露天转地下开采境界顶柱隔离层厚度理论算法的确定.pdf

Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY某些露天开采的矿山随着剥采比的增大、矿权范围限制、排土场容量限制等诸多因素的影响，不再适合露天开采，需地下开采进行衔接。为了保持矿山开采的持续性，须在露天开采时期提前进行地下开采基建工程的开掘，并在露天开采末期进行地下开采的试生产，对露天开采的产能进行补充。为保证基建工程开掘及地下开采的安全性，此过程中须留设一定厚度的境界顶柱作为隔离保安矿柱，而其预留厚度是一个关键技术指标和经济指标，对矿山至关重要，关乎着矿山露天转地下开采的成败。如果预留厚度过大，会影响井下生产能力甚至造成资源浪费；而预留厚度过小，则不能起到安全保障作用，必须通过研究加以优化确定。因此，许多关于露天境界顶柱隔离层厚度确定的理论在历史长河中诞生，目前应用较多的有厚跨比法、结构力学法、结构力学简化梁法、荷载传递交线法以及鲁别涅伊特法等1-2；每种计算方法侧重的影响因素有别，故其适用的条件也有所不同。因此对于特定矿山，确定合理的计算方法就显得十分有必要。结合现有矿山的实际情况，采用理论分析计算和数值模拟分*收稿日期：2023-03-09作者简介：田敏（1982-），女，湖南郴州人，高级工程师，主要从事矿山采矿设计工作。Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY露天转地下开采境界顶柱隔离层厚度理论算法的确定*田敏，陈印（昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 65000）摘要：结合具体矿山工程实际，采用了多种理论计算方法确定矿山的境界顶柱隔离层厚度，对各理论计算方法的模拟工况数值进行分析，从而确定了结构力学简化梁法的理论计算模式较为适合用来确定该矿山境界顶柱隔离厚度，为矿山的生产实际提供了一定的参考。关键词：境界顶柱；理论计算；FLAC3D 数值模拟；塑性区；监测点位移中图分类号：TD263文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）04-0026-07Confirmation on Theoretical Algorithms of Isolation Layer Thickness of Top Pillarfor Underground Mining Realm Transferred from Open-pitTIAN Min,CHEN Yin(Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650000,China)ABSTRACT：The isolation layer thickness of top pillar for underground mining realm was confirmed by various theoreticalalgorithms combining with the specific mine engineering practice,the simulation working conditions of each theoretical algorithm wasanalyzed,so that it is confirmed that the theoretic calculation mode of structural mechanics simplified beam method is suitable forconfirmation on the isolation layer thickness of top pillar for mining realm,it can provide a certain reference to production practice ofmine.KEY WORDS：top pillar for mining realm;theoretic algorithm;FLAC3D numerical modeling;plastic zone;displacement ofmonitoring point26张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用表 1境界顶柱隔离层各理论分析方法各计工况组合表Tab.1Working conditions of each theoretical analysis method for top pillar isolation layer of realm析相结合的方法，选取确定该矿山作为隔离保安矿柱的境界顶柱厚度的理论计算方法。1工程概况该矿山为国内大型露天开采矿山，虽资源丰富，但地质条件复杂，矿区岩体结构疏松，岩石较为破碎，岩体完整性较差，力学强度低，矿体多为多层缓倾斜至倾斜矿体，矿体形态变化大。目前矿山露天开采深度已超过 300 m，台阶高度10 m，最小工作平台宽度 20 m，工作台阶坡面角为 60毅耀65毅，最终靠帮后台阶坡面角为 60毅，上下盘局部软弱岩层和红土型围岩台阶坡面角适当放缓。安全平台宽度（4耀6）m、清扫平台宽度（10耀12）m、运输平台宽度为（13耀14）m。顶板岩性主要为灰岩，底板岩性主要为石英正长斑岩（各岩性力学强度指标见表 2）。随着开采深度的持续加深，露天边坡高度不断增高，高陡边坡安全隐患渐显。深凹露天的持续开采导致矿石的运输成本不断增高，高剥采比使得回采成本增加同时增加了排土场压力。为了更为经济安全地回采深部矿体，满足矿山每年对金属量的要求，矿山正在筹划由露天转向地下开采的前期准备工作，经设计研究，地下开采适合使用上向进路式分层充填采矿法3-4。而为满足矿山持续接替需求，地下开采的基建工程建设期为 6 年，坑露过渡开采期为 2 年。2境界顶柱厚度理论计算与 FLAC3D 数值模拟根据岩石力学特点，矿山在露天开采时对岩体的应力场造成扰动，采动结束一段时间后应力达到一个新的平衡。在高边坡存在的基础上进行地下开采，再次对岩体造成扰动，形成二次扰动。其对上覆岩体稳定性的影响既不同于单一的露天开采，又不同于单一的地下开采，第二次采动影响岩体的应力分布，可诱发上部边坡体的滑移，对矿山安全生产造成危害。因此在选择安全可靠的地下开采采矿方法外，留设安全合理的隔离保安矿柱厚度至关重要。为了在多种理论计算方法中确定最适合该矿山境界顶柱隔离层厚度的方法，根据各理论分析方法拟合出境界顶柱隔离层厚度和矿房跨度的关系曲线图，选取同一隔离层厚度（40 m），再根据不同理论分析方法的曲线图选取矿房跨度的近似值，即形成各境界顶柱隔离层厚度和矿房跨度的不同工况组合，如表 1 所示。对根据工况组合分别进行数值模拟分析，根据分析结果与类似矿山做比较，确定最优的理论计算方法。田敏，等：露天转地下开采境界顶柱隔离层厚度理论算法的确定27Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY表 2矿山岩体及充填体力学参数表Tab.2Mechanics parameters for mine rock masses and backfill body岩性比重/（kN/m3）粘聚力/MPa摩擦角/（毅）体积模量/Pa剪切模量/Pa抗拉强度/MPa胶结充填体19.50.7019.004.87伊1082.92伊1080.60灰岩26.90.1435.872.02伊10101.58伊10100.10斑岩21.70.5442.856.11伊10102.34伊10100.44矿层33.70.6336.261.41伊10116.50伊10100.40人工假底23.00.6430.001.67伊1097.69伊1080.40尾砂充填19.50.5017.003.57伊1081.74伊1080.40图 1矿山数值分析模型Fig.1Numerical analysis mode of mine根据上述表格中的计算公式及相关数据，结合矿山露天及地下采场的设计参数等建立矿山露天转地下开采的数值模型，采用 FLAC3D5数值模拟软件进行模拟计算分析，具体如图 1 所示；为简化数值模拟的模型，数值模拟分析过程仅考虑了边坡的主要岩性灰岩、预留隔离层境界主要岩性斑岩、矿体本身岩性以及地下开采使用的上向进路式分层充填法一步骤（胶结充填）、二步骤（尾砂充填）使用的充填体参数值6-7（参考矿山开展的充填体实验研究数据），所用参数如表 2 所示。数值模拟结果分析如下：工况一（结构力学法 H=40 m、B=10 m）：顶板监测点在 Z 方向的最大位移为 7.5 mm，变形位移量小，对境界顶柱隔离层的影响不大。境界顶柱隔离层在北部露天边坡坡脚部分出现了剪切塑性区；在采场空区附近出现了拉应力塑性区，但范围较小，且境界顶柱隔离层的塑性区呈现零散分布，未出现直接贯通塑性区。故结合塑性区分布状况和空区顶板位移监测情况综合分析：当采空区跨度为 10 m 时，40 m 的境界顶柱隔离层未发生破坏，为安全状态。具体如图 2 所示。工况二（结构力学简化梁法 H=40 m、B=20 m）：顶板位移监测点 Z 方向最大位移为 1 cm，较矿房跨度为 10 m 的顶板位移监测点有所增大，但仍属可控范围；而塑性区范围相比 10 m 矿房跨度有所扩大，主要表现在境界顶柱隔离层上表面及采场空区左下角处；在境界顶柱隔离层上表面主要为剪切塑性区，在采场空区周围主要表现为拉应力塑性区，但从塑性区分布云图看出，境界顶柱隔离层未形成贯穿塑性区，且位移监测最大变形量仅为 1 cm，境界顶柱隔离层未发生破坏。即在 20m 的采场跨度下，40 m 的境界顶柱隔离层厚度安全。具体如图 3 所示。工况三（荷载传递交线法 H=40 m、B=35 m）：采场空区上部的境界顶柱出现拉应力，数值约为0.5 MPa，顶板监测点的最大位移量达到 1.4 cm，同时采场附近顶板和境界顶柱的塑性区范围进一步扩大，空区直接顶板出现剪切塑性区，表明直接顶板已处在破坏边缘。具体如图 4 所示。28张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 3矿房跨度 20 m 的塑性区分布及监测点位移曲线图Fig.3Plastic zone distribution of 20 m mine span and monitoring point displacement curve chart图 2矿房跨度 10 m 的塑性区分布及监测点位移曲线图Fig.2Plastic zone distribution of 10 m mine span and monitoring point displacement curve chart图 4矿房跨度 35 m 的塑性区分布及监测点位移曲线图Fig.4Plastic zone distribution of 35 m mine span and monitoring point displacement curve chart田敏，等：露天转地下开采境界顶柱隔离层厚度理论算法的确定29Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY工况四（鲁别涅伊特法 H=40 m、B=40 m）：最大拉应力出现在采场底板处，空区直接顶板存在拉应力，对境界顶柱稳定不利；顶板监测点的最大位移量达到 1.6 cm，采场附近的顶板和境界顶柱的塑性区范围进一步扩大，且在空区直接顶板出现了剪切塑性区，表明直接顶板正在发生破坏。如图 5 所示。工况五（厚垮比法 H=40 m、B=55 m）：顶板的拉应力分布区增大，境界顶柱拉应力集中到了采场空区周围，最大拉应力出现在采场空区上方的境界顶柱内部；塑性区范围也急速增大，且在采空区上方的境界顶柱内发生了贯穿的剪切塑性区，表明空区上方境界顶柱已被破坏。此时计算得出空区顶板监测点的最大位移达到了 2.2 cm。如图 6 所示。图 5矿房跨度 40 m 的塑性区分布及监测点位移曲线图Fig.5Plastic zone distribution of 40 m mine span and monitoring point displacement curve chart图 6矿房跨度 55 m 的塑性区分布及监测点位移曲线图Fig.6Plastic zone distribution of 55 m mine span and monitoring point displacement curve chart通过上述 5 种理论计算方法的工况模拟计算整理得出表 3 的对比分析表。由表 3 对比分析可知：1）当境界顶柱隔离层厚度为 40 m 时，境界顶柱的塑性区范围与矿房跨度相关，随其跨度值增加而增加；2）当跨度大于 20 m 时，拉应力直接分布在作为采场空区顶板的境界顶柱上，当跨度达到 5530张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用表 3各理论计算方法模拟计算结果对比表Tab.3Analog computation results comparison of eachtheoretic algorithm监测点最大位移/cm10.75隔离层理论分析方法境界顶柱隔离层厚度/m矿房跨度/m塑性区分布结构力学简化梁法4020结构力学法40101.2荷载传递交线法4035鲁别涅伊特法40401.6厚跨比法40552.2注：表中的塑性区分布图为示意图，目的是为了直观了解塑性区变化趋势。m 时，在空区的顶板和底部均出现了最大拉应力；3）当采场跨度大于 20 m 时，采场空区直接顶板出现了不同大小的塑性区，尤其是在跨度达到 55 m 时，剪切塑性区直接贯通境界顶柱；4）当采场空区跨度大于 20 m 时，顶板监测点位移均大于 1 cm。综上，在境界顶柱隔离层厚度为 40 m 时，监测点位移随矿房跨度的变化关系如图 7 所示；综合考虑塑性区、拉应力分布及顶板监测点位移等因素8，40 m 厚度境界顶柱隔离层与 20 m矿房跨度的组合工况与矿山生产要求最符。故上述 5 种境界顶柱隔离层的理论分析方法中，结构力学简化梁计算法较为合适。3结构力学简化梁法适用性验证为验证结构力学简化梁法是否适合应用于该矿山，选取两组不同工况（工况组合见表 4）的境界顶柱隔离层厚度和矿房跨度进行数值模拟分析，得出隔离层塑性区和检测点位移情况。图 7境界顶柱隔离层厚度为 40 m 时，监测点最大位移与跨度关系图Fig.7Relationship diagram between the maximumdisplacement and span when isolation layer thicknessof top pillar of realm is 40 m.图 8工况 1 塑性区云图Fig.8Plastic zone cloud picture of working condition 1图 9工况 1 监测点位移曲线图Fig.9Displacement curve chart of monitoring point ofworking condition 1田敏，等：露天转地下开采境界顶柱隔离层厚度理论算法的确定31Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 10工况 2 塑性区云图Fig.10Plastic zone cloud picture of working condition 2图 11工况 2 监测点位移曲线图Fig.11Displacement curve chart of monitoring point ofworking condition 2对工况 1 的结果进行分析可知，当境界顶柱隔离层厚度为 50 m，矿房跨度为 25 m 时，境界顶柱隔离层未出现塑性区，监测点的最大位移仅为3 mm，境界顶柱隔离层为安全状态。同时露天采场边坡的安全系数为 1.55，符合边坡安全系数的规定9。露天和地下可同时进行开采作业。对工况 2 的结果进行分析可知，当境界顶柱隔离层厚度为 65 m，矿房跨度为 30 m 时，境界顶柱隔离层也未出现塑性区，监测点的最大位移更小，仅为 2 mm，境界顶柱隔离层为安全状态。同时露天采场边坡的安全系数为 1.57，可以确保露天和地下同时进行开采。4结 语针对露天转地下开采境界顶柱隔离层厚度的 5种理论计算方法，在境界顶柱隔离层厚度均为 40m 的情况下，采用 FLAC3D 数值模拟软件对各理论计算方法计算出的不同矿房跨度工况结果进行数值模拟分析，结合 5 种理论计算方法各工况下的境界顶柱隔离层的塑性区、应力分布及监测点的位移情况，综合考虑矿山露天边坡的安全性因素，并结合国内外类似矿山的经验，分析得出结构力学简化梁法较适合于该矿山境界顶柱隔离层厚度的计算。参考文献：1 徐长佑.露天转地下开采M.武汉：武汉工业大学出版社，1990.2 陈勇.大杏山铁矿露天转井下境界顶柱优化研究D.沈阳：东北大学，2005.3 王光程.大红山铜矿点柱式上向水平分层充填法研究与应用D.昆明：昆明理工大学，2015.4 王光程，乔登攀.大红山铜矿点柱式上向水平分层充填采矿法稳定性分析J.黄金，2014，35（6）：36-39.5 陈育明.FLAC/FLAC3D 基础与工程实例M.北京：中国水利水电出版社，2009.6 侯克鹏.矿山地压控制理论与实践M.昆明：云南科技出版社，2004.7 黄璐，乔登攀.分级尾砂胶结充填体强度参数试验研究J.黄金，2016，37（4）：30-33.8 杨相如.黄麦岭磷矿露天转地下境界矿柱参数研究D.武汉：武汉理工大学，2012.9 中华人民共和国建设部.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.岩土工程勘察规范：GB50021-2001S/OL.北京：中国建筑工业出版社，2009.表 4境界顶柱隔离层厚度和矿房跨度的工况组合表（结构力学简化梁法）Tab.4Working conditions combination list of thickness of toppillar isolation layer of realm and mine span(structuralmechanics simplified beam method)m矿房跨度3025工况隔离层厚度工况265工况15032