某銅礦露天轉(zhuǎn)地下隔離礦柱的確定研究

盧 萍，張金梁，楊 澤，程 涌，董 娟

(1.昆明冶金高等專科學校 冶金與礦業(yè)學院，昆明 650033)

(2.昆明有色冶金設計研究院股份公司礦山工程設計院，昆明 650231)

上部礦體采用露天開采后下部礦體采用地下開采的方法稱為露天轉(zhuǎn)地下開采[1]。露天采場往往會形成一定高度的邊坡，會影響到下一步的地下開采，給露天轉(zhuǎn)地下開采帶來一定的技術(shù)要求和一系列安全問題[2-4]。露天開采境界內(nèi)地下采空區(qū)頂板上方是否穩(wěn)定對露天邊坡穩(wěn)定起到重要決定作用[5]。通過留設合理的隔離礦柱(境界頂柱)可以保證采空區(qū)頂板上方穩(wěn)定，從而保證露天轉(zhuǎn)地下開采的安全正常運行。但隔離礦柱的留設不合理也會給地下開采帶來安全隱患[2]，它隨礦巖穩(wěn)定程度、礦體形態(tài)變化和礦體開采條件等不同而不同[6]，隔離礦柱過薄易造成隔離礦柱突然間崩落產(chǎn)生邊坡的垮塌，過厚會造成經(jīng)濟損失。

目前針對隔離礦柱留設厚度的確定，研究人員開展了大量工作[7-12]，主要采用數(shù)值模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡分析、平面問題力學模型、板或梁結(jié)構(gòu)理論和物理仿真等方法，每種方法都有優(yōu)劣，但大多得到的結(jié)果缺少不同理論和方法間的相互對比。本文采用K.B.魯別涅伊特理論和固定梁理論、平衡拱(普氏拱)理論進行理論計算后，結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬驗算，最終確定隔離礦柱的厚度及對露天采場邊坡的穩(wěn)定性進行分析。

1 礦體地層及巖性特征

某銅礦出露的地層主要為河口組中部火山-沉積巖段，也是該礦區(qū)的主要含礦層位。共三層，總厚度545 m。1)Pt1h41：為厚層塊狀石英鈉長巖，以塊狀構(gòu)造為主，局部夾少量云母石英片巖，條紋狀構(gòu)造，本層厚10～75 m。2)Pt1h42：為灰白色厚層塊狀石英鈉長巖，上部為層紋狀黑云石英片巖、石英鈉長巖，夾少量白云石英片巖。本層在各礦區(qū)均可見到，厚度25～75 m。3)Pt1h43：巖性復雜，從下而上主要有塊狀石英鈉長巖、角礫狀石英鈉長巖、石榴黑云母片巖、二云石英片巖、黑云母石英片巖和不規(guī)則狀脈狀的鈉長斑巖等。本層在礦區(qū)厚度大于200 m，走向東西，傾角20°～30°，傾向為南向。

2 礦體圍巖穩(wěn)固性評價

礦體的上下盤圍巖和夾石是由石英鈉長巖組成，上下盤巖性基本相同。巖體以整體塊狀、層狀結(jié)構(gòu)類型為主，巖石較致密堅硬，礦體及圍巖抗壓強度多在50～90 MPa。從地下開采揭露圍巖的情況看，巖體節(jié)理裂隙閉合性強，風化程度很低，RQD值很高，達到70%左右，巖體完整性較好。巖石普氏堅硬系數(shù)平均f=6.5，巖石強度較高，屬于較硬—堅硬的巖石，該礦體及圍巖屬于中等穩(wěn)固以上巖體。

巖體的物理力學參數(shù)是進行數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵因素之一，其準確性決定了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。根據(jù)該礦山采礦工程巖石力學試驗報告提供的巖石力學參數(shù)，經(jīng)Hoek-Brown 準則折減和相關(guān)的試算后得到物理力學參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體物理力學參數(shù)取值表

3 隔離礦柱厚度理論確定

3.1 固定梁理論

露天轉(zhuǎn)地下隔離礦柱簡化平面問題力學模型[1]：“在均勻荷載條件下，兩端固定的平板梁”，考慮兩個條件：1)上覆載荷均布分布；2)礦柱自重作用以抗彎失穩(wěn)為準則，計算公式為：

T=KγS2/2σt

(1)

式中：T—隔離礦柱厚度，m；K—安全系數(shù)，K=4～8；S—礦柱跨度，m；σt—抗拉強度，MPa；γ—巖石容重，t/m3。

3.2 平衡拱(普氏拱)理論

巖石發(fā)生變形與位移形成壓力拱，巖層的隔離礦柱厚度的平衡拱理論[7]，計算公式為：

T=[S/2+h×tan(450-φ/2)]/f

(2)

式中：T—隔離礦柱厚度，m；S—礦柱跨度，m；h—空場最大高度，30 m；φ—巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；f—巖石堅固系數(shù)。

自然壓力拱形成需要上方有足夠厚度和一定穩(wěn)定的巖體，以承受巖體自重和上覆荷載，故最后得到的隔離礦柱厚度還需修正，即加上一定的穩(wěn)定巖層，通常情況取2～6倍T值，結(jié)合現(xiàn)場、經(jīng)驗分析和巖體的強度，計算最后隔離安全礦柱取值為3T[13]。

3.3 K.B.魯別涅伊特理論

K.B.魯別涅伊特在普氏理論基礎上考慮了采空區(qū)跨度、巖體結(jié)構(gòu)、強度等關(guān)系提出計算隔離礦柱厚度公式[14]：

(3)

3.4 理論結(jié)算結(jié)果

依據(jù)式(1)、(2)、(3)對參數(shù)選取要求，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)巖石力學試驗，巖石力學參數(shù)取值為：單軸抗壓強度75 MPa，抗拉強度4.89 MPa，普氏系數(shù)7(巖石性質(zhì)較好)，內(nèi)聚力20 MPa，內(nèi)摩擦角42.7°。巖石容重2.8 t/m3，安全系數(shù)K=1.3(按照重大巖石工程穩(wěn)定性的設計要求，安全系數(shù)要求在1.2～1.4)。礦山采用分段空場嗣后充填法進行開采，采場跨度31 m，露天采場最重設備是電鏟，最大載重220 t，設備長6 m，寬1 m，荷載分項系數(shù)取1.4，設備對隔層的壓力為256.6 kPa。得到隔離礦柱的厚度如表2所示。

表2 隔離礦柱厚度表

計算結(jié)果表明，采場暴露跨度31 m，隔離礦柱理論厚度至少不低于19 m才能滿足安全生產(chǎn)需求。

4 隔離礦柱厚度FLAC3D模擬確定

4.1 計算模型的建立

采用分段空場法嗣后尾砂充填采礦，采場跨度為31 m，采場走向長度60 m，采場留10 m間柱，為了使數(shù)值模擬結(jié)果更貼近實際，將理論計算作為參考之一，隔離礦柱設置應在18.8 m以上，同時結(jié)合附近相鄰礦山隔離礦柱取值經(jīng)驗，故取隔離礦柱厚度20 m的方案進行數(shù)值計算驗證。

為了保證采場結(jié)構(gòu)尺寸真實反映在FLAC3D計算模型當中，建立的模型盡可能地逼近地層實際模型尺寸[2]，所形成的網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D三維模擬計算模型Fig.1 Three-dimensional finite-difference calculation model by FLAC3D

4.2 隔離礦柱塑性區(qū)分布特征

地采礦體逐段向上回采至隔離礦柱位置時，從模擬結(jié)果塑性區(qū)分布圖2、圖3可以得出：

圖2 露天坑底20 m厚隔離礦柱的塑性區(qū)分布斷面圖Fig.2 Section of plastic area distribution of 20 m isolated pillar at the bottom of open pit

圖3 露天坑底20 m厚隔離礦柱的塑性區(qū)分布總圖Fig.3 General plastic area distribution of 20 m isolated pillar at the bottom of open pit

1)隔離礦柱為20 m情況下，上部邊坡未出現(xiàn)塑性區(qū)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，塑性擾動區(qū)只出現(xiàn)在隔離礦柱的中部，隔離礦柱有一半?yún)^(qū)域分布著塑性擾動，為局部分布，隔離礦柱兩端未出現(xiàn)塑性區(qū)(圖2)，無失穩(wěn)垮塌開裂跡象，地下開挖對頂板影響較小，其穩(wěn)定性基本定性為極限平衡偏上狀態(tài)。

2)分段開采并未在上部覆蓋巖層產(chǎn)生貫通地表的塑性區(qū)，上覆巖層主要靠礦房間柱和露轉(zhuǎn)地隔離礦柱支撐。

3)對于露天坑底，生產(chǎn)過程中要持續(xù)加以監(jiān)測頂?shù)装遄冃吻闆r。隔離礦柱留設20 m滿足礦山安全生產(chǎn)要求。待深部礦體回采到隔離礦柱位置時，20 m厚的隔離礦柱可一次性爆破回采，因為深部礦體采動影響范圍內(nèi)并無重要的建筑物和構(gòu)筑物，地表允許崩落塌陷。

4.3 隔離礦柱拉應力狀態(tài)分布特征

通常情況隔離礦柱最大拉應力容易出現(xiàn)在頂柱的中央，并且?guī)r石抗拉強度只有抗壓強度的1/10～1/25。因此，隔離礦柱中央的拉應力是決定采空區(qū)穩(wěn)定性的最主要因素。隨著開挖的進行，隔離礦柱中央的拉應力逐漸增大，從圖4可以看出，20 m厚隔離礦柱未出現(xiàn)拉應力，隔離礦柱不會發(fā)生拉伸破壞。故留設隔離礦柱20 m厚，能夠滿足安全生產(chǎn)。

圖4 露天坑底20 m厚隔離礦柱受最大拉應力云圖Fig.4 The cloud chart of the maximum tensile stress on 20 m isolated pillar at the bottom of open pit

5 結(jié)論與建議

1)采用了典型的三種理論計算方法：固定梁理論、普氏拱理論和K.B.魯別涅伊特理論。計算結(jié)果表明：隔離礦柱理論厚度至少不低于19 m，才能保證礦柱自身和露天邊坡的穩(wěn)定性。

2)在理論計算基礎上，選取露天轉(zhuǎn)地下隔離礦柱厚度留設為20 m，通過數(shù)值模擬驗算分析，此時隔離礦柱穩(wěn)定性處于極限平衡偏上狀態(tài)。分段空場法留設礦柱及嗣后尾砂充填，地下開采產(chǎn)生的塑性區(qū)只局限于隔離礦柱和部分坑底坡腳，而沒有出現(xiàn)在地表和上下盤圍巖，所以采用分段空場法留設礦柱嗣后充填，預留20 m隔離礦柱，地表和上下盤圍巖是穩(wěn)定的。

3)對于露天坑底和露天邊坡，生產(chǎn)過程中要持續(xù)加以監(jiān)測，如果安全監(jiān)測和控制及時做到位，20 m隔離礦柱能夠滿足安全生產(chǎn)要求，保證露天邊坡安全穩(wěn)定和后期回采順利進行。

4)生產(chǎn)中采用了20 m隔離礦柱，截至目前未發(fā)生任何礦柱失穩(wěn)垮塌開裂、大面積塌方和露天邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，充分表明20 m隔離礦柱顯示出很大的維護地壓支撐作用，確保了露天向地下開采平穩(wěn)過渡時期井下生產(chǎn)作業(yè)的安全。