋礦屬于大水巖溶礦山，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，水對(duì)巖石的弱化作用會(huì)嚴(yán)重影響露天邊坡和境界頂柱的穩(wěn)定性，同時(shí)考慮到閉坑之后露天坑回填和境界頂柱隔水防滲的要求，為使得新橋露天礦順利轉(zhuǎn)入地下生產(chǎn)，必須確定境界頂柱的安全厚度。

2 境界頂柱厚度的理論計(jì)算

影響境界頂柱穩(wěn)定性的因素有很多，主要包括回采順序、露天爆破影響、地下水的影響、礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)以及地下采空區(qū)的面積等。境界頂柱厚度的理論計(jì)算目前仍處于探索和完善階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多經(jīng)驗(yàn)公式，此次選用荷載傳遞線交匯法、厚跨比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行境界頂柱厚度的理論計(jì)算[10-11]。

(1)荷載傳遞線交匯法：假定荷載按照30°～35°擴(kuò)散角由頂板中心向下傳遞，此傳遞線交于頂板與洞壁的交點(diǎn)以外時(shí)，即認(rèn)為洞壁直接支承頂板上的外載荷與自重，頂板是安全的。

(2)厚跨比法：當(dāng)采空區(qū)頂板為完整頂板時(shí)，頂板的厚度H與采空區(qū)跨度B之比不小于0.5時(shí)，認(rèn)為采空區(qū)是安全的。

(3)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法：假定采空區(qū)頂板巖體是一個(gè)兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)，上部巖體自重及其附加載荷作為上覆巖層載荷，以巖層的抗拉強(qiáng)度作為控制指標(biāo)，根據(jù)材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，可得到境界頂柱厚度與采空區(qū)跨度之間的關(guān)系。

為確保安全，另行引入安全系數(shù)K，得到在一定安全條件下的境界頂柱厚度與采空區(qū)跨度之間的關(guān)系，3種計(jì)算方法的計(jì)算公式分別如下：

(1)

(2)

(3)

式中，H為境界頂柱厚度，m；B為采空區(qū)跨度，m；β為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，(°)，取β=35°；γ為境界頂柱巖石容重，γ=9.8×3 828 N/m3=37.5 kN/m3；σ許為境界頂柱巖體抗拉強(qiáng)度，取 1 310 kPa；q為附加荷載，q=0.98 MPa=980 kPa；K為安全系數(shù)，取K=1.2。

分別運(yùn)用以上3種方法對(duì)不同跨度下的境界頂柱厚度進(jìn)行理論計(jì)算，其理論計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 境界頂柱厚度理論計(jì)算結(jié)果

Table 1 The boundary pillar thickness fromtheoretical calculations

m

3 境界頂柱厚度的數(shù)值模擬

在實(shí)際運(yùn)用中，境界頂柱厚度的影響因素主要包括采空區(qū)跨度、礦巖的物理力學(xué)參數(shù)、回采順序、巖體的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)以及原巖應(yīng)力狀況等。而理論計(jì)算只考慮了采空區(qū)跨度對(duì)境界頂柱的影響，其計(jì)算結(jié)果必然與實(shí)際情況存在一定的差距[12-13]。為使計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際，綜合考慮影響境界頂柱的各個(gè)因素，運(yùn)用ANSYS對(duì)新橋礦不同跨度下的境界頂柱厚度進(jìn)行數(shù)值模擬，以保證境界頂柱厚度更為合理。

3.1 模型優(yōu)化

由于礦山實(shí)際情況比較復(fù)雜，為了方便建模和計(jì)算分析，必須對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，需作出如下假設(shè)[14-15]。

(1)考慮到礦山將來(lái)露天開采可能開采到-144 m水平(按設(shè)計(jì)邊坡角靠幫)，模型中的境界頂柱從 -144 m水平往下開始預(yù)留。

(2)露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填采礦法，所以模型中采空區(qū)高度取最大控頂高度6.6 m。

(3)露天坑底部礦體傾角多為45°～60°，平均傾角55°，模型中礦體傾角取礦體平均傾角55°。

(4)計(jì)算區(qū)域的表面載荷的大小為其上覆巖體的重力之和。

(5)計(jì)算模型中不考慮地質(zhì)構(gòu)造、地下水、爆破振動(dòng)對(duì)巖體的影響，同時(shí)認(rèn)為巖體為連續(xù)介質(zhì)，巖體內(nèi)部不存在結(jié)構(gòu)面和弱面。

(6)為了滿足計(jì)算需要和保證計(jì)算精度，本次模擬采用的模型尺寸取為空區(qū)范圍的3～5倍。

3.2 模型參數(shù)確定

礦巖的物理力學(xué)參數(shù)是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)參數(shù)，其準(zhǔn)確性決定了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。物理力學(xué)參數(shù)是通過(guò)在理想條件下的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)(主要包括單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、單軸壓縮變形試驗(yàn))測(cè)得的，所得數(shù)據(jù)經(jīng)Hoek-Brown準(zhǔn)則折減后得到可以用于數(shù)值模擬的礦巖和充填體物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 礦巖和充填體的物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果

為了全面研究不同跨度下境界頂柱的安全厚度，運(yùn)用ANSYS對(duì)不同跨度(10～50 m)下的境界頂柱進(jìn)行數(shù)值模擬。本文僅以25 m跨度進(jìn)行分析：分別構(gòu)建采空區(qū)高度為6.6 m，跨度為25 m，境界頂柱厚度為10、13、15、18、20 m的采空區(qū)模型，對(duì)比分析5個(gè)采空區(qū)模型的受力狀態(tài)及境界頂柱的安全狀態(tài)?？缍?5 m時(shí)，不同境界頂柱厚度的拉應(yīng)力云圖如圖1所示。

眾所周知，巖石抗拉強(qiáng)度低，格里菲斯準(zhǔn)則認(rèn)為巖石的破壞是由于拉應(yīng)力引起的拉裂破壞，此處主要分析拉應(yīng)力對(duì)境界頂柱的影響。從圖1可以看出，境界頂柱最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在境界頂柱的中央，因此境界頂柱中央的拉應(yīng)力是決定采空區(qū)穩(wěn)定性的最主要因素。根據(jù)ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到采空區(qū)跨度為25 m時(shí)，不同境界頂柱厚度下的最大拉應(yīng)力及安全系數(shù)如表3所示。

圖1 境界拉應(yīng)力云圖

境界頂柱厚度/m最大拉應(yīng)力/MPa安全系數(shù)1017507513135097151121171809913220087151

分析圖1的拉應(yīng)力云圖可知，隨著境界頂柱厚度的增大，拉應(yīng)力區(qū)域逐漸變小；由表3可知，隨著境界頂柱厚度的增大，境界頂柱的最大拉應(yīng)力逐漸變小，其安全系數(shù)逐漸增大。

根據(jù)新橋礦露天轉(zhuǎn)地下開采技術(shù)條件、采礦方法和實(shí)際情況，按照以上方法和思路，分別對(duì)跨度為10、15、20、25、30、35、40、45、50 m時(shí)的境界頂柱進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，以境界頂柱中的拉應(yīng)力安全系數(shù)不小于1.2為原則推薦最小境界頂柱厚度如表4所示。

表4 境界頂柱厚度數(shù)值模擬推薦值

Table 4 The recommended values of different boundarypillar thickness from numerical simulation

m

通過(guò)模擬結(jié)果分析，境界頂柱厚度和采空區(qū)跨度對(duì)境界頂柱的最大拉應(yīng)力有重要影響，境界頂柱厚度越大、采空區(qū)跨度越小，則境界頂柱的最大拉應(yīng)力越小，拉應(yīng)力安全系數(shù)越大，反之亦然。

采空區(qū)跨度達(dá)到40 m時(shí)，境界頂柱的最大拉應(yīng)力與拉應(yīng)力安全系數(shù)不再隨著境界頂柱厚度的增大而明顯的增大或減小，均位于臨界破壞狀態(tài)附近，所以露天轉(zhuǎn)地下開采過(guò)程中應(yīng)將采空區(qū)跨度控制在40 m以內(nèi)。

4 理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果比較

將不同跨度下的理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬推薦的厚度值統(tǒng)計(jì)于表5。

表5 境界頂柱厚度的理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果

Table 5 The boundary pillar thickness from theoreticalcalculations and numerical simulation

m

由表5可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用荷載傳遞交匯線法、厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)法、數(shù)值模擬法所得結(jié)果趨勢(shì)是相同的，即隨著跨度的增大，境界頂柱的安全厚度不斷增大。綜合考慮安全因素和經(jīng)濟(jì)條件，可以確定不同跨度下境界頂柱厚度的推薦值，如表5所示。根據(jù)礦山的實(shí)際開采跨度(30 m)，推薦新橋礦的境界頂柱安全厚度為24 m。

5 結(jié) 論

(1)運(yùn)用公式和ANSYS分別對(duì)不同跨度下的境界頂柱進(jìn)行理論計(jì)算和數(shù)值模擬，得到不同跨度下的境界頂柱厚度，為礦山安全開采和實(shí)際生產(chǎn)提供了參考。

(2)通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，露天轉(zhuǎn)地下開采過(guò)程中應(yīng)將采空區(qū)跨度控制在40 m以內(nèi)。

(3)根據(jù)礦山實(shí)際開采跨度(30 m)，推薦新橋礦的境界頂柱安全厚度為24 m。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Research on Safety Thickness of Boundary Pillar duringthe Transition from Open Pit to Underground Mining

Liu Hengliang1Zhang Qinli2Bian Jiwei2

(1.TCIGCLXinqiaoMiningCo.，Ltd.，Tongling244132，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

Boundary pillar is an guarantee for ensuring the safety of underground mining and open pit and the stability of open pit slope，and the reasonable thickness of boundary pillar is essential to realize the transition from open pit to underground.To determine the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine，such measure as ratio of span and thickness equation，load transfer method and structural mechanics method，are adopted to calculate and analyze the safety thickness of boundary pillar.Numerical simulation on different spans and different boundary pillar thickness is carried out by ANSYS.By analyzing the theoretical calculations and numerical simulation results，the safety depth of boundary pillar under different goaf span is obtained.The results can effectively determine the thickness of boundary pillar of mine design，and have important implications for guiding safety production in transition from open pit to underground mining.Based on the actual mining span (30 m) in the mine，the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine is recommended as 24 m.

Transition from open pit to underground mining，Boundary pillar，Theoretical calculation，Numerical simulation

2015-06-22

劉恒亮(1964—)，男，高級(jí)工程師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-041-05