露天转地下开采境界矿柱参数优化研究

2014-03-23史秀志陈小康

采矿技术 2014年6期

胡哲，罗佳，史秀志，陈小康

(1.大冶有色金属公司，湖北大冶市 435005；2.中南大学，湖南长沙 410083；3.中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

0 引言

露天矿山随着开采深度的增加，开采难度越来越大，需要适时转为地下开采。露天矿山转为地下开采的过渡时期，矿山的产量会受到影响，为了确保产量，一般要求露天和地下同时开采[1]。根据国内的一般经验[2￣4]，在露天坑底留设一定厚度的境界矿柱，作为地下开采的安全顶柱，将露天开采和地下开采分隔开。然而，单独留境界矿柱时，留设的矿柱厚度大，矿石损失量大，并且随着地下开采的进行，境界矿柱的强度降低，矿柱下采场充填接顶情况不理想，对境界矿柱的支撑作用有限，单一的境界矿柱方案后期安全性得不到保证。鉴于此，本文提出了露天转地下开采，留设境界矿柱和采场连续矿柱的方案，采场顶板的暴露面积减小，回采安全性提高，相应的减小了境界矿柱的厚度，矿石损失量减小。

国内外有关境界矿柱安全厚度的研究方法有很多[5￣7]，主要有：B.и.波哥留波夫的公式；K.B.鲁别涅依他等人的公式；平板梁理论推导；松散系数理论；工程计算法；经验类比法等。这些方法将境界矿柱研究当做二维平面问题进行分析，与实际境界矿柱属于三维实体不符，具有一定的弊端。本文运用三维数值模拟方法，采用Flac3D数值分析软件，对某矿境界矿柱和采场连续矿柱的尺寸进行了优化研究，对指导矿山生产具有积极意义。

1 工程概况

该矿床属于接触交代矽卡岩-高中温热液矿床，矿石平均品位高。矿石以矽卡岩为主，普氏硬度系数为7～9，矿石密度3.6×103kg/m3。该矿体赋存于矿山10～16线之间，沿走向长度约110 m，倾角60°～80°，矿体厚度5～30 m，矿体延深-187～-425 m，大部分赋存于-275 m以上，矿体埋藏较深，现露天坑开采已到-197 m标高位置，露天开采难度加大。矿体上盘有一条破碎带，透水性较强，断层最宽处宽达7 m，断层内充填物不明，周围可能存在断层破碎带，且可能与南坑水体有直接水力联系，因此，应加强超前探水工作，确保回采安全。

基于该矿体开采现状，为保证下部矿体的顺利开采，需在露天坑底留安全境界矿柱，转为地下开采。考虑到矿岩及围岩都不是很稳固，在境界矿柱的基础上预留采场条形矿柱(如图1所示)，减小境界矿柱厚度，实现安全回采、减小矿量损失的目的。

图1 境界顶柱、矿柱示意

2 建立分析模型与模拟方案

2.1 模型建立

根据矿山实际情况，考虑到尽可能减小边界条件对结果的影响，本模型拟对-245～-185 m之间矿体围岩进行研究，模型高度为60 m，长度方向取200 m，宽度方向取150 m。

本文采用ANSYS建立模型，然后借助ANSYS-TO-FLAC3D转化软件将图形单位、节点和组信息导入FLAC3D,如图2所示。

图2 FLAC3D模型

模型涉及到的矿体、围岩、充填体等材料均属于弹塑性材料，适应于摩尔-库伦破坏准则。表1所示为本次模拟材料的物理力学参数。用FLAC3D程序模拟境界矿柱和条形矿柱的稳定性，通过受力和变形分析，得出境界矿柱和条形矿柱的最优厚度。

2.2 模拟方案

为确定合理的境界矿柱和条形矿柱的搭配参数，采用FLAC3D数值分析软件得出矿柱的应力和位移的分布特征，分析计算结果判断顶板的稳定性，综合考虑矿石损失最小，最终确定最合理的境界矿柱搭配参数。在保证矿山正常安全生产的基础上，为矿山尽可能的回收矿石和确保产量提供理论依据。

以矿山实际情况为依据，本研究共设计了9组矿柱方案，境界矿柱参数方案见表2。

3 模拟结果分析

3.1 分析原则

(1) 安全系数比较。在FLAC3D中安全系数起源于边坡工程的稳定性研究，是指岩体的实际抗剪强度与临界破坏时(折减后)的剪切强度的比值[8]。安全系数越大，岩体稳定性状态越好，理论上认为，安全系数为1时岩体达到临界破坏状态，但若考虑环境因素的影响，根据经验，服务年限为10 a以上时,安全系数取1.1～1.2;服务年限达20 a时,取1.2～1.5;服务年限在20 a以上时大于1.5[9]。

(2) 位移与应力分析。以境界矿柱和采场条形矿柱的位移与变形作为一项衡量指标。顶板的位移变形量是判断是否破坏的直接因素，顶板的位移量小，境界矿柱安全性高，通过对重点位置的位移进行监测，如果出现突变，说明研究对象发生了严重的失稳现象。根据应力等值线发现最大、最小应力值，并且可以找出最先破坏的位置和破坏发生的大致范围。岩体的破坏形式，主要有拉伸破坏和剪切破坏。监测关键位置的拉应力，将监测结果与材料抗拉强度对比，便可确认材料是否发生拉伸破坏。

表1 岩体力学参数

表2 境界矿柱参数方案

3.2 结果分析

考虑到文章的篇幅,现仅对方案IV的模拟情况进行分析(如图3～5所示)。该方案境界矿柱的安全系数为1.67，大于1，矿柱处于安全稳定状态。从图3可以看出，顶板最大垂直位移出现在矿柱两侧的采场中间，最大位移值为11.96 mm，顶板最大位移较小，不会发生较大的破坏冒落情况。图4显示最大压应力出现在条形矿柱与顶板的交接处，说明中间条形矿柱对于承受顶板压力的重要作用，最大主应力为14.5 MPa，小于矿岩的最大抗压强度。从图5可以看出，最大拉应力主要发生在采场的顶、底板，最大拉应力值为0.95 MPa，小于矿岩的最大抗拉强度。综上所述，方案IV境界矿柱是稳定的，不会发生坍塌破坏。

图3 方案IV垂直方向位移等值线图

图4 方案IV最小主应力等值线图

图5 方案IV最大主应力等值线图

(1) 安全系数分析。从表3可以看出，每个方案的安全系数都大于1，但方案VI、VII、VIII、IX的安全系数偏小，考虑到矿山服务年限和安全系数的浮动，弃用这4个方案，其余5个方案的安全系数都较大，可满足安全和服务年限的要求。在相同的条形矿柱宽度情况下，随着境界顶板的厚度增加，顶板的安全系数增大；相同的境界矿柱厚度下，条形矿柱的宽度越大顶板安全系数越高。

(2) 位移与应力分析。最大垂直位移随着境界矿柱厚度和条形矿柱宽度的减小而增加，各方案的垂直位移由大到小的排列顺序为IX、VIII、VII、VI、III、V、IV、II、I，其中方案IX、VIII、VII、VI的最大垂直位移超过了境界矿柱的最大允许位移量。各方案的最大抗拉应力和最大抗压应力均随着境界矿柱和条形矿柱的减小而增大，条形矿柱宽度减小，应力值变化明显，并且最大拉应力均出现在条形矿柱与顶板的接触位置。由于条形矿柱的存在，顶板由一个大跨度的简支岩梁分为两个简支岩梁，梁的跨度减小了，相应的两侧顶板中央的最大弯矩减小，对于提高顶板的稳定性作用显著。由此可见，条形矿柱在维持境界矿柱稳定性具有重要作用。方案III、VI、VIII、IX境界顶柱的最大拉应力均超过了矿体的抗拉强度1.35 MPa，顶板将受到拉伸破坏。最大压应力由大到小的排列顺序为方案IX、VIII、VI、III、VII、V、II、I、IV，其中方案IX、VIII、VI、III、VII矿柱的最大压应力均超过了矿体的抗压强度。

综上所述，首先可以排除方案III、VI、VII、VIII、IX，剩下的4个方案中，方案I、II选择的境界顶柱厚度为18 m，考虑到该矿山露天坑内回填有尾砂和矿石，境界矿柱将作为永久损失，在确保顶板安全的前提下，优先考虑境界矿柱厚度为15 m的方案IV、V。

分析对比方案IV、V均能满足各方面的要求，方案V与方案IV相比，条形矿柱的宽度小2 m；结合矿山实际情况，本文研究中简化了一些因素，如爆破作用和地下水等对顶板稳定性的影响。并且，条形矿柱在开采过程中可以采用人工矿柱替代，从而实现回收的目的。相比而言方案，IV安全性更高，因此，选择方案IV作为最终方案，即境界矿柱厚度为15 m，留设7 m宽的条形矿柱。

4 结论

本文提出了露天转地下开采时，境界矿柱和条形矿柱相结合的矿柱留设方式，该方法对相似矿山境界矿柱的布置具有参考价值。

通过建立三维数值模型，运用FLAC3D数值模拟软件，对境界矿柱参数进行了优化研究。根据矿山实际，选择9个不同方案，分析各方案的安全系数、应力和位移情况，得出条形矿柱在境界矿柱稳定性中的重要作用。从安全和尽量多回收资源的角度出发，最终确定方案IV即境界顶柱厚度为15 m、条形矿柱宽度为7 m为最终方案。