盧安夏銅礦露天開(kāi)采下采空區(qū)頂板安全厚度研究

王志修，陳 何，曹 輝，鄭志杰

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628； 2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628； 3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628； 4.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

露天礦采場(chǎng)永久邊坡范圍內(nèi)存在采空區(qū)，這些未經(jīng)處理的采空區(qū)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響[1]。

針對(duì)采空區(qū)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究工作，周文勇[2]、龔聲武等[3]利用FLAC3D軟件建立三維力學(xué)模型，提出露天礦開(kāi)采的合理邊坡角，分別研究采空區(qū)在不同位置、不同走向的條件下，邊坡安全系數(shù)的變化情況，以及邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中的位移、振速和應(yīng)力的變化規(guī)律。秦予輝等[4]基于K.B.魯佩涅依特公式對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行安全厚度計(jì)算。李夕兵等[5]以礦山工程作為實(shí)例，提出地下空區(qū)頂板穩(wěn)定性的綜合安全評(píng)判方法。王玉濤[6]借助突變理論分析了頂板變形失穩(wěn)的初始條件，分析了采空區(qū)頂板失穩(wěn)的判據(jù)，提出了在保證頂板安全的臨界條件下的穩(wěn)定參數(shù)和初始條件。FREIDIN等[7]通過(guò)有限元軟件對(duì)鐵礦開(kāi)采頂部進(jìn)行應(yīng)力分布及穩(wěn)定性分析，從而得出地下開(kāi)挖跨度的安全范圍。VYAZMENSKY等[8]基于南非Palabora礦建立的模型突出了巖體抗拉強(qiáng)度在礦山開(kāi)采中的重要性及其對(duì)崩落誘導(dǎo)開(kāi)采中斜坡響應(yīng)的影響。SINGH等[9]用不同的數(shù)值模擬方法討論了礦山開(kāi)采中地層厚度控制問(wèn)題。

本文結(jié)合盧安夏露天銅礦工程實(shí)際，首先確定露天礦下采空區(qū)的分布情況，分析露天礦與采空區(qū)空間關(guān)系并進(jìn)行露天邊坡危險(xiǎn)區(qū)區(qū)劃，然后采用平板梁理論和松散系數(shù)理論計(jì)算了不同跨度條件下的采空區(qū)頂板安全厚度，最后采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同位置的采空區(qū)模型進(jìn)行模擬結(jié)合理論計(jì)算確定頂板安全厚度。

1 空區(qū)賦存條件下露采邊坡潛在危險(xiǎn)區(qū)區(qū)劃

1.1 采空區(qū)體積估算分析

盧安夏銅礦巴魯巴東露天礦內(nèi)存在大小不一的采空區(qū)，數(shù)量眾多，沒(méi)有完整的探明資料可以查閱，對(duì)采空區(qū)附近的露天開(kāi)采形成了安全隱患。盧安夏銅礦巴魯巴東露天礦內(nèi)采空區(qū)的定位方法以鉆孔探測(cè)為主，經(jīng)過(guò)多次探測(cè)，并對(duì)1991～2001年各年份的設(shè)計(jì)采礦量、設(shè)計(jì)出礦品位、實(shí)際出礦量、實(shí)際出礦品位等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，最終得出巴魯巴東設(shè)計(jì)采礦總量約為292×104t，設(shè)計(jì)出礦品位3.018%，實(shí)際出礦量為403×104t，實(shí)際出礦品位1.807%，假設(shè)混入的廢石中含銅品位為0，則計(jì)算后巴魯巴東地下開(kāi)采的廢石混入率為40.1%。在巴魯巴東設(shè)計(jì)采礦總量約為292×104t中，北翼礦體設(shè)計(jì)采礦總量為166×104t。利用巴魯巴東設(shè)計(jì)采礦量估算采空區(qū)體積，基本確定了巴魯巴東露天礦北翼采空區(qū)的體積，見(jiàn)表1。

1.2 地下采空區(qū)與露天境界空間關(guān)系

盧安夏銅礦巴魯巴東露天開(kāi)采境界見(jiàn)圖1。境界長(zhǎng)1 340 m，寬300 m，境界封閉圈標(biāo)高1 284 m，坑底標(biāo)高1 200 m，露天坑深84 m。露天開(kāi)采技術(shù)參數(shù)為：開(kāi)采臺(tái)階高8 m，安全平臺(tái)寬4 m，清掃平臺(tái)寬8 m，最小工作平臺(tái)寬度40 m，運(yùn)輸平臺(tái)寬15 m，最終邊坡角為上下盤(pán)45°，端幫42°。

地下采空區(qū)主要范圍位于SS07～SS14C之間，長(zhǎng)度約550 m，采空區(qū)與露天境界重合的區(qū)域有SS07～SS11之間勘探線范圍內(nèi)的采空區(qū)(走向長(zhǎng)約310 m)，此部分采空區(qū)對(duì)露天開(kāi)采安全產(chǎn)生直接影響。采空區(qū)與露天境界重合之外的區(qū)域因空區(qū)大小和距離露天境界遠(yuǎn)近對(duì)露天開(kāi)采安全產(chǎn)生不同程度的影響。

表1 盧安夏巴魯巴東北翼礦體地下采空區(qū)體積估算

圖1 露天邊坡危險(xiǎn)區(qū)區(qū)劃及采空區(qū)位置

1.3 露天邊坡危險(xiǎn)區(qū)區(qū)劃

根據(jù)露天境界邊坡參數(shù)可知，盧安夏銅礦巴魯巴東露天境界上盤(pán)邊坡無(wú)運(yùn)輸?shù)缆?，邊坡較陡?？碧骄€SS07～SS11之間的上盤(pán)露天邊坡位于地下采空區(qū)的正上方，其他部分露天邊坡下方無(wú)地下采空區(qū)。因此，將露天邊坡危險(xiǎn)區(qū)劃分為三部分，見(jiàn)圖1。其中Ⅰ區(qū)范圍為勘探線SS07～SS12之間的上盤(pán)邊坡區(qū)域，該區(qū)域平均露天邊坡角41°，其正下方有地下采空區(qū)，為最危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅱ區(qū)范圍為除Ⅰ區(qū)之外的上盤(pán)邊坡區(qū)域，該區(qū)域平均露天邊坡角41°，其正下方無(wú)地下采空區(qū)，為次級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅲ區(qū)為下盤(pán)邊坡區(qū)域，該區(qū)域平均露天邊坡角32°，其正下方無(wú)地下采空區(qū)，為相對(duì)安全區(qū)域。

2 理論分析安全厚度

采空區(qū)頂板安全厚度是指保證采空區(qū)安全的前提下，采空區(qū)頂板至地表的最小距離。本文采用平板梁理論和松散系數(shù)理論[10-11]進(jìn)行分析。

平板梁理論是假設(shè)頂柱是一個(gè)兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)的公式，推導(dǎo)出安全頂柱厚度公式，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：H為要求的安全頂柱厚度，m；K為安全系數(shù)；γ為頂板巖石容重，t/m3；B為采空區(qū)跨度，m；σT為頂柱巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)上述參數(shù)要求，盧安夏露天礦頂板的巖石平均容重為2.67 t/m3，K取1.2，B為5 m，頂柱巖石抗拉強(qiáng)度σT=0.54 MPa，則安全厚度的高度為14.3 m。

根據(jù)松散系數(shù)理論，假設(shè)空區(qū)發(fā)生塌陷，只要頂柱厚度大于塌陷巖石填滿空區(qū)所需高度就是安全的。由此推算出頂柱安全厚度公式，見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：H為要求的安全頂柱厚度，m；H空區(qū)為采空區(qū)高度，m；KP礦巖松散系數(shù)。由式(2)計(jì)算得出安全頂柱的厚度為16.6 m。

3 空區(qū)賦存條件下邊坡穩(wěn)定性特征

本次分析選擇8號(hào)勘探線左側(cè)20 m處勘探線剖面SS08N(圖2)，該勘探線剖面上出現(xiàn)采空區(qū)(圖3)，應(yīng)用有限差分軟件FLAC3D，建立工程地質(zhì)力學(xué)模型，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，巖體的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。模型底部邊界為垂直方向約束，4個(gè)側(cè)面為水平方向約束，上部邊界為自由邊界。

圖2 計(jì)算剖面位置示意圖

圖3 SS08N剖面示意圖

表2 工程巖體物理力學(xué)參數(shù)

序號(hào)巖性名稱密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa1過(guò)渡帶片巖2 6712.860.164.6320.542泥巖2 3802.640.144.01300.33石英巖2 6308.210.208.89400.6

計(jì)算模擬分兩種工況考慮。工況1，當(dāng)露天礦開(kāi)采至距離采空區(qū)1為1～2個(gè)臺(tái)階高度時(shí)，坑底采空區(qū)2距離露天境界較遠(yuǎn)，對(duì)露天開(kāi)采安全影響極其微小，不予考慮。分別對(duì)采空區(qū)1高度為5 m、10 m、15 m三種情況，按安全厚度為8 m(1個(gè)臺(tái)階高度)和安全厚度為16 m(2個(gè)臺(tái)階高度)兩種條件進(jìn)行穩(wěn)定性分析。工況2，當(dāng)露天礦開(kāi)采至距離坑底正下方空區(qū)(采空區(qū)2)為1～2個(gè)臺(tái)階高度時(shí)，邊坡正下方空區(qū)(采空區(qū)1)已進(jìn)行安全處理，不予考慮。分別按安全厚度為8 m(1個(gè)臺(tái)階高度)和安全厚度為16 m(2個(gè)臺(tái)階高度)兩種條件進(jìn)行穩(wěn)定性分析。模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

4 模擬結(jié)果分析

4.1 采空區(qū)高度影響分析

采空區(qū)1頂板距開(kāi)采境界分別為16 m和8 m時(shí)，采空區(qū)1的高度為5 m、10 m、15 m情況下，分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)，其他條件不變。采空區(qū)1影響邊坡失穩(wěn)時(shí)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。圖5和圖6分別表示3號(hào)和4號(hào)在采空區(qū)邊坡在達(dá)到極限平衡條件時(shí)的應(yīng)力云圖。

從表3可知，隨著采空區(qū)范圍的增大，最大拉應(yīng)力值、最大位移和最大剪應(yīng)變均增加，4號(hào)邊坡頂板內(nèi)拉應(yīng)力為0.63 MPa，大于圍巖的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明在采空區(qū)頂板位置已經(jīng)失穩(wěn)破壞，隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，拉應(yīng)力也不斷增加，圍巖破壞程度不斷加劇。兩種工況下，隨著采空區(qū)范圍增加，Z方向位移也增大，但是增大幅度相差不大，最大位移為11.45 mm，說(shuō)明兩種工況下，變化趨勢(shì)相同，采空區(qū)范圍增加，圍巖變形發(fā)生擠壓作用到達(dá)一定程度后基本達(dá)到穩(wěn)定。圖5是安全厚度為8 m時(shí)，采空區(qū)高度5 m情況下塑性區(qū)分布圖，在采空區(qū)頂板出現(xiàn)拉破壞，貫穿至頂部，隨著采空區(qū)范圍增加，塑性區(qū)逐漸增多，向邊坡貫通。圖6是安全厚度為16 m時(shí)，采空區(qū)高度15 m情況下塑性區(qū)分布區(qū)，在采空區(qū)上部出現(xiàn)塑性區(qū)，但沒(méi)有與邊坡坡腳貫通。兩種工況下，說(shuō)明在采空區(qū)頂板與露天邊坡坡腳位置最容易發(fā)生破壞。

表3 1～6號(hào)邊坡的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 3號(hào)邊坡塑性區(qū)云圖

圖6 4號(hào)邊坡塑性區(qū)云圖

4.2 采空區(qū)位置影響分析

采空區(qū)2頂板距露天坑底為16 m和8 m時(shí)，此時(shí)采空區(qū)1對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響已被處理。圖7和圖8分別表示不同安全厚度時(shí)Z方向應(yīng)力分布云圖和安全厚度為8 m時(shí)的塑性區(qū)云圖。

由圖7分析可知，當(dāng)安全厚度為16 m時(shí)，頂部出現(xiàn)7 557 kPa的壓應(yīng)力，減至安全厚度至8 m時(shí)，采空區(qū)2頂板變?yōu)槔瓚?yīng)力，因?yàn)殡S著開(kāi)采深度不斷增加，兩幫對(duì)露天采場(chǎng)坑底產(chǎn)生擠壓作用，16 m的安全厚度可以支撐兩幫的壓力，保持在壓應(yīng)力狀態(tài)，但在8 m的安全厚度情況下，安全厚度巖體被緊密擠壓，發(fā)生應(yīng)力變化，產(chǎn)生巖體破壞，由塑性區(qū)分布圖也可看出。在采空區(qū)2頂?shù)撞砍霈F(xiàn)拉應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度大約為0.4 MPa，同時(shí)在露天邊坡的坡面及坡頂也出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于存在拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，邊坡及采空區(qū)頂?shù)装鍟?huì)產(chǎn)生拉伸形式破壞，從而影響露天生產(chǎn)安全。

由圖8分析可知，從采空區(qū)2頂板至露天坑底都產(chǎn)生了塑性破壞并呈現(xiàn)貫穿邊坡分布的現(xiàn)象，且主要為拉伸破壞并伴隨有剪切形式破壞。由于在采空區(qū)2頂?shù)装宄霈F(xiàn)以拉應(yīng)力為主的應(yīng)力集中現(xiàn)象，采空區(qū)頂?shù)装宄霈F(xiàn)大量的拉伸破壞區(qū)域。因此，當(dāng)安全厚度為8 m時(shí)，采空區(qū)2的影響范圍較大，會(huì)使露天坑底和邊坡產(chǎn)生大范圍的破壞，影響礦山安全生產(chǎn)。

圖7 不同安全厚度時(shí)Z方向應(yīng)力分布云圖

圖8 安全厚度8時(shí)塑性區(qū)云圖

5 結(jié) 論

1) 利用巴魯巴東設(shè)計(jì)采礦量估算采空區(qū)體積，基本確定了巴魯巴東露天礦北翼采空區(qū)的體積為87×104m3通過(guò)分析勘探線SS07～SS11，將露天邊坡危險(xiǎn)區(qū)劃分為三部分。其中，Ⅰ區(qū)范圍為勘探線SS07～SS12之間的上盤(pán)邊坡區(qū)域，該區(qū)域平均露天邊坡角41°，其正下方有地下采空區(qū)，為最危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅱ區(qū)范圍為除Ⅰ區(qū)之外的上盤(pán)邊坡區(qū)域，該區(qū)域平均露天邊坡角41°，其正下方無(wú)地下采空區(qū)，為次級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域；Ⅲ區(qū)為下盤(pán)邊坡區(qū)域，該區(qū)域平均露天邊坡角32°，其正下方無(wú)地下采空區(qū)，為相對(duì)安全區(qū)域。

2) 按照三維數(shù)值模擬計(jì)算，露天開(kāi)采的采空區(qū)隔離層最小安全厚度為16 m(2個(gè)臺(tái)階高度)，采空區(qū)對(duì)露天開(kāi)采的影響較??；對(duì)比石人溝鐵礦[12]、克里沃羅格礦[13]等同類型礦山的采空區(qū)隔離層最小安全厚度，最終推薦露天開(kāi)采的采空區(qū)隔離層最小安全厚度為16 m(2個(gè)臺(tái)階高度)。為使盧安夏巴魯巴東露天開(kāi)采安全有序進(jìn)行，建議加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行超前探測(cè)，為露天安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。