露天轉(zhuǎn)地下開采坑底境界礦柱厚度的確定

戶外采礦和地下開采有很多方案。無論是否留下礦山柱，都主要取決于露天開采的現(xiàn)狀和場地的條件、地下開采方法和回采技術(shù)的要求。留設(shè)境界礦柱可以在露天底板不受破壞的情況下進行地下開采,在一定時期內(nèi)保證露天和地下開采同時進行,穩(wěn)定礦山生產(chǎn)。但境界礦柱留設(shè)也會影響地下開采的安全,如果境界礦柱留的過薄,易造成境界礦柱突然間崩落,會對地下采空區(qū)產(chǎn)生強動力空氣沖擊,對井下設(shè)施及人員有很大危害,甚至可使礦井報廢。境界礦柱如留的過厚又會造成礦產(chǎn)資源的浪費,礦柱回采率低(目前在國內(nèi)只有40%左右,甚至更少),貧化率大。因此,境界礦柱厚度的確定是一項非常重要而又復(fù)雜的科研課題。1地面無砂地下開采系統(tǒng)唐鋼礦業(yè)公司石人溝鐵礦是1975年7月建成投產(chǎn)的露天鐵礦山,是唐鋼的主要原料供應(yīng)單位。其露天開采境界南北長2.8km,由南向北分為3個采區(qū),28～18線為南區(qū),18～8線為中區(qū),8線以北為北區(qū)。經(jīng)過近30年的開采,其露天部分即將結(jié)束。礦區(qū)在20線和25線附近分別有F8、和F18兩個大的斷層出露。南區(qū)和中區(qū)露天開采已經(jīng)結(jié)束,作為礦山內(nèi)部排土場,露天坑底的標高范圍為0～+25m,排土場最高標高為+140m。北區(qū)露天部分作為大型機械開采已經(jīng)結(jié)束,目前進行殘礦回收。石人溝鐵礦從2000年開始著手進行露天轉(zhuǎn)地下開采設(shè)計及施工工作。地下工程建設(shè)分兩期進行,并將地下部分以16線為界劃分為南北兩個區(qū),一期工程(南區(qū))從2001年7月開始,地下開采設(shè)計60萬t/a,二期工程(北區(qū))從2003年11月開始,地下開采設(shè)計70萬t,設(shè)計地下開采規(guī)模合計130萬t。一期工程為中央豎井開拓,共建設(shè)3個井,主、付井(兩個井口相距77.7m,井口標高分別為+94.9m和+99m,井深分別為274.9m和291m)在16～18線之間,風井在28線以南、30線附近。在0m水平開鑿?fù)L巷,-6m為礦柱的下邊界,0m為礦柱的上邊界,境界礦柱從0m向上至露天坑底。首采區(qū)在南區(qū)16～30線-60m中段,礦體走向長1400m,平均厚度9.7m。礦塊布置從16線向南沿礦體走向布置,每50m作為一個礦房,礦塊尺寸為50m×60m。采用淺孔留礦法進行采礦。為了保證在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中,防止境界礦柱發(fā)生突冒,運用RFPA進行建模,研究了地下開采對露天境界礦柱受力和變形情況,分析了境界礦柱的穩(wěn)定性,針對斷層影響比較嚴重的20線和25線的剖面境界礦柱的穩(wěn)定性進行了數(shù)值計算分析。2材料的細觀非均勻性RFPA是東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心自主開發(fā)和研制的基于模擬巖石漸進破壞的數(shù)值模擬程序。為了反映巖石材料性質(zhì)的細觀非均勻性,程序中把巖石材料看作是由大小相同的四邊形單元組成,假定其材料性質(zhì)滿足Weibull分布。同時,這些組成材料的單元也作為有限元分析的單元,當其應(yīng)力狀態(tài)滿足最大拉應(yīng)力準則和摩爾庫侖準則時單元開始損傷,滿足彈性損傷的本構(gòu)關(guān)系。在考慮材料力學(xué)性質(zhì)非均勻性的前提下,用細觀上簡單的本構(gòu)模型研究材料在宏觀層次上復(fù)雜的破壞過程。3高高高礦礦柱結(jié)構(gòu)模型以整個礦山中最危險的20和25斷面為基本模型進行模擬。模型包括回填物、圍巖、礦體、斷層。模型寬350m,高220m,境界礦柱底預(yù)留在標高為-6m的位置,按每步18m高度開挖,只考慮上覆巖體自重應(yīng)力場。著重研究開挖過程中硐室圍巖和頂柱的受力、變形及破壞情況。模型示意如圖1和圖2所示。4物理力學(xué)性質(zhì)的實驗和確定東北大學(xué)巖石力學(xué)試驗室在石人溝鐵礦現(xiàn)場進行了取樣,經(jīng)過試驗與分析計算,確定石人溝鐵礦的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1。5頂柱冒落面識別通過對最危險的20斷面和25斷面建立模型并進行計算,得到了這2個斷面的剪應(yīng)力圖、聲發(fā)射圖,彈模變化圖以及破壞情況圖。其中剪應(yīng)力圖中亮度越高,應(yīng)力越集中。通過對這些圖的分析,選取合理的回采方案。20斷面(見圖3a～3b所示),表明頂柱較為穩(wěn)定,沒有在頂柱局部和礦巖的不整合面發(fā)生屈服破壞,破壞區(qū)沒有和露天坑底的破壞區(qū)相互貫通,穩(wěn)定性較好,頂板不會發(fā)生突冒災(zāi)害。M2礦體上盤圍巖以及孔區(qū)的間柱破壞區(qū)面積較大,必須加強支護。25斷面(見圖4a～4c所示),由于空區(qū)截穿斷層帶,所以引起斷層破壞,并引發(fā)頂柱破壞,形成頂柱冒落?？紤]礦巖長期強度后的計算所得的塑性區(qū)、垂直位移和應(yīng)力向量場分布圖。由于斷層的存在,采空區(qū)與斷層相鄰,開采引起斷層的破壞,造成沿斷層帶的冒落,進而引發(fā)頂板冒落。6頂柱厚度設(shè)計計算結(jié)果表明:①20斷面頂柱穩(wěn)定性較好,破壞區(qū)沒有和露天坑底的破壞區(qū)相互貫通,頂板不會發(fā)生突冒災(zāi)害。M2礦體上盤圍巖以及孔區(qū)的間柱破壞區(qū)面積較大,必須加強支護。②25斷面由于空區(qū)截穿斷層帶,所以引起斷層破壞,并引發(fā)頂柱破壞,形成頂柱冒落。考慮礦巖長期強度后計算所得的塑性區(qū)、垂直位移和應(yīng)力向量場分布圖。頂柱比間柱的支撐作用更大,間柱變薄和即使不考慮間柱的作用,能夠確保頂柱圍巖穩(wěn)定,但是不能確保頂柱的長期穩(wěn)定;頂柱厚度減小2m