落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究.pdf
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1、落凼矿露井联采境界矿柱合理厚度研究赵怀军1,林逸晖2,蔡君1(1.凉山矿业股份有限公司,四川 凉山彝族自治州 6 1 5 1 4 1;2.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 0 0 9 3)摘 要:露天开采矿山转地下开采时存在境界矿柱厚度留设问题,以落凼矿为工程背景,运用工程类比分析法、卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法以及M I D A S/G T S有限元分析法对于落凼矿露天转地下开采过渡期间境界矿柱留设厚度进行了研究,研究得出:在落凼矿东部露天采场开采期间,其境界矿柱厚度最低为2 0 2 5m。关键词:境界矿柱厚度;工程类比法;卡特(C a r t e r)比
2、例顶柱评价方法;数值模拟0 引言随着现代工业的快速发展,人们对矿产资源的需求量也越来越大。每年采出的矿石中,约有2/3来自露天开采1。经过几十年持续高强度的开采,绝大多数露天矿山已经进入深凹露天开采阶段,大部分矿山正在或者已经转入露天和地下联合开采或者地下开采。为确保露天和地下同时生产作业的安全,需要在一定时间内在露采与地采间预留境界矿柱,而境界矿柱厚度的确定是露天转地下开采工程的重要研究问题之一。郭霆等2运用F L A C 3 D数值模拟软件确定了某地下开采的石膏矿境界矿柱的最小厚度应为3 7m。严振湘等3采用F L A C 3 D软件对于杏山铁矿中段水平保安矿柱留设厚度进行数值模拟研究,确
3、定其留设厚度在2 0m时能够满足生产需求。卢萍等4根据某铜矿的采矿工艺、开采深度以及工程地质条件,采用理论计算和F L A C 3 D有限差分法数值软件对不同厚度的境界矿柱进行了模拟分析,确定2 0m是该矿山境界矿柱厚度的最优值,能够满足安全生产要求。熊立新等5基于突变理论分析方法,构建了采空区顶板 境界矿柱力学模型,提出境界矿柱失稳的判据,计算了合理的境界矿柱安全厚度,并且运用数值模拟验证了计算结果的合理性。赖红源6通过数值模拟手段对紫金山金铜矿露天与地下开采模型进行分析研究,并通过拟合得到境界矿柱厚度与最大拉应力的关系曲线,确定了紫金山金铜矿露天地下联合开采的境界矿柱合理厚度。张钦礼等7运
4、用A N S Y S有限元分析软件对不同跨度和不同境界矿柱厚度进行数值模拟,结合理论计算结果,给出各个跨度下的安全隔离层厚度,以姑山铁矿为例,推荐其露天转地下开采的隔离层厚度为1 8m。王春华等8结合材料力学、结构力学及K.B鲁别涅依他公式的计算结果,运用M a t l a b软件对境界矿柱厚度及矿房跨度进行数据拟合,并且运用A N S Y S及F L A C 3 D软件进行三维数值模拟及优化,结果表明,某石灰岩地下矿山当下分层矿房跨度为1 5m,间柱宽度为1 3m时,最佳境界矿柱厚度为1 2m。张访问9采用经验类比和理论公式计算两种方法对马坑铁矿隔离层安全厚度进行了科学分析和研究,得出合理的
5、安全厚度为1 5 2 0m。裴明松等1 0采用数值模拟的方法对程潮铁矿隔离矿柱的留设厚度进行了研究,得出当隔离矿柱厚度为2 0m时,地表的沉降值较小,充填采场安全系数较高。王宇等1 1通过F L A C 3 D数值建模确定了某矿山的隔离矿柱厚度为1 5m左右。杨明财等1 2针对密云铁矿1 6.7 m左右的实际 开 采 跨 度,采 用A N S Y S软件进行数值模拟分析,得出其隔离矿柱合理厚度为2 4m。王文军等1 3以某铅锌矿为例,借助理论分析、数值模拟,开展原岩矿柱厚度计算,结果表明2 5m厚的原岩隔离矿柱满足安全需求。徐帅等1 4基于理论计算、比例跨度法和相似条件类比法等多种方法进行联合
6、分析,确定归来庄金矿露天转地下境界矿柱的最优厚度范围为61 5m,采用F L A C 3 D数值模拟确定其境界矿柱厚度最优值为1 0m。牛淑慧1 5采用导水裂隙带理论计算公式得出导水裂隙带高度,进而确定富宁铅锌矿那郎河床下的防水保安矿柱厚度为3 0m。本文以落凼矿为工程背景,运用工程类比法、卡I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3特(C a r t e r)比例顶柱评价方法以及M I D
7、A S/G T S有限元分析法对于落凼矿露天转地下期间境界矿柱留设厚度进行研究,确定合理的境界矿柱留设厚度。1 工程概况落凼矿为露井联合开采,地下开采的矿体一般呈似层状、透镜状,以重叠叠瓦形式产出,膨胀现象明显,也有分叉复合、尖灭再现等现象。矿体产状与围岩产状基本一致,严格受岩性和层位的控制,当围岩受力形成背斜或向斜褶曲时矿体亦同时褶曲。矿体形态较为复杂。矿体倾角为1 5 4 0,矿体厚度为2 3 2m。落凼矿区地下开采的采矿方法有两种,一是分段空场法及房柱法,嗣后用废石及分级尾砂对空区进行充填;另一种是点柱式上向分层充填法,分层开采时每一层的下部用废石及分级尾砂充填,面层用水泥+分级尾砂胶结
8、充填,面层厚度为5 0 0mm。2 工程类比分析法表1、表2的工程类比结果,列举了国内外一些矿山境界矿柱厚度,这些境界矿柱厚度的确定,主要考虑了采空区跨度和暴露面积以及围岩硬度,一般为2 0 2 4m。表1 国外某些矿山的境界矿柱安全厚度矿山名称岩石硬度f采空区跨度/m采空区面积/m2境界矿柱安全厚度/m克里沃罗格4 1 01 5 2 52 0 0 6 0 02 0 3 0海达尔岗斯基8 1 02 5 3 01 0 0 5 0 01 5 2 0柴良诺夫斯基8 1 62 0 0 2 1 0 01 4 1 6尼基托夫斯基8 1 02 0 2 51 5 3 0依也尔雅可夫斯基1 4 1 62 0 3
9、 04 0 0 5 0 01 0表2 国内外某些矿山实际境界矿柱厚度矿山名称地下开采的采矿方法境界矿柱厚度/m凤凰山铁矿过渡期深孔留矿,后改阶段崩落法。7 1 0冶山铁矿分段崩落法无金岭铁矿铁山区过渡期分段空场法,后改分段崩落法。无铜山铜矿分段空场法(留矿法)嗣后胶结充填矿房顶柱铜官山铁矿水平分层干式充填法矿房跨度一半或1 0 续表2 国内外某些矿山实际境界矿柱厚度矿山名称地下开采的采矿方法境界矿柱厚度/m松树卯矿硐室爆破阶段崩落法无新桥硫铁矿先空场法,后充填采矿法。2 4石人沟铁矿过渡期空场法,后改分段崩落法。2 0获各琦铜矿先空场法,后充填采矿法。2 4加拿大K i d dC r e e
10、k矿分段空场法嗣后胶结充填9加拿大F r o o dS t o b i e矿分段崩落法1 2m护顶垫层芬兰P y h a s a l m i矿过渡期分段空场法,后改分段崩落法。2 03 卡特(C a r t e r)比例顶柱评价方法3.1 分析原理评价顶柱稳定性时需要考虑到岩体质量参数,Q值与RMR法已广泛地应用于岩土工程,这2种方法考虑到了岩石的结构特征、节理特性、水及应力环境等。在基于2 0 0个以上顶柱稳定实例的基础上,卡特(C a r t e r)于2 0 0 0年开发了比例顶柱方法(S c a l e dC r o w nM e t h o d)。比例矿柱的概念特性是指基于矿柱的三维
11、几何尺寸,与实际矿柱跨度成一个比例关系,按式(1)求得:Cs=ST(1+SR)(1-0.4 c o s)0.5(1)式中,Cs为比例矿柱跨度,m;S为实际矿柱跨度,m;为容重,t/m3;T为顶柱厚度,m;为矿体倾角,();SR为跨度比S/L(顶柱跨度除以以米为单位的顶柱沿走向的长度)。几何尺寸参数确定如图1所示,比例矿柱公式可用于研究形成了一定倾角与几何尺寸采场后,围岩顶柱厚度的临界尺寸。该比例顶柱跨度,可以绘制成顶柱岩体质量条件与历史实例矿山关系,如图2所示。根据历史实例矿山关系图,可拟合出一条临界跨度线,通过临界跨度线可分辨出稳定的顶柱实例与不稳定的顶柱实例。临界跨度线方程为:Sc=3.3
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