柿竹园钨多金属矿露天地下协同开采安全隔离层厚度研究

吴 奇李同鹏，3汪为平，3何晓华，3

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

地下及露天协同开采过程中，安全隔离层的留设厚度对露天采剥和地下采矿作业的安全具有重要影响。而且，确定合理的采空区安全隔离层厚度对保障矿山地下转露天开采的产能过渡具有重要意义。

最近几年，有许多专家学者对采空区安全隔离层厚度的确定进行了研究。马俊荣等［1］基于某矿山爆破振动监测数据拟合出适用于该矿山的爆破振动传播公式，从而确定了该矿山露天地下联合开采期间安全隔离层厚度；张访问［2］采用经验类比法和理论公式计算相结合的方法得出了合理的隔离层安全厚度；席燕敏等［3］采用垂直剖面法估算安全隔离矿柱矿量，从而确定河流下矿体开采安全隔离层厚度。

目前确定安全隔离层厚度的方法较多，有厚跨比计算法、荷载传递线交汇法、普式拱理论法、B.И.波哥留波夫计算法和结构力学梁理论计算法等理论计算方法，以及各类数值模拟计算法。在目前没有更好办法的情况下，可采用多种理论计算与数值模拟相结合的方法，综合确定出合理的安全隔离层厚度［4］。

1 工程概况

柿竹园钨多金属矿位于湖南省郴州市苏仙区内，矿区自1987年生产至今，井下采区富矿已基本采完，并对90%以上的采空区进行了充填，本质上解决了井下地压集中问题。目前，矿山以回采存窿矿及主采区的残矿为主。为维持企业的经济效益与可持续发展，通过分析矿体的赋存状态和开采技术条件，矿山决定由地下转向露天开采。

根据矿区地表地形、露天采坑最终境界和采场模型图，柿竹园钨多金属矿位于露天最终境界内的地下开采矿体包括东部514～610 m 之间矿体、西部536～610 m之间矿体和中部490 m以上北部矿体。

由于中部和西部矿体采用崩落法开采，开采后采场顶板塌陷，采空区被塌陷体充填，且西部开采区地表地势较低，为620～640 m，露天地下协同开采期间的露天最低开采标高为672 m，西部采区上方无露天开采活动。

因此，本次安全隔离层厚度研究对象为东部514～610 m采场及上部的露天作业区。

2 安全隔离层厚度理论计算

柿竹园多金属矿采空区安全隔离层厚度计算主要考虑在露天地下联合开采的条件下，确定地下采空区顶板的安全厚度，为露天采剥作业和采空区处理进度提供理论依据，保障矿山生产安全。

根据矿床工程地质条件和环境地质条件，采用K.B.鲁别涅依塔公式、荷载传递交汇线法、厚跨比法、结构力学梁理论计算法进行隔离顶柱厚度的计算［5］。以安全系数1.2～2.0 为前提，不同计算方法的计算结果见图1，范围为28.20～89.28 m。

3 数值模拟分析

在理论计算结果的基础上，以地下采场跨度最大、高程最高的东部514～610 m 采区的采场为工程背景（采场最大跨度为47 m），建立具有不同厚度安全隔离层的采区数值模型，对不同厚度安全隔离层顶板的力学特性进行分析。

3.1 模型建立

按照514～610 m 采区采场的实际情况建立模型，采场最大跨度为47 m，安全隔离层附加荷载为4 kN。考虑安全隔离层厚度为30 m 时，初始地应力平衡结果不收敛，无法作为模型取值，120 m 为采场到地表的最大厚度。所以，按安全隔离层厚度为40，50，60，…，120 m，分别建立9种模型。

为简化模型复杂程度，提高运算速度，假设：模型四周和底部为固定边界，顶部为自由边界；岩体为均质、各向同性介质；初始地应力场仅考虑自重应力；选取露天开采中质量最大为40 t的运输汽车作为露天坑底外部荷载。

依据钻孔采样数据及岩石单轴抗压强度，基于地质强度指标GSI 的Hoek-Brown 强度准则估算岩体力学参数，得到各工程岩组的岩体力学参数见表1［5］。

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3.2 模拟结果分析

3.2.1 垂直位移分析

隔离层厚度为40 m 时的采场最大垂直位移云图及顶板测点位移监测值见图2（存在外部荷载），不同厚度安全隔离层条件下采场顶板垂直位移结果统计见图3。

根据数值模拟结果，开采后采场顶板安全隔离层出现了下沉，在无外部荷载条件下，顶板下沉量随着隔离层厚度的增大而增大，主要是由于上覆岩体自重提高，对采场顶板的压力也随之提高。在考虑露天采矿设备附加荷载条件下，顶板下沉量随着隔离层厚度的增大而减小，表明与上覆岩体自重减小的影响相比，外部附加荷载对顶板垂直位移的影响起了主导作用。

3.2.2 最大主应力分析

隔离层厚度为40 m 时的采场最大主应力云图及顶板测点应力监测值见图4（存在外部荷载），采场顶板最大主应力统计结果见图5。根据数值模拟结果，开采后采场顶、底板处均出现了拉应力集中现象。在未施加外部荷载时，采场顶板中心监测点处的最大拉应力值随隔离层厚度的增大而增大；在考虑露天采矿设备附加荷载条件下，采场顶板中心监测点处的最大拉应力值随着隔离层厚度的增大而逐渐减小，此时与上覆岩体自重减小的影响相比，外部附加荷载对顶板拉应力的影响起了主导作用。

根据模拟结果，当隔离层厚度小于80 m 时，采场顶板监测点处产生的垂直位移和拉应力随隔离层厚度的减小而明显增大，当隔离层厚度大于80 m 时，采场顶板垂直位移和拉应力随隔离层厚度变化不大。因此，推荐矿山采用厚度为80 m 的安全隔离层方案。

4 结 论

（1）采用K.B.鲁别涅依塔公式、荷载传递交汇线法、厚跨比法和结构力学梁理论4 种理论方法，计算在安全系数为1.2～2.0时，安全隔离层的厚度值范围为28.20～89.28 m。

（2）通过数值模拟，在施加外部荷载条件下，当隔离层厚度小于80 m 时，采场顶板监测点处产生的垂直位移和拉应力随隔离层厚度的减小而明显增大，当隔离层厚度大于80 m 时，采场顶板垂直位移和拉应力随隔离层厚度不同变化不大，所以推荐矿山采用厚度为80 m的安全隔离层方案。

（3）为保障矿山生产作业安全，矿山在安全隔离层厚度为80 m 以下时进行露天开采作业前，应对地下采空区进行充填处理。