缓倾斜薄矿体采场矿柱尺寸设计及安全性分析.pdf
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1、 126 1 前言房柱法广泛适用于水平和缓倾斜矿体的开采,在划分好的回采单元内将矿房和矿柱规则交替布置,回采过程中先采矿房,利用矿柱支撑顶板。矿柱尺寸及其间距作为采场结构设计中的关键参数,在保障回采工作中人员及设备的安全性中扮演着极其重要的角色。矿房回采时预留矿柱的长度、宽度以及矿柱间距均会对矿石回收率以及采场稳定性产生直接影响。已有研究表明,矿柱承载能力与矿柱尺寸成正比,与矿柱间距成反比;而矿石回采率则与矿柱尺寸成反比,与矿柱间距成正比。小矿柱,大间距,采场易失稳,回采安全受到威胁;大矿柱,小间距,采场稳定性增强,但矿石回收率降低1。因此,为确保矿山安全、提升企业经济效益,科学设计矿柱参数势
2、在必行。目前,矿柱稳定性分析的研究方法主要有安全系数法、数值模拟法、可靠性分析法和统计学习理论2。自从,SALAMON 等3利用极大似然法提出煤柱强度的经验公式,以应对岩体内部结构的各项异性与随机性以来,反向分析历史矿柱稳定与破坏案例的研究方法受到了广大学者们的青睐。T.Garza-Cruz 等介绍了蒙大拿州Troy 矿的矿柱失效的分析结果,并利用这一经验来对附近的 Montanore 矿床的矿柱稳定性进行了前瞻性预测4。陈光飞结合某铁矿对矿柱安全系数的影响因素进行了正交方差分析,发现对该铁矿永久矿柱稳定性影响因素主要有开采深度、矿柱宽度、矿房宽度、充填体给矿柱的水平应力、矿柱抗压强度和上覆岩
3、层容重5。然而,多数矿山在矿柱设计中缺乏对矿柱承载机理的应用,忽略岩体的自稳能力,预留过多矿柱,最终导致矿柱积压的矿量越来越多,大量矿石被浪费1。为了在确保采场安全的前提下提高矿石回采率,本文在 Bieniawski 矿柱强度理论的基础上通过固定一步骤采场宽度、矿柱宽度、矿柱长度,改变矿柱间距,利用MATLAB 进行拟合得到对应参数下矿柱间距与安全系数的关系曲线以及矿柱间距与矿石回采率的关系曲线,最终取得该尺寸下的最佳矿柱间距。2 矿床概况谦比希东南矿区已探有产状较平缓,倾角 10以内,长度约 350m,宽度约 130m,厚度 3 6m,Cu 品位为 1.25%,地质矿量为 52 万吨的薄矿体
4、。其中,矿体为黄铁矿化板岩,围岩为石英岩,相关物理力学参数见表 1-1。从矿体产状及位置来看,可作为北部首采的补充区域(如图 1 所示)。由于该区域矿体产状平缓,厚度 36m,计划采用单层回采。根据探矿品位高低灵活选用进路充填法(两步骤分条)或房柱法(全面法)回采。缓倾斜薄矿体采场矿柱尺寸设计及安全性分析张金钟(中色非洲矿业有限公司,赞比亚基特韦 22592)摘 要:谦比希东南矿体中缓倾斜薄矿体主要采用房柱法开采,为了探究矿柱尺寸以及矿柱间距对采空区安全性以及矿石回收率的影响,本文基于 Bieniawski 矿柱强度理论,对 980 中段某矿体区域进行分析,计算不同情况下的安全系数和矿石回采率
5、,得到了各矿柱尺寸下最优的矿柱间距。当一步骤采场跨度为 7m,矿柱的宽度和长度均为4.5m 时,最佳矿柱间距为 4.5m;当一步骤采场的跨度为 8m,矿柱的宽度和长度均为 4.5m 时,最佳矿柱间距为 4m,当一步骤采场的跨度为 9m,矿柱的宽度和长度均为 5.0m 时,最佳矿柱间距为 4.5m。关键词:房柱法;矿柱尺寸;矿柱强度理论;安全系数;矿石回采率 127 效益的最大化。矿石回采率是薄矿体采场经济效益的重要指标。因此,预留矿柱尺寸及其间距应尽可能提高矿石回采率。在极限跨度条件下,根据采场布置参数及矿柱尺寸和矿柱布置间距,可计算单元内矿石回采率 P 如下7:(1)式中:B0和 L0 分别
6、为矿柱间的宽度和长度;Bp和 Lp分别为矿柱的宽度和长度;h为采场的高度,m。4 矿柱尺寸设计及安全性分析4.1 失稳机理分析矿柱作为受力载体,当承载能力低于所受荷载,其稳定性下降,无法对采场顶板起到良好的支撑作用,极易引起顶板冒落。单一矿柱的失稳,很可能导致周围矿柱载荷增加并失稳,采场进入失稳循环,直至整个采场坍塌。矿柱的失稳形式主要包括压张失稳、压剪失稳、拉剪失稳、滑动失稳和岩爆破坏,其破坏类型主要有三种,如图 3 所示。从三种矿柱破坏类型可分析矿柱机理表1-1 岩石物理力学性质试验结果岩样密度试验劈裂试验单轴压缩试验剪切试验密度0/gcm3抗拉强度t/MPa单轴抗压强度c/MPa弹性模量
7、E/GPa泊松比/黏聚力C/MPa内摩擦角/北采区上盘石英岩2.71117.5998.2344.730.3421.7241.12北采区黄铁矿化板岩2.75818.62125.2946.670.2928.9943.98图1 北首采区区域分布情况图2 矿柱布置形式当地质品位小于 2.0%时,选用房柱法进行回采。一步骤采场参数为 79m 宽,46m 高,长 8090m;二步骤采场参数为 45m 宽,46m 高,长 8090m。首先回采结束一步骤采场,再将二步骤采场回采成为44 或 55 的规则点柱(需结合岩石力学研究,矿柱损失率约 13.4%),最后区域封闭,采用废石和低浓度膏体进行充填。3 矿柱布
8、置形式及其评价原则3.1 矿柱布置形式谦比希东南矿体采用房柱法回采矿房,预留间断规则矿柱,其分布形式如图 2 所示。其中,矿柱的宽高比(矿柱宽度比矿柱高度)应小于 0.3,同时矿柱间距不能大于矿房跨度。3.2 安全原则回采过程中留设矿柱尺寸与布置间距必须保障采场的安全稳定性,避免人员及设备安全遭受威胁。矿柱承载能力必须大于所受荷载,保障其安全系数达到设计标准6。矿柱稳定性分析及其安全系数计算公式,详见后文讨论。3.3 经济原则在采场安全性达标的基础上,尽可能实现矿山经济 128 如下:图3 矿柱破坏类型()哑铃状破坏。在矿柱岩体趋于弹性情况下,当矿柱承受载荷超过自身强度时,其与顶板接触面的摩擦
9、力增大,导致矿柱表面形变不均匀,呈哑铃状凸起并剥落。随后,矿柱中部受压面积缩小,承受剪切能力减小,易发生剪切失稳。小尺寸矿柱,更易由于所受荷载超过矿柱承载极限而发生此类现象。()圆台状破坏。当矿柱岩体趋于脆性,并且矿柱尺寸较大时,受压矿柱发生与竖直方向垂直形变,矿柱与顶板接触周边易发生剪切破坏,呈圆台状。此时,由于矿柱宽度足够大,仍然能对顶板起到良好的支撑作用,故不发生失稳。()锥体状破坏。当矿柱尺寸较小,并且承受载荷较大时,在圆台状破坏的基础上,矿柱上部表面剥离越来越严重,形态趋近于锥体。当矿柱顶部与顶板接触面越来越小时,矿柱所受压强增大,最终致使其失稳破坏。4.2 矿柱强度分析矿柱强度(即
10、矿柱承载能力)是由矿柱与顶板的接触状态、矿柱内部结构面、矿区岩体性质、矿柱尺寸与形状等因素共同决定的一个综合指标。一般,矿柱岩体性质越好、尺寸越大,矿柱所能承受的荷载越高;而矿柱体积越大、高度越高,其强度越小。利用形状效应理论9,可以得到金属矿区开采过程中矿柱强度与岩石强度、矿柱宽高比存在如下关系:(2)式中:p矿柱强度,MPa;r 岩石强度,MPa;w/h矿柱宽度与高度之比。根据尺寸理论10,矿柱强度与矿柱宽度成正比,与矿柱高度呈反比,两者共同决定着采场人工留设矿柱的强度大小如下:(3)式中:p矿柱强度,MPa;强度系数,其和矿柱岩块性质有关;矿柱宽度,m;h矿柱高度,m;a,b与岩块性质相
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