露天轉(zhuǎn)地下開采頂板安全性分析

楊振增，張紀(jì)偉，亓中華

(山東華聯(lián)礦業(yè)股份有限責(zé)任公司，山東 沂源 256119)

1 前言

露天礦山轉(zhuǎn)地下開采后，由于受到露天坑和邊坡的作用，在原有地應(yīng)力環(huán)境下已經(jīng)轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)采動(dòng)應(yīng)力條件，對(duì)地下開采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)和頂板隔離層提出了更高的要求，隔離層是礦山露天轉(zhuǎn)地下開采的關(guān)鍵銜接部分。運(yùn)用數(shù)值分析的方法可以合理優(yōu)化確定隔離層的厚度，根據(jù)陽雀箐釩鈦磁鐵礦邊坡工程地質(zhì)條件和已經(jīng)設(shè)定的隔離層厚度，對(duì)礦山3個(gè)階段的礦體回采進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了已確定隔離礦柱厚度的合理性，分析表明露采邊坡在地下開采期間均處于穩(wěn)定狀態(tài)[1]。針對(duì)密云鐵礦南礦段的實(shí)際情況，構(gòu)建該礦段露天轉(zhuǎn)地下數(shù)值模型，分析獲得了不同跨度下最小拉應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的隔離礦柱尺寸，提出了保證礦山安全連續(xù)開采前提下的合理隔離礦柱尺寸為24m[2]。結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在綜合分析巖石內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)的影響后，針對(duì)某礦山露天轉(zhuǎn)地下開采現(xiàn)狀，進(jìn)行了在采空區(qū)影響下的邊坡穩(wěn)定性分析[3]。

合理利用數(shù)值分析方法，可以對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開采的安全穩(wěn)定性及其隔離層厚度進(jìn)行分析優(yōu)化，以華聯(lián)礦業(yè)南平硐采場(chǎng)的地下開采最危險(xiǎn)的37- 5#采場(chǎng)為例，分析其設(shè)計(jì)參數(shù)下的穩(wěn)定性，并提出合理的控制措施。

2 模型構(gòu)建

南平硐位于礦山的南露天開采坑與邊坡的結(jié)合部位，主要回采90m水平以上的坑底礦體，目前設(shè)計(jì)采用有底柱分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，實(shí)現(xiàn)分段鑿巖爆破，底部設(shè)置塹溝受礦出礦川鏟運(yùn)機(jī)出礦，回采完成后進(jìn)行一次性充填。選取37- 5#采場(chǎng)為試驗(yàn)采場(chǎng)，建立數(shù)值分析模型，對(duì)頂板的安全和力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，判斷其安全穩(wěn)定性。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置平面見圖1。

1—回風(fēng)巷道；2—沿脈；3—運(yùn)輸巷道；4—出礦川；5—受礦塹溝；6—分段鑿巖巷道；7—充填回風(fēng)巷道圖1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置平面圖

按照礦山目前的開采條件，初始地應(yīng)力主要受到自重應(yīng)力影響。計(jì)算中對(duì)礦巖施加自重應(yīng)力，如公式(1)所示：σz=γH

(1)

式中：H——計(jì)算點(diǎn)至地表的距離，m；

γ——巖體容重，N/m3。

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：采場(chǎng)沿礦體走向垂直布置，跨度為15m，長(zhǎng)度為礦體厚度長(zhǎng)度(圖1)。由于開采過程中采場(chǎng)長(zhǎng)度是采場(chǎng)結(jié)構(gòu)中非常關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)，對(duì)采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性具有很大的影響。礦房長(zhǎng)度越大，礦房尺寸越大，礦柱的數(shù)量相對(duì)減少，可提高礦石回采率及生產(chǎn)能力；但如果礦房跨度過大，頂板巖體中出現(xiàn)的拉應(yīng)力也就越大，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到頂板巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板就有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

礦巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。為保障礦山的生產(chǎn)安全，控制安全系數(shù)為1.2，對(duì)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行一定強(qiáng)度折減，折減系數(shù)取0.8。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

模型單元密度控制為400，以此來控制網(wǎng)格單元的尺寸。通過Phase2建立的采場(chǎng)二維模型如圖2所示。

圖2 37- 5#采場(chǎng)計(jì)算二維模型圖

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述模型，對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)的力學(xué)行為進(jìn)行分析，分析發(fā)現(xiàn)由于該礦為淺部露天轉(zhuǎn)地下開采，以及露天開采的卸荷作用影響，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力特征值均控制在強(qiáng)度范圍內(nèi)，對(duì)礦山的安全影響有限。但在位移和塑性區(qū)的破壞上出現(xiàn)了較大的安全隱患。其開采過程的位移云圖如圖3所示，其最大位移值達(dá)到19.2cm。

采場(chǎng)的塑性區(qū)發(fā)展主要體現(xiàn)為拉、剪塑性破壞，在采場(chǎng)全部回采完成且未充填時(shí)，該狀況為最危險(xiǎn)條件，頂板的中心區(qū)域發(fā)生拉塑性破壞，而且在其露天坑底的位置發(fā)現(xiàn)大量的剪切破壞塑性區(qū)，目前的頂板隔離層厚度下塑性區(qū)沒有貫通，但需要加強(qiáng)變形控制和支護(hù)。同時(shí)在采場(chǎng)兩端的轉(zhuǎn)角處形成剪切塑性破壞區(qū)域，如圖4。

圖3 37- 5#采場(chǎng)位移云圖

圖4 采場(chǎng)塑性區(qū)分布圖

4 采場(chǎng)頂板安全控制措施

對(duì)于頂板存在的變形冒落和塑性區(qū)貫通風(fēng)險(xiǎn)，采用在充填巷道進(jìn)行錨桿支護(hù)，提高其穩(wěn)定性，錨桿支護(hù)計(jì)算模型見圖5。錨桿支護(hù)參數(shù)選擇端部錨固式錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2m，間距為2m，錨桿參數(shù)如表2。

圖5 錨桿支護(hù)計(jì)算模型圖

錨桿直徑mm彈性模量GPa粘結(jié)剛度MN/m2抗拉強(qiáng)度MN粘結(jié)強(qiáng)度MN/m4545043.880.312.80

支護(hù)后最大的位移云圖如圖6，最大位移為15cm，明顯小于20cm的控制值，采場(chǎng)中心的塑性區(qū)大量減少，難以形成貫通。

圖6 錨桿支護(hù)后采場(chǎng)位移圖

由圖6可知，支護(hù)后頂板位移明顯減小，小于20cm，即不會(huì)發(fā)生大規(guī)?？逅?；塑性區(qū)也未貫通，總體頂板穩(wěn)定。同時(shí)需要對(duì)采場(chǎng)邊角進(jìn)行光滑處理，減少邊界的應(yīng)力集中剪切破壞。

5 結(jié)論

(1)目前的開采結(jié)構(gòu)參數(shù)基本合理，頂板隔離層能有效保障礦山的安全生產(chǎn)，但存在位移大時(shí)產(chǎn)生冒落和塑性區(qū)貫通可能的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)采用錨桿支護(hù)，可以減少頂板的位移，提高頂板隔離層的整體作用，并消除塑性區(qū)貫通隱患。