司家營(yíng)鐵礦_采場(chǎng)露天轉(zhuǎn)地下境界頂柱合理厚度研究

1、第16卷第4期2007年4月中國(guó)礦業(yè)CHINAMININGMAGAZINEVol.16,No.4April2007司家營(yíng)鐵礦采場(chǎng)露天轉(zhuǎn)地下境界頂柱合理厚度研究3許宏亮楊天鴻朱立凱(東北大學(xué)沈陽(yáng)110004)摘要:針對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采中境界頂柱的合理厚度問(wèn)題,結(jié)合司家營(yíng)鐵礦實(shí)際情況、地質(zhì)資料和采礦資料,應(yīng)用FLAC3D軟件建立礦體的力學(xué)模型,模擬境界礦柱的受力及其塑性區(qū)分布情況,研究境界頂柱、間柱厚度以及間柱之間的間隔距離對(duì)礦柱應(yīng)力分布以及塑性區(qū)分布的影響,從而確定境界礦柱的合理厚度及其他的相關(guān)參數(shù),為該礦山露天轉(zhuǎn)地下生產(chǎn)順利進(jìn)行提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞:露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采境界頂柱數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào):TD

2、861文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-4051(2007)04-0074-03THESTUDYINGONREASONABLEOFYPILLARDURINGOOUNDMINEHongliangYangTianhongZhuLikai(NortheasternUniversityShenyang110004)Abstract:Focusingontheproblemofreasonablethicknessthattheboundarypillarsshouldbereservedduringtransferringopen-pitintoundergroundmining,andbasingo

3、ntheanalysisofthedetailedgeologicalinformation,mininginformationandtherealitysituation,themechanicalmodelingforthesijiayingIronMineisestablishedbyusingflac3dnumericalsimulationsoftware.Thestressdistributionandtheplasticityzonedistributionoftheboundarypillararesimulatedandanalyzedwiththemodel.Andhowd

4、ifferentthick2nessoftheboundarypillarsandtoppillarsandvariousdistancebetweenpillarsaffectthestressdistributionandtheplasticzonedistributionoftheboundarypillarsarestudied,sothereasonablethicknessandthedis2tanceoftheboundarypillarsorotherrelativeparametersaredetermined,alltheseprovidedscientificdirec2

5、tionforproducingwithgreatefficiencyandsafety,whenitisontimefortransferringopen-pitintounder2groundsmoothly.Keywords:Transferringopen2pitintoUndergroundminingBoundarypillarNumericalmodeling1引言柱也會(huì)影響地下開(kāi)采的安全,如果境界礦柱留的過(guò)薄,易造成境界礦柱的突然崩落,對(duì)采空區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)力沖擊,對(duì)采空區(qū)內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮,形成很大的氣浪,對(duì)井下設(shè)施及人員有很大危害,甚至可使礦井報(bào)廢。如果境界礦柱留的過(guò)厚,又會(huì)造成礦

6、產(chǎn)資源的浪費(fèi)。因此,境界礦柱厚度的確定,是一項(xiàng)非常重要和復(fù)雜的問(wèn)題2-5。2工程概況唐鋼司家營(yíng)鐵礦位于河北省灤縣城南515km,為我國(guó)鐵礦資源重要基地之一。司家營(yíng)鐵礦床屬“鞍山式”沉積變質(zhì)鐵礦床,采場(chǎng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)主要礦體為、號(hào)礦體,礦體呈層狀產(chǎn)出,走向近南北,傾向西;中段0-60m中段采用空?qǐng)龇?即淺孔留礦法和分段采礦法。目前,在北區(qū)隨著礦山露天開(kāi)采深度的不斷增加,露天方案越來(lái)越不適合礦山生產(chǎn)要求。近些年來(lái),有些金屬礦山開(kāi)始由露天生產(chǎn)向地下生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采過(guò)程及后期,都存在著露天向地下開(kāi)采的過(guò)渡階段。在此期間,露天的產(chǎn)量逐漸減少,地下的產(chǎn)量逐漸增加,直至露天結(jié)束,地下生產(chǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量。在

7、這一段時(shí)間內(nèi)(一般35年或更多),露天和地下必須同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)1。留設(shè)境界礦柱可以保證露天與地下同時(shí)開(kāi)采,使開(kāi)采礦量保持穩(wěn)定,還可以保證通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。但留設(shè)境界礦3基金項(xiàng)目:資助項(xiàng)目編號(hào)(50674025)(NCET20520290)收稿日期:2006-11-18© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期許宏亮等:司家營(yíng)鐵礦采場(chǎng)露天轉(zhuǎn)地下境界頂柱合理厚度研究75的地下開(kāi)采范圍S6N4勘探線(即采場(chǎng))之上,有深80m左右的露天采坑。進(jìn)行露天與井下聯(lián)

8、合開(kāi)采對(duì)象為-60m、-120m、-180m中段的、號(hào)礦體,可采儲(chǔ)量為磁鐵礦3006171萬(wàn)t,赤鐵礦石311139萬(wàn)t。目前,司家營(yíng)鐵礦正處于露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采時(shí)期,確定合理境界頂柱厚度是此時(shí)期中急需解決的問(wèn)題。3確定境界頂柱厚度的常見(jiàn)方法露天采場(chǎng)空區(qū)賦存的狀況決定了空區(qū)的處理方法,主要為臺(tái)階深孔崩落方案和空區(qū)充填方案,不論哪種方案都需要準(zhǔn)確確定安全頂柱厚度。目前,國(guó)內(nèi)外確定空區(qū)處理所需安全頂柱厚度的方法主要有以下幾種:K.B.魯別涅依他等人的公式;.波哥留波夫的公式;平板梁理論推導(dǎo);松散系數(shù)理論;按巖梁理論計(jì)算;經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法;工程計(jì)算法;數(shù)值模擬法3,4,6。,地反應(yīng)實(shí)際情況設(shè)條件下進(jìn)行計(jì)算的,

9、沒(méi)有考慮工程實(shí)際情況中三維空間各個(gè)影響因素之間相互關(guān)系與二維空間情況的差異,存在很大的片面性。經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法和工程計(jì)算法是在工程實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的,由于各個(gè)礦山地質(zhì)條件和生產(chǎn)需要的不同,這兩種方法得出的結(jié)果與實(shí)際情況存在很大的差異性,只能起到一定的參考作用3,4,6,7。數(shù)值模擬方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種方法。綜合考慮多方面因素,尤其是可以充分反映三維情況中諸多因素影響下巖體應(yīng)力和應(yīng)變的變化,比較真實(shí)地反映實(shí)際情況,而且其計(jì)算結(jié)果具有直觀、可視化的特點(diǎn),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法在巖石力學(xué)和其它領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文將應(yīng)用FLAC數(shù)值模擬系統(tǒng)對(duì)司家營(yíng)鐵礦的境界礦柱進(jìn)行模擬計(jì)算,為

10、該礦山露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采順利進(jìn)行提供科學(xué)依據(jù)。4數(shù)值模擬411FLAC軟件簡(jiǎn)述FLAC軟件是由美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司研制開(kāi)發(fā)的,FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua,連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)是基于顯坡、煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等,現(xiàn)在已經(jīng)逐步發(fā)展到應(yīng)用于地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的研究8。412三維計(jì)算模型通過(guò)分析司家營(yíng)鐵礦的地質(zhì)資料和采礦資料,建立的模型長(zhǎng)度為260m,寬度為350m,高度為233m,原露天坑被挖出后,充填到其2/3的高度。將模型分成17個(gè)模型塊,其中3個(gè)礦體模型塊,14個(gè)巖體模型塊,境界礦柱底部在-60m水平,

11、本模型模擬的礦房為-60m水平到-120m水平,留礦房頂柱6m,礦房底柱為15m,在所留境界礦柱中有一通風(fēng)巷道,礦體模型如圖1,2所示。礦體主要成分為赤鐵礦,巖1所圖1三維礦體模型圖2充填后三維礦體模型413境界頂柱留設(shè)方案式拉格朗日差分法開(kāi)發(fā)出來(lái)的顯式有限差分程序,它不但能處理一般的大變形問(wèn)題,而且可以在模型中加入節(jié)理、弱面等地質(zhì)構(gòu)造。在國(guó)外,FLAC軟件得到了較大的應(yīng)用,在90年代初,國(guó)內(nèi)才引進(jìn)該軟件,主要應(yīng)用于巖土力學(xué)分析,例如礦體滑為了確定出能夠保持境界頂柱穩(wěn)定的最小厚度,同時(shí)考慮減少開(kāi)拓工作量,簡(jiǎn)化工作流程,以及盡量多的采出礦石,提高生產(chǎn)效率,制定六個(gè)方案,其具體參數(shù)見(jiàn)表2所列。通過(guò)

12、六個(gè)方案模型分析,確定最優(yōu)的采礦參數(shù),為礦山安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。5計(jì)算結(jié)果及分析方案一中,模型的塑性區(qū)沒(méi)有任何破壞,境界頂柱處于絕對(duì)安全狀態(tài),方案二的情況跟方案一基本相同。方案三中,境界頂柱和礦房底柱都有局部破© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 76中國(guó)礦業(yè)采工作影響不大。第16卷壞,但是破壞區(qū)域都在5m范圍內(nèi),且沒(méi)有連通,不會(huì)引起境界頂柱或是礦房底柱的整體破壞,對(duì)回表1司家營(yíng)巖體指標(biāo)推薦表抗剪參數(shù)巖石名稱(chēng)抗拉強(qiáng)度(MPa)01001210變形參數(shù)彈

13、性模量104抗壓強(qiáng)度(MPa)01114容重泊松比01330130(kN/m3)2832內(nèi)聚力(MPa)0101510內(nèi)摩擦角(<)324013(MPa)0126174充填物考慮浸水強(qiáng)度折減磁鐵礦考慮浸水強(qiáng)度折減黑云變粒巖11542103411417013228表2六種方案參數(shù)對(duì)比表方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六境界頂柱厚度(m)241818186結(jié)論間柱距離(m)122020202428間柱厚度(m)888,對(duì)正處于露天轉(zhuǎn)地下時(shí)期的礦山來(lái)說(shuō)是非常重要的。本文應(yīng)用世界先進(jìn)的三維模擬軟件FLAC,對(duì)之前設(shè)計(jì)的6個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮了境界頂柱厚度以及間柱尺寸對(duì)境界頂柱破壞的影響

14、,經(jīng)過(guò)初步計(jì)算以及結(jié)果分析,確定方案一至方案四中的境界頂柱是基本安全的,方案五和方案六中境界頂柱存在較大的危險(xiǎn)性。在方案一至方案四的四個(gè)方案中,考慮減少開(kāi)拓工作量,簡(jiǎn)化工作流程,同時(shí)考慮盡量多的采出礦石,在境界頂柱安全的情況下,推薦方案四。最終確定,三采場(chǎng)礦坑境界頂柱留設(shè)厚度為18m,礦房頂柱6m,露天采深可以達(dá)到-42m水平,間柱8m,間柱間距為20m。本文中得到的結(jié)論,已經(jīng)應(yīng)用于司家營(yíng)鐵礦的生產(chǎn)實(shí)踐中,通過(guò)近兩年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,效果良好,并將實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)的安全高效開(kāi)采,確保整個(gè)露天開(kāi)采和井下開(kāi)采順利銜接和過(guò)渡,將節(jié)省大量的事故損失、設(shè)備維修工程等經(jīng)費(fèi)及工時(shí),為露天轉(zhuǎn)地下安全生產(chǎn)起到了明顯的保障作

15、用,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,盡管各礦山在實(shí)施這一工程時(shí)有許多共性,但不同的礦山客觀條件不同,應(yīng)根據(jù)自身的特點(diǎn),研究出一套適合自身實(shí)際情況的方案,并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化、完善。參考文獻(xiàn)1徐長(zhǎng)佑.露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采M.武漢:武漢工業(yè)出版社,1990.方案四中,在回填以前,境界頂柱和間柱都沒(méi)有塑性區(qū);回填后可以看出,間柱所受壓應(yīng)力最大,在間柱和境界頂柱的接觸區(qū)域的壓應(yīng)力集中程度高,境界頂柱和礦房底柱靠近空區(qū)方向5m范圍的巖石,出現(xiàn)少量局部拉破壞,塑性單元呈零星狀分布在間柱和頂柱結(jié)合部的角點(diǎn)處,破壞區(qū)沒(méi)有連通,因而不會(huì)發(fā)生境界頂柱整體垮落的現(xiàn)象。由破壞位置看,境界

16、頂柱上的破壞區(qū)離風(fēng)巷所在位置還有20m的距離(在模型中,風(fēng)巷在X軸方向175m18014m范圍內(nèi),而破壞區(qū)在150m左右),所以風(fēng)巷不會(huì)受其影響,周?chē)鷰r體比較完整,不會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象,滿足設(shè)計(jì)要求。在這個(gè)方案中,境界頂柱是安全的。方案五和方案六中,境界頂柱上出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力破壞區(qū),破壞區(qū)主要集中在X軸方向上150m左右,破壞區(qū)范圍較大,破壞厚度已經(jīng)達(dá)到整個(gè)境界頂柱厚度的1/2以上,境界頂柱的破壞區(qū)域雖然沒(méi)有連通,也沒(méi)有延伸到風(fēng)巷,不會(huì)引發(fā)漏風(fēng),但這已經(jīng)使境界頂柱處于危險(xiǎn)中。礦房底柱上的破壞區(qū)域就比較小了,主要集中在底柱X方向170m左右,沒(méi)有連通,因而這部分破壞區(qū)對(duì)礦房回采工作沒(méi)有多大影響。2施

17、建俊,孟海利,高克林.境界頂柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究(下轉(zhuǎn)第80頁(yè))© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 80中國(guó)礦業(yè)6結(jié)語(yǔ)第16卷一致,因而也驗(yàn)證了底板變形大的現(xiàn)象。(2)工況2:即增設(shè)底角錨桿后,底板圍巖的塑性區(qū)域大大縮小,塑性狀態(tài)比較簡(jiǎn)單,尤其底板的受剪狀態(tài)得到了明顯的改善,幾乎不存在活動(dòng)塑性區(qū)域,巷道變形逐漸趨于穩(wěn)定。此外,由于底角錨桿的加設(shè),使得底板部位的整體強(qiáng)度得到了大幅度提高,從而使幫部及頂板的支護(hù)系統(tǒng)受力分布比較均衡,通過(guò)兩幫位移量的減少也

18、說(shuō)明了底角錨桿的加設(shè),不僅有效控制了底板位移,對(duì)于改善幫部圍巖的受力及控制幫部位移,也有一定的作用。413設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化通過(guò)對(duì)孔莊礦2785m軌道大巷底臌主控因素的分析和機(jī)理的研究,得出巷道底臌的類(lèi)型主要為塑性擠出型、遇水膨脹型及應(yīng)力型底臌,針對(duì)以上類(lèi)型提出了以底角錨桿支護(hù)控制底臌的關(guān)鍵技術(shù),并輔以必要的防治措施,同時(shí)應(yīng)用三維數(shù)值分析軟件,模擬了不同工況下支護(hù)體對(duì)底臌控制的影響,最終提出最優(yōu)的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。從工程應(yīng)用效果看,有效控制了深部軟巖巷道在復(fù)雜條件下嚴(yán)重的底臌現(xiàn)象,今后可以加大底角錨桿控制底臌技術(shù)的理論與試驗(yàn)研究,使得該技術(shù)在深部巷道工程中推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1康紅普M.北京:煤炭工,-,

19、.:科學(xué)出版社,2004:145-163.3WangC,WangY,LuS.Deformationalbehaviourofroad2wayrocksinundergroundcoalminesandprinciplesforstabil2itycontrolJ.Int.J.RockMech.andMin.Sci.,2000,37(6):937-946.根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果,對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)非對(duì)稱(chēng)變形,支護(hù)采取非對(duì)稱(chēng)布置,在右肩窩關(guān)鍵部位增設(shè)一排錨索,同時(shí)底臌劇烈部位布置雙排底角錨桿,另一側(cè)布置單排底角錨桿,有效控制巷道變形。5工程應(yīng)用效果,根據(jù)4,巷道變形得到了有效控制,底板最大變形量約71mm,底板變形監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖5。4StankusJC,PengSS.FloorboltingforcontrolofminefloorheaveJ.MiningEngineering,1994,46(9):1099-1102.5何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程