貴州云峰鋁土礦礦柱承載穩(wěn)定性分析及其布置參數(shù)優(yōu)化

鄭彥濤,周虎生,劉德峰,杜文華,高玉寶

(1.貴州息烽磷礦有限責任公司,貴州 貴陽 550001;2.武漢工程大學 資源與安全工程學院,湖北 武漢 430073;3.青龍滿族自治縣天興礦業(yè)有限公司,河北 秦皇島 066500;4.貴州云峰礦業(yè)公司,貴州 貴陽 550001)

鋁土礦地質(zhì)賦存條件復(fù)雜,我國大多數(shù)鋁土礦為沉積型礦床,礦體強度較好,但頂、底板巖性較差,且礦層多為緩傾斜、傾斜礦層,礦層變化大;隨著淺部鋁土資源開采的日益減少,鋁土礦逐步轉(zhuǎn)入地下深部,但諸多地質(zhì)條件因素致使鋁土礦地下開采難度增加,資源回采率偏低、技術(shù)成本高,極大制約了地下礦產(chǎn)資源的安全高效開采。

近年來,在地下礦山開采工程中,開采布置參數(shù)優(yōu)化研究的重要性日益凸顯,許多研究人員針對地下礦山采場穩(wěn)定性及其開采布置參數(shù)優(yōu)化進行了分析和研究,取得了一些有意義的研究成果。王偉[1]利用RMR分級法和Q系統(tǒng)分級法對各類型巖體進行評價分級,對采空區(qū)形成過程及其穩(wěn)定性進行模擬計算和預(yù)測分析。張衛(wèi)中,王維慶[2]等采用層次分析法建立了以采礦方法選擇所涉及因素為指標體系的層次結(jié)構(gòu)分析模型,確定房柱法是最優(yōu)的采礦方法。王永增、王心泉[3]等通過CDEM數(shù)值計算方法對采空區(qū)穩(wěn)定性及臨界頂板厚度進行分析。曹英莉[4]基于CRITIC賦權(quán)法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)選模擬研究。賈敬锎,甄利兵[5]等對深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行綜合研究,提出了一種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的方法。采場礦柱則是采場結(jié)構(gòu)參數(shù)中的主要考慮因素,合理的礦柱參數(shù)可提高礦山效益,降低采場安全風險。馬春德、徐家慶[6]等采用有限元軟件ANSYS與有限差分軟件FLAC3D優(yōu)選出深部采場最優(yōu)跨度。李勝輝、王立杰[7]等針對某鐵礦復(fù)雜破碎地質(zhì)條件,開展了采場穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究。賀鋒堅,余超[8]等采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對開采方案進行數(shù)值模擬,根據(jù)計算結(jié)果選出采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)方案。張圓堂,朱建軍[9]等利用FLAC3D軟件模擬采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不留護頂?shù)V層和護頂?shù)那闆r,得出有必要預(yù)留護頂?shù)V層的結(jié)論。然而,關(guān)于鋁土礦礦柱穩(wěn)定性及其參數(shù)優(yōu)化研究鮮見報道。

以貴州云峰鋁土礦的房柱式開采為工程背景,通過理論計算對礦柱承載穩(wěn)定性及其布置參數(shù)進行分析,揭示關(guān)鍵因素對礦柱臨界安全尺寸的影響規(guī)律,確定實現(xiàn)礦柱承載穩(wěn)定條件下礦柱的最優(yōu)布置參數(shù),最后通過數(shù)值模擬和工程實踐,驗證提出的礦柱布置參數(shù)方案的可行性和合理性。

1 工程概況

貴州云峰鋁土礦位于貴州省清鎮(zhèn)市境內(nèi),開采鋁土礦為緩傾斜薄-中厚礦體,礦體形態(tài)呈層狀、類層狀,分布較為連續(xù),平均厚度4.12 m,向西傾斜,傾角12°～28°,平均20°;開拓工程采用脈內(nèi)布置,選用主平巷+斜坡道+軌道運輸?shù)拈_拓運輸方案;根據(jù)礦層特征,采用房柱法采礦,采用淺孔鑿巖爆破崩落礦石,采場內(nèi)留設(shè)礦柱支撐頂板。

圖1 采掘礦房布置平面示意圖

圖2 采掘礦房截面布置示意圖

該礦井下將礦體劃分為各個中段,中段垂高20～30 m,每中段沿礦體走向劃分多個礦房。礦房沿礦體走向布置,走向長80m,斜長50～70 m,礦房之間留連續(xù)的隔離間柱,目前開采范圍為二采區(qū),標高為+1050 m～+930 m。在鋁土礦房柱式開采過程中,礦柱承載穩(wěn)定性對確保地下礦安全高效開采尤為重要,若礦柱留設(shè)尺寸過小,則不利于地下采場承載安全穩(wěn)定;礦柱留設(shè)尺寸過大,則會降低采出率,經(jīng)濟效益欠佳,所以合理的礦柱布置參數(shù)是實現(xiàn)該礦山安全高效開采的關(guān)鍵。

2 房柱式開采礦柱穩(wěn)定理論分析

2.1 礦柱臨界安全尺寸方程

為合理優(yōu)化設(shè)計房柱式開采條件礦柱布置參數(shù),從地下金屬礦房柱式開采的空間布置特征分析,當以單個礦房空間為研究對象時,礦房空間由四個礦柱承載其頂板地應(yīng)力荷載,當以單個礦柱為研究對象時,每個礦柱承載周圍四個礦房的一部分地應(yīng)力荷載;根據(jù)力平衡原理,設(shè)礦柱布置間排距為D,礦柱自身截面尺寸為d,對單個礦柱的承載壓應(yīng)力進行分析得:

(1)

式中:Pkz——礦柱承載應(yīng)力,MPa;

P——礦柱頂板原巖應(yīng)力,MPa;

D——礦柱布置間排距,m;

d——礦柱自身截面尺寸,m。

采用應(yīng)用較為廣泛的Bieniawski礦柱強度公式[10]估算礦柱承載強度,即:

(2)

式中:PF——礦柱承載強度,MPa;

σc——礦巖強度參數(shù),MPa;

h——礦柱高度,m;

k——形狀效應(yīng)經(jīng)驗常數(shù);

η——形狀效應(yīng)經(jīng)驗指數(shù)。

進而得房柱式開采條件下礦柱承載穩(wěn)定性的安全條件為:

Pkz≤PF

(3)

將式(1～2)代入得:

(4)

根據(jù)文獻[9]可知,當?shù)V柱的寬高比大于5時,η=1.4,當?shù)V柱的寬高比小于5時,η=1.0,故本此力學解析取η=1.0,上式進一步整理得:

(5)

解得房柱式開采條件礦柱臨界安全尺寸條件方程為:

(6)

其中:

至此,由式(6)可估算房柱式開采條件礦柱臨界安全尺寸。

2.2 礦柱承載穩(wěn)定性影響規(guī)律分析

以貴州云峰鋁土礦試驗礦房11號礦房為工程研究對象進行算例分析,初始假設(shè)條件如下:礦體開采的礦房高度h=5 m,所處埋深的垂直應(yīng)力P=5 MPa,礦柱的單軸抗壓強度σc=35 MPa,礦房內(nèi)礦柱間跨度D=15 m,k=0.7;以上參數(shù)代入式(6)進行計算分析,計算結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 原巖應(yīng)力對礦柱臨界安全尺寸影響

圖4 礦體開采高度對礦柱臨界安全尺寸影響

圖5 礦柱間跨度礦柱臨界安全尺寸影響

圖6 礦柱抗壓強度對礦柱臨界安全尺寸影響

見圖3,礦體所處原巖應(yīng)力每增加2 MPa(大約埋深增加80 m),礦柱的臨界安全尺寸增大1 m,地下礦體的埋藏深度越大,其承載的原巖應(yīng)力越大,相應(yīng)地礦柱的臨界安全尺寸就越大。見圖4,開采高度每增加1 m,礦柱的臨界安全尺寸增加0.1～0.4 m,根據(jù)巖石的尺寸效應(yīng)分析認為,高寬尺寸比增加,礦柱的礦壓穩(wěn)定性降低,相應(yīng)地地下礦體的開采高度越大,就越不利于其自身承載穩(wěn)定,礦柱的臨界安全尺寸有一定程度增加。

在礦體房柱式開采過程中,礦房內(nèi)礦柱間跨度越大,礦柱的承載負擔壓力就越大,致使礦柱的安全臨界尺寸明顯增加,見圖5,礦房內(nèi)礦柱間跨度每增加2 m,礦柱的臨界安全尺寸增加0.6～0.7 m;此外,礦房內(nèi)礦柱間的跨度越大,礦房的采出率有明顯提高,但柱間的跨度過大則不利于礦柱的承載穩(wěn)定。見圖6,礦房內(nèi)礦柱抗壓強度每增加10 MPa,礦柱的臨界安全尺寸減小0.5～1.0 m,礦柱自身的抗壓強度越大,承載能力越大,相應(yīng)地礦柱的臨界安全尺寸可以明顯減小,有助于提高礦房的采出率。

綜述分析,礦體原巖應(yīng)力等因素無法實現(xiàn)有效的人工改造和優(yōu)化,但可以結(jié)合礦柱自身的抗壓承載條件,通過優(yōu)化設(shè)計礦柱高度及其柱間跨度,實現(xiàn)礦房的安全高效開采。

3 貴州云峰鋁土礦礦柱布置參數(shù)優(yōu)化

3.1 礦柱參數(shù)優(yōu)化計算

根據(jù)貴州云峰鋁土礦試驗礦房11號礦房的工程現(xiàn)場條件,礦體所處埋深的垂直應(yīng)力P=6 MPa,礦房開采高度h=5 m,礦柱的單軸抗壓強度σc=76.4 MPa,根據(jù)經(jīng)驗取形狀效應(yīng)經(jīng)驗常數(shù)k=0.64,擬設(shè)計跨度D=12 m,以上參數(shù)代入式(2)和式(6)進行計算得出:

礦柱臨界安全尺寸:

礦柱承載強度:

取礦柱截面尺寸為長4 m×寬4 m,代入式(1)和式(2)進行計算得出:

礦柱承載應(yīng)力:

礦柱承載強度:

礦柱承載穩(wěn)定性安全系數(shù):

綜上可知,當?shù)V柱臨界安全尺寸為3.55 m時,礦柱承壓能力達68.5 MPa。結(jié)合工程現(xiàn)場條件及其施工安全考慮,確定房柱式開采條件下礦柱臨界安全尺寸為4.0 m,該尺寸礦柱的理論承載應(yīng)力為54 MPa、臨界承壓強度為71 MPa、承載穩(wěn)定性安全系數(shù)Kkz為1.31。因此,從理論角度來看,該鋁土礦的礦柱參數(shù)為長4 m×寬4 m×高5 m,礦柱間距12 m。

3.2 試驗礦房數(shù)值模擬分析

為了證實理論計算的礦柱參數(shù)的合理性,采用數(shù)值模擬軟件,對貴州云峰鋁土礦試驗礦房11號礦房開采條件的礦柱承載及塑性區(qū)情況進行分析。根據(jù)該礦地質(zhì)資料建立FLAC3D數(shù)值計算模型,見圖7和圖8,其中11號礦房模型尺寸為長240 m×寬160 m×高160 m,礦體所處埋深200 m,原巖應(yīng)力6 MPa(平均巖重2500 kg/m3),礦房開采高度h=5 m,礦柱尺寸長4 m×寬4 m×高5 m,礦柱間距12 m,邊界礦柱長30 m×寬4 m×高5 m,采取從礦房兩邊逐次向中央開挖的開采方式,數(shù)值模擬巖層參數(shù)見表1,模擬結(jié)果見圖5。

表1 模擬巖層介質(zhì)力學參數(shù)表

圖7 數(shù)值計算模型

圖8 房柱式開采布置

在鋁土礦體房柱式開采過程中,采取從礦房兩邊逐次向中央開挖的開采方式,1區(qū)段回采完成后(每區(qū)段分為3段次進行回采),當2區(qū)段1/3完成回采時,見圖9a,礦柱承載應(yīng)力峰值近30 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當2區(qū)段2/3完成回采時,見圖9b,礦柱承載應(yīng)力峰值近31 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當2區(qū)段完成回采時,見圖9c,礦柱承載應(yīng)力峰值近32.5 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當3區(qū)段完成回采時,見圖9d,礦柱的承載應(yīng)力峰值近39.5 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當4區(qū)段完成段回采時, 見圖9e,礦柱承載應(yīng)力峰值近45.5 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當5區(qū)段完成回采時,見圖9f,礦柱承載應(yīng)力峰值近48 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;從房柱式開采過程中礦柱承載應(yīng)力分布模擬結(jié)果來看,邊界礦柱承載應(yīng)力狀態(tài)無明顯變化,礦房內(nèi)礦柱承載應(yīng)力狀態(tài)從30 MPa增加至48 MPa,盡管礦柱承載應(yīng)力狀態(tài)顯著,但尚未超過理論估算的54 MPa的承載極限。

圖9 房柱式開采過程中礦柱承載應(yīng)力分布(俯視圖)

見圖10,礦柱(長4 m×寬4 m×高5 m)無明顯破壞現(xiàn)象,僅頂板下邊界淺部顯現(xiàn)不同程度的局部拉伸破壞,這說明留設(shè)的礦柱尺寸合理,僅需要在現(xiàn)場采取一定的錨桿索主動支護,就能實現(xiàn)礦房的安全開采。

圖10 房柱式開采過程中礦柱及其承載頂板破壞分布(仰視圖)

4 工程實踐分析

4.1 礦柱承載應(yīng)力分析

為了進一步驗證理論計算確定的礦柱參數(shù)的合理性與可行性,通過現(xiàn)場礦房頂板及其礦柱的承載應(yīng)力進行實時監(jiān)測。見圖11、圖12和圖13,礦房開采期間礦柱承載應(yīng)力均未發(fā)生較明顯異常現(xiàn)象,這表明試驗采場礦柱在礦房開采過程中是處于穩(wěn)定狀態(tài)的,其布置參數(shù)是合理和可行的。

圖11 現(xiàn)場試驗礦房礦柱承載應(yīng)力變化規(guī)律

圖12 井下礦柱現(xiàn)場效果圖

圖13 井下采場頂板檢撬

4.2 經(jīng)濟效益分析

將提出的礦柱參數(shù)優(yōu)化方案與現(xiàn)場實際方案礦柱參數(shù)長5 m×寬5 m,跨度D=10 m對比分析,見表2。

由表2可知,優(yōu)化方案與現(xiàn)場實際方案均能實現(xiàn)礦房開采過程中安全的,但由于實際方案中的礦柱截面尺寸更大,導(dǎo)致礦房回采率低,經(jīng)濟效益差。

表2 設(shè)計方案同實際方案理論計算參數(shù)對比

根據(jù)現(xiàn)場采礦量統(tǒng)計顯示,采取優(yōu)化方案后,礦房采出礦量1.79萬噸,累計出礦1.79萬噸,其中副產(chǎn)礦石量為0.32萬噸,主要回采時間共計26天,累計回采出礦石量1.37萬噸,回采率76.8%。與原方案礦房平均回采率69.5%相比,礦柱參數(shù)優(yōu)化方案的礦房回采率提高了11%,顯著的提升了礦山的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

(1)地下礦體承載的原巖應(yīng)力越大,則礦柱臨界安全尺寸變大;地下礦開采高度越大,越不利于其自身承載穩(wěn)定,則礦柱臨界安全尺寸隨之增加;礦柱間跨度越大,則礦柱承載壓力變大,致使礦柱的安全臨界尺寸顯著增加;礦柱抗壓強度越大,相應(yīng)地承載能力變大,則礦柱臨界安全尺寸減小。

(2)基于Bieniawski 礦柱強度理論,確定了礦柱的最優(yōu)布置參數(shù)為長4 m×寬4 m×高5 m,礦柱間距12 m,并從理論角度闡明該礦柱布置參數(shù)的安全可靠性。

(3)通過數(shù)值模擬和工程實踐,證實了提出的最優(yōu)礦柱布置參數(shù)是安全與合理的,能夠有效的實現(xiàn)礦柱的承載穩(wěn)定和礦房的高效開采,可為同類型礦山的安全高效回采提供理論參考。