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断层影响下境界矿柱稳定性数值分析
2012-03-14
露天转地下开采的矿山,其露天坑底境界矿柱厚度的确定,对于金属矿山地下开采安全生产极其重要。针对石人沟铁矿露天转地下设计资料和地质资料,运用RFPA 进行建模,研究了地下开采对露天境界顶柱受力和变形情况,分析了境界顶柱的稳定性,为矿山设计提出的境界顶柱厚度进行了验证和补充,同时也为矿山设计施工提供依据和指导。
Series No. 345  金 属 矿 山 总 第 345 期   2005年 第 3 期 March 2005 METAL MINE 断 层 影 响 下 境 界 矿 柱 稳 定 性 数 值 分 析 1 ,2 1  赵 兴 东 南 世 卿 1. 东 北 大 学 岩 石 破 裂 与 失 稳 研 究 中 心 ;2. 唐 钢 矿 业 有 限 公 司 石 人 沟 铁 矿 ) ( 摘 要 露 天 转 地 下 开 采 的 矿 山 ,其 露 天 坑 底 境 界 矿 柱 厚 度 的 确 定 ,对 于 金 属 矿 山 地 下 开 采 安 全 生 产 极 其 重 要 。 针 对 石 人 沟 铁 矿 露 天 转 地 下 设 计 资 料 和 地 质 资 料 ,运 用 RFPA 进 行 建 模 ,研 究 了 地 下 开 采 对 露 天 境 界 顶 柱 受 力 和 变 形 情 况 ,分 析 了 境 界 顶 柱 的 稳 定 性 ,为 矿 山 设 计 提 出 的 境 界 顶 柱 厚 度 进 行 了 验 证 和 补 充 ,同 时 也 为 矿 山 设 计 施 工 提 供 依 据 和 指 导 。 关 键 词 境 界 矿 柱 露 天 转 地 下 稳 定 性 Instability Numerical Analysis of Boundary Pillar Affected by Fault 1 ,2 1 Nan Shiqing Zhao Xingdong ( 1. Center f or Rock Instability and Seismicity Research , N ortheastern University ; 2 . S hi rengou I ron Mine , Mining Co. , L t d of Tang S teel) Abstract   The determination of the thickness of boundary pillar under open2pit bottom is extremely important for the safe production of underground mining of metallic mines that have shifted from open2pit to underground. Based on the design and geological data of shirengou Iron Mine’s shifting from open2casting to underground mining , model was established using RFPA to study the stress and deformation of open2pit boundary pillars during under2 WWW.KY114.CN ground excavation and analyse their stability , verifying and complementing the designed pillar thickness and provi2 ding the basis and guidance for mine design and construction. Keywords   Boundary pillar , Transition from open pit to underground , Stability   露 天 转 地 下 开 采 方 案 很 多 ,境 界 矿 柱 留 设 与 否 , 为 北 区 。 经 过 近 30 年 的 开 采 ,其 露 天 部 分 即 将 结 束 。 矿 区 在 20 线 和 25 线 附 近 分 别 有 F 、和 F18 两 主 要 根 据 露 天 开 采 现 状 与 地 表 情 况 ,地 下 采 矿 方 法 、 8 [ 1 ] 。 留 设 境 界 矿 柱 可 以 在 露 回 采 技 术 等 要 求 来 确 定 个 大 的 断 层 出 露 。 南 区 和 中 区 露 天 开 采 已 经 结 束 , 作 为 矿 山 内 部 排 土 场 ,露 天 坑 底 的 标 高 范 围 为 0~ + 25 m ,排 土 场 最 高 标 高 为 + 140 m。 北 区 露 天 部 分 作 为 大 型 机 械 开 采 已 经 结 束 ,目 前 进 行 残 矿 回 收 。 石 人 沟 铁 矿 从 2000 年 开 始 着 手 进 行 露 天 转 地 下 开 采 设 计 及 施 工 工 作 。 地 下 工 程 建 设 分 两 期 进 行 ,并 将 地 下 部 分 以 16 线 为 界 划 分 为 南 北 两 个 区 , 天 底 板 不 受 破 坏 的 情 况 下 进 行 地 下 开 采 ,在 一 定 时 期 内 保 证 露 天 和 地 下 开 采 同 时 进 行 ,稳 定 矿 山 生 产 。 但 境 界 矿 柱 留 设 也 会 影 响 地 下 开 采 的 安 全 ,如 果 境 界 矿 柱 留 的 过 薄 ,易 造 成 境 界 矿 柱 突 然 间 崩 落 ,会 对 地 下 采 空 区 产 生 强 动 力 空 气 冲 击 ,对 井 下 设 施 及 人 员 有 很 大 危 害 ,甚 至 可 使 矿 井 报 废 。 境 界 矿 柱 如 留 的 过 厚 又 会 造 成 矿 产 资 源 的 浪 费 ,矿 柱 回 采 率 低 (目 前 在 国 内 只 有 40 %左 右 ,甚 至 更 少 ) ,贫 化 率 大 。 因 此 ,境 界 矿 柱 厚 度 的 确 定 是 一 项 非 常 重 要 而 又 复 杂 一 期 工 程 ( 南 区 ) 从 2001 年 7 月 开 始 ,地 下 开 采 设 计 60 万 t/ a ,二 期 工 程 ( 北 区 ) 从 2003 年 11 月 开 始 ,地 下 开 采 设 计 70 万 t ,设 计 地 下 开 采 规 模 合 计 130 万 t 。 一 期 工 程 为 中 央 竖 井 开 拓 ,共 建 设 3 个 井 ,主 、付 井 ( 两 个 井 口 相 距 77. 7 m , 井 口 标 高 分 别 为 [ 1~ 2] 的 科 研 课 题 工 程 概 况 唐 钢 矿 业 公 司 石 人 沟 铁 矿 是 1975 年 7 月 建 成 。 1 + 94. 9 m和 + 99 m ,井 深 分 别 为 274. 9 m 和 291 m) 投 产 的 露 天 铁 矿 山 ,是 唐 钢 的 主 要 原 料 供 应 单 位 。 其 露 天 开 采 境 界 南 北 长 2. 8 km ,由 南 向 北 分 为 3 个 采 区 ,28~ 18 线 为 南 区 ,18~ 8 线 为 中 区 ,8 线 以 北 分 28 分 南 世 卿 (1958 - ) ,男 ,东 北 大 学 岩 石 破 裂 与 失 稳 研 究 中 心 ,在 职 博 士 ,唐 钢 石 人 沟 铁 矿 副 矿 长 ,教 授 级 高 级 工 程 师 ,联 系 地 址 :064200 河 北 省 遵 化 县 唐 钢 石 人 沟 铁 矿 。 生   南 世 卿 等 :断 层 影 响 下 境 界 矿 柱 稳 定 性 数 值 分 析 2005 年 第 3 期 在 16~ 18 线 之 间 ,风 井 在 28 线 以 南 、30 线 附 近 。 在 0 m 水 平 开 凿 通 风 巷 , - 6 m 为 矿 柱 的 下 边 界 ,0 m 为 矿 柱 的 上 边 界 ,境 界 矿 柱 从 0 m 向 上 至 露 天 坑 底 。 首 采 区 在 南 区 16~ 30 线 - 60 m 中 段 ,矿 体 走 向 长 1 400 m ,平 均 厚 度 9. 7 m。 矿 块 布 置 从 16 线 向 南 沿 矿 体 走 向 布 置 ,每 50 m 作 为 一 个 矿 房 ,矿 块 尺 寸 为 50 m 总 60 m。 采 用 浅 孔 留 矿 法 进 行 采 矿 。 为 了 保 证 在 露 天 转 地 下 开 采 过 程 中 ,防 止 境 界 矿 柱 发 生 突 冒 ,运 用 RFPA 进 行 建 模 ,研 究 了 地 下 开 采 对 露 天 境 界 矿 柱 受 力 和 变 形 情 况 ,分 析 了 境 界 矿 柱 的 稳 定 性 ,针 对 断 层 影 响 比 较 严 重 的 20 线 和 图 225 断 面 岩 体 弹 性 模 量 分 布 表 1 石 人 沟 铁 矿 矿 岩 物 理 力 学 性 质 参 数 抗 剪 参 数 抗 压 强 度 内 聚 力 内 摩 变 形 参 数 块 体 密 度 岩 石 名 称 弹 性 模 量 泊 松 比 (g 分 cm - 3)/ MPa C 擦 角 / MPa φ / (安) / 104 MPa / M1 矿 体 M2 矿 体 3. 00 3. 00 2. 71 2. 00 2. 00 10. 00 2. 20 38. 00 4. 80 13. 00 2. 40 38. 00 4. 80 0. 21 0. 21 0. 22 0. 32 0. 30 2 5 线 的 剖 面 境 界 矿 柱 的 稳 定 性 进 行 了 数 值 计 算 分 析 。 RFPA 简 介 RFPA 是 东 北 大 学 岩 石 破 裂 与 失 稳 研 究 中 心 自 角 闪 斜 长 片 麻 岩 回 填 土 9. 00 0. 2 1. 5 36. 00 4. 31 2 0. 01 32. 00 0. 10 0. 22 31. 00 0. 20 断 层 0. 8 主 开 发 和 研 制 的 基 于 模 拟 岩 石 渐 进 破 坏 的 数 值 模 拟 程 序 。 为 了 反 映 岩 石 材 料 性 质 的 细 观 非 均 匀 性 ,程 序 中 把 岩 石 材 料 看 作 是 由 大 小 相 同 的 四 边 形 单 元 组 成 ,假 定 其 材 料 性 质 满 足 Weibull 分 布 。 同 时 ,这 些 组 成 材 料 的 单 元 也 作 为 有 限 元 分 析 的 单 元 ,当 其 应 力 状 态 满 足 最 大 拉 应 力 准 则 和 摩 尔 库 仑 准 则 时 单 元 5   计 算 结 果 及 分 析 通 过 对 最 危 险 的 20 断 面 和 25 断 面 建 立 模 型 并 进 行 计 算 ,得 到 了 这 2 个 断 面 的 剪 应 力 图 、声 发 射 图 ,弹 模 变 化 图 以 及 破 坏 情 况 图 。 其 中 剪 应 力 图 中 亮 度 越 高 ,应 力 越 集 中 。 通 过 对 这 些 图 的 分 析 ,选 取 合 理 的 回 采 方 案 。 见 图 3a~ 3b 所 示 WWW.K 14.CN 开 始 损 伤 ,满 足 弹 性 损 伤 的 本 构 关 系 。 在 考 虑 材 料 Y120 断 面 ( ) ,表 明 顶 柱 较 为 稳 力 学 性 质 非 均 匀 性 的 前 提 下 ,用 细 观 上 简 单 的 本 构 定 ,没 有 在 顶 柱 局 部 和 矿 岩 的 不 整 合 面 发 生 屈 服 破 模 型 研 究 材 料 在 宏 观 层 次 上 复 杂 的 破 坏 过 程 。 坏 ,破 坏 区 没 有 和 露 天 坑 底 的 破 坏 区 相 互 贯 通 ,稳 定 计 算 模 型 及 方 案 2 性 较 好 ,顶 板 不 会 发 生 突 冒 灾 害 。 M 矿 体 上 盘 围 3 以 整 个 矿 山 中 最 危 险 的 20 和 25 断 面 为 基 本 模 岩 以 及 孔 区 的 间 柱 破 坏 区 面 积 较 大 ,必 须 加 强 支 护 。 型 进 行 模 拟 。 模 型 包 括 回 填 物 、围 岩 、矿 体 、断 层 。 模 型 宽 350 m ,高 220 m ,境 界 矿 柱 底 预 留 在 标 高 为 - 6 m 的 位 置 ,按 每 步 18 m 高 度 开 挖 ,只 考 虑 上 覆 岩 体 自 重 应 力 场 。 着 重 研 究 开 挖 过 程 中 硐 室 围 岩 和 顶 柱 的 受 力 、变 形 及 破 坏 情 况 。 模 型 示 意 如 图 1 和 图 2 所 示 。 图 1 20 断 面 岩 体 弹 性 模 量 分 布 4 矿 岩 物 理 力 学 性 质 试 验 与 确 定 东 北 大 学 岩 石 力 学 试 验 室 在 石 人 沟 铁 矿 现 场 进 图 3 20 断 面 剪 应 力 场 和 破 坏 区 分 布 a - 第 3 步 开 挖 ;b - 断 面 岩 体 破 坏 声 发 射 分 布 行 了 取 样 ,经 过 试 验 与 分 析 计 算 ,确 定 石 人 沟 铁 矿 的 矿 岩 物 理 力 学 性 质 参 数 如 表 1。 25 断 面 ( 见 图 4a~ 4c 所 示 ) ,由 于 空 区 截 穿 断 分 29 分 总 第 345 期 金 属 矿 山 2005 年 第 3 期 层 带 ,所 以 引 起 断 层 破 坏 ,并 引 发 顶 柱 破 坏 ,形 成 顶 柱 冒 落 。 考 虑 矿 岩 长 期 强 度 后 的 计 算 所 得 的 塑 性 区 、垂 直 位 移 和 应 力 向 量 场 分 布 图 。 由 于 断 层 的 存 在 ,采 空 区 与 断 层 相 邻 , 开 采 引 起 断 层 的 破 坏 ,造 成 沿 断 层 带 的 冒 落 ,进 而 引 发 顶 板 冒 落 。 坏 区 没 有 和 露 天 坑 底 的 破 坏 区 相 互 贯 通 ,顶 板 不 会 发 生 突 冒 灾 害 。 M2 矿 体 上 盘 围 岩 以 及 孔 区 的 间 柱 破 坏 区 面 积 较 大 ,必 须 加 强 支 护 。 ② 25 断 面 由 于 空 区 截 穿 断 层 带 ,所 以 引 起 断 层 破 坏 ,并 引 发 顶 柱 破 坏 ,形 成 顶 柱 冒 落 。 考 虑 矿 岩 长 期 强 度 后 计 算 所 得 的 塑 性 区 、垂 直 位 移 和 应 力 向 量 场 分 布 图 。 顶 柱 比 间 柱 的 支 撑 作 用 更 大 ,间 柱 变 薄 和 即 使 不 考 虑 间 柱 的 作 用 ,能 够 确 保 顶 柱 围 岩 稳 定 ,但 是 不 能 确 保 顶 柱 的 长 期 稳 定 ;顶 柱 厚 度 减 小 2 m ,基 本 上 还 能 保 证 所 有 断 面 顶 柱 围 岩 稳 定 ,但 顶 柱 处 于 极 限 稳 定 状 态 ;只 有 按 照 设 计 提 出 的 境 界 顶 柱 0 m 水 平 位 置 ,同 时 考 虑 8 m 间 柱 的 支 撑 作 用 ,能 够 确 保 20 断 面 和 25 断 面 顶 柱 围 岩 的 长 期 稳 定 ,目 前 此 方 案 正 应 用 于 石 人 沟 铁 矿 开 采 设 计 。 参 考 文 献 1 2 徐 长 佑 . 露 天 转 地 下 开 采 1 武 汉 : 武 汉 工 业 大 学 出 版 社 ,1989 李 鼎 权 . 论 露 天 转 地 下 开 采 的 若 干 特 点 . 金 属 矿 山 ,1994 (2) :9 ~ 12 3 4   唐 春 安 1 岩 石 破 裂 过 程 声 发 射 规 律 的 数 值 模 拟 初 探 1 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ,1997 , 16(4) :368~ 374 王 泳 嘉 ,邢 纪 波 1 离 散 单 元 法 同 拉 格 朗 日 元 法 及 其 在 岩 土 力 学 中 的 应 用 1 岩 土 力 学 ,1995 (6) :1~ 14 WWW.KY114.CN 5 杨 天 鸿 ,唐 春 安 ,郑 雨 天 ,等 . FLAC 程 序 在 抚 顺 西 露 天 矿 边 坡 变 形 治 理 工 程 中 的 应 用 . 地 质 灾 害 与 环 境 保 护 ,1999 ,10 (3) :6~ 1 1 6 蔡 美 峰 ,何 满 朝 ,刘 东 燕 1 岩 石 力 学 与 工 程 1 北 京 :科 学 出 版 社 , 002 钱 鸣 高 ,刘 听 成 主 编 1 矿 山 压 力 及 其 控 制 1 北 京 :煤 炭 工 业 出 版 ,1992 图 4 25 断 面 剪 应 力 场 和 破 坏 区 分 布 a - 第 4 步 开 挖 ;b - 断 面 岩 体 破 坏 声 发 射 分 布 ; c - 断 面 岩 体 弹 性 模 量 分 布 2 7 社 6 结 论 计 算 结 果 表 明 : ① 20 断 面 顶 柱 稳 定 性 较 好 ,破 ( 收 稿 日 期 2004212215) ( 上 接 第 27 页 ) F 剖 面 边 坡 垂 直 高 度 为 336 m ,台 阶 倾 角 35安 , 总 体 边 坡 角 30安 ,组 成 未 来 终 了 边 坡 的 岩 层 主 要 为 不 事 先 假 定 滑 动 面 形 状 而 自 动 寻 找 最 危 险 滑 动 面 的 难 题 ,本 文 把 简 化 简 布 法 与 萨 尔 玛 法 应 用 于 临 界 滑 动 场 法 ,处 理 了 岩 体 中 的 软 弱 结 构 面 ,很 好 地 搜 索 出 危 险 滑 动 面 并 计 算 出 安 全 系 数 ,其 计 算 结 果 与 经 典 极 限 平 衡 法 计 算 结 果 非 常 接 近 。 4 1 1 - 3 P 、P 1 、O1d 。 根 据 临 界 滑 动 场 计 算 结 果 ,F 剖 面 在 坡 顶 顺 着 软 弱 面 滑 动 ,在 坡 底 主 要 剪 切 岩 体 发 生 破 坏 ,并 把 和 经 典 极 限 平 衡 法 计 算 结 果 进 行 比 较 如 下 参 考 文 献 ( 表 2) 。 表 2 边 坡 最 小 安 全 系 数 计 算 结 果 临 界 滑 动 场 经 典 极 限 平 衡 1   朱 大 勇 ,姜 弘 道 1 边 坡 临 界 滑 动 场 方 法 与 应 用 ( Ⅱ ) - 数 值 模 拟 1 水 利 水 电 科 技 进 展 ,1999 (6) :66~ 72 计 算 方 法 Janbu 法 1. 240 Sarma 法 余 推 力 法 1. 25 Sarma 法 1. 27 2   朱 大 勇 ,姜 弘 道 1 边 坡 临 界 滑 动 场 方 法 与 应 用 ( Ⅱ ) - 数 值 模 拟 1 水 利 水 电 科 技 进 展 ,2000 (8) :65~ 68 Kc = 0. 025 Kc = 0. 04 1. 284 1. 225 1. 183 1. 20 1. 21 3   钱 家 欢 ,殷 宗 泽 1 土 工 原 理 及 计 算 (第 二 版 )1 北 京 :中 国 水 利 水 电 出 版 社 ,1996 3 结 论 ( 收 稿 日 期 2004212215) 临 界 滑 动 场 能 很 好 地 解 决 极 限 平 衡 分 析 方 法 中 分 30 分
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