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青龙沟金矿露天转地下采场稳定性分析及控制
2020-05-11
以青龙沟金矿露天转地下采矿为工程背景,采用测线法对研究区域矿岩进行工程地质调查,获取矿 岩结构面信息,并结合室内岩石力学实验,进行岩体质量分级和岩体力学参数估算。采用 Mathews 稳定性图法,分 别计算出在未支护情况下,采场顶板、上盘和下盘保持稳定的最大长度分别为 52.5 m、35.84 m 和 12.11 m。综合考 虑现场工程地质与施工条件,确定采场的最大可能暴露长度 34 m。应用 FLAC3D 对所确定的采场结构参数进行数 值模拟,数值模拟结果表明在采场下盘出现较大范围的塑性破坏,这与稳定图法分析结果相一致。运用经验图表 法进行采场锚索支护设计,提出了采场下盘锚索支护结构参数。通...
Series No. 526 April 2020 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 526 期 2020 年第 4 期 青龙沟金矿露天转地下采场稳定性分析及控制 赵兴东1 李怀宾1 张姝婧1 杨晓明1 张天航21 1. 东北大学采矿地压与控制研究中心,辽宁 沈阳 110819;2. 青海大柴旦矿业有限公司,青海 海西 816201) ( 摘 要 以青龙沟金矿露天转地下采矿为工程背景,采用测线法对研究区域矿岩进行工程地质调查,获取矿 岩结构面信息,并结合室内岩石力学实验,进行岩体质量分级和岩体力学参数估算。采用 Mathews 稳定性图法,分 别计算出在未支护情况下,采场顶板、上盘和下盘保持稳定的最大长度分别为 52.5 m、35.84 m 和 12.11 m。综合考 虑现场工程地质与施工条件,确定采场的最大可能暴露长度 34 m。应用 FLAC3D 对所确定的采场结构参数进行数 值模拟,数值模拟结果表明在采场下盘出现较大范围的塑性破坏,这与稳定图法分析结果相一致。运用经验图表 法进行采场锚索支护设计,提出了采场下盘锚索支护结构参数。通过对锚索支护采场进行数值分析结果表明,当 在矿体下盘采用锚索支护后,支护后下盘围岩的最大水平位移以及塑性区范围均显著减小,设计的锚索支护参数 能够确保下盘稳定。该研究为类似矿山采场结构参数确定及其支护形式选择提供参考。 关键词 Mathews稳定性图 数值模拟 锚索支护 水平位移 塑性区 中图分类号 TD853 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2020)-04-010-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.202004002 Analyzing and Controlling the Stope Stability from Open-Pit to Underground Mining in Qinglonggou Gold Mine Zhao(Xingdong Li Huaibin Zhang Shujing Yang Xiaoming Zhang Tianhang22 1 1 1 1 1. Geomechanics Research Center,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2 . Qinghai Dachaidan Mining Co. Ltd.,Haixi 816201,China) Abstract Taking the underground mining transferred from open-pit in Qinglonggou gold mine as the engineering back⁃ ground,the scan-line survey method is employed to make engineering geological investigation and obtain the discontinuity in⁃ formation,and rock mechanics testing in laboratory were carried out to classify the rock mass and estimate their properties ac⁃ cordingly. The Mathews stability graph method is adopted to calculate that the maximum unsupported lengths of roof,hanging⁃ wall and footwall are 52.5 m,35.84 m and 12.11 m respectively. The maximum possible exposure length of the stope is set to 3 4 m by considering the geological and underground mining conditions. A FLAC3D software was employed to make numerical simulation on the stope structural parameters. The simulation results show that there was a large range of plastic failure at the footwall,which is consistent with that of the stability graph method. The cable bolt support scheme of footwall was put forward by using the empirical method to determine the support parameters of the stope. The numerical analysis on the cable bolt sup⁃ port of the stope showed that the the maximum horizontal displacement and the range of plastic zone in the footwall decreased significantly after installing the cable bolt support system. The designed support scheme can ensure the stability of the foot⁃ wall. This research provides a reference for determining the stope structural parameters and selecting the support pattern in similar mines. Keywords Mathews stability graph,Numerical simulation,Cable bolt support,Horizontal displacement,Plastic zone 随着露天矿山开采深度的不断增加,露天开采 变得越来越不适合矿山生产的要求,必须适时转成 地下开采。近年来,露天转地下开采的矿山逐渐增 多,例如国内的首钢密云铁矿、承钢黑山铁矿、铜山 铜矿、凤凰山铜矿和广西大新锰矿等;国外主要有南 非的科菲丰坦金刚石矿、澳大利亚的蒙特莱尔铜矿 基收金稿项日期目 国201家9-重1点0-研25发计划项目(编号:2016YFC0600803,2018YFC0604604,2018YFC0604401),NSFC-山东联合基金项目(编号:U1806208)。 作者简介 赵兴东(1975—),男,教授,博士研究生导师。 · 10 · 赵兴东等:青龙沟金矿露天转地下采场稳定性分析及控制 2020年第4期 [1] 和加拿大的 Kidd-Creek 铜矿等 。露天转地下其中 一个突出的问题就是如何确保采场的稳定性,这是 [2-3] 地下矿山实现安全、高效开采的重要影响因素 。 地下采场的稳定性主要取决于采场围岩体工程属 性、采动应力、采场形状因子等。对于采场稳定性的 分析主要有经验法、理论解析法、数值模拟法以及现 [ 4] 场监测法等,例如:Choon等 采用稳定性图表评估地 5] 为块状构造,中元古代地层为薄~中厚层状构造。 青龙沟金矿主矿体(M2)位于 16250N~16550N勘探线 间,形态呈北东倾的简单板状,向深部延伸时开始出 现分支,倾向和走向上具有较好的稳定连续性。矿 体上盘为条带状大理岩,下盘为白云质大理岩,矿体 为蚀变的变质砂岩。矿化区域厚度一般从数米至二 十多米,厚度变化较大,矿体呈似层状和透镜状,倾 向 NE,走向 157°,倾角 60~90°,平均 78°左右,矿体平 均厚度约 10 m,矿体走向长 675 m,倾向最大延深 174 m。 [ 下采场的稳定性;Kurlenya 等 运用模型试验法对采 [6] 场的稳定性进行研究;赵国彦等 运用模糊—理想点 [7] 法,对海下采场顶板的稳定性进行分析;Grenon 等 通过现场调查数据生成 3D 含节理模型,采用数值分 析方法分析采场的稳定。 在上述研究成果的基础之上,本项目以青龙沟 采区北矿段露天转地下开采为研究对象,采用稳定 性图法和数值分析方法,确定采场稳定性,据此提出 相应的采场下盘锚索支护参数,为矿山安全高效开 采矿体提供理论依据。 根据青龙沟采区北矿段 M2 矿体的赋存特点,采 用长矿房干式充填采矿方法进行开采(见图 2),采 场高度设计为 20 m,采用中深孔连续爆破后退式落 矿,对出矿形成的空区进行连续干式充填。该采矿 方法的优点是连续爆破落矿、出矿和连续充填空区。 理论上,该采矿方法没有采场长度限制,这将大大减 少切割天井数量,具有达产快、循环时间短,便于机 械化施工,提高了劳动生产率,能够获得较好的经济 效益。 1 现场工程地质 大柴旦矿业有限公司青龙沟采区北矿段上部为 露天开采,目前,露天开采已经结束,转为地下开采。 青龙沟采区北矿段共探明 4 条矿体,其中 M2 矿体规 模较大,图1为青龙沟采区三维地质模型。 青龙沟采区北矿段位于青龙沟复向斜的东南 段,矿区内褶皱构造和断裂较发育 ,总体走向为 NNW~SSE,与区域主构造方向一致,矿区侵入岩主要 利用测线法对青龙沟采区北矿段矿岩进行结构 面调查分析,其分布情况见表 1。根据岩石力学实验 和现场节理调查结构,采用 Q、RMR 和 GSI 分级方法 对矿岩质量进行评价(表 2),利用经验公式获得矿岩 [8] 力学参数 (表3)。 2 采场稳定性分析及支护设计 采用稳定性图法和数值模拟法对采场稳定性进 行分析,并提出合适的锚索支护方案。 . 1 采场稳定性分析 980 年 Mathews 等人基于 50 个工程实例提出 2 1 Mathews 稳定性图,是一种评估采场稳定性的经验设 计工具,适用于埋藏 1 000 m 以内的采矿设计。由于 初始的假设所依据的数据量较少。1980 年以后,Pot⁃ · 11 · 总第526期 金 属 矿 山 2020年第4期 vin、Stewart 和 Trueman 等人从不同的开采深度(大部 分小于 1 000 m)收集了大量新的数据,对该方法进行 [9-11] 了验证,并不断对其进行修正 。 Mathews 稳定性图法主要以稳定性指数 N′和水 力半径 R 计算为基础,其中,稳定性指数 N′代表岩体 在给定应力条件下维持采场稳定的能力,水力半径 R 反应了采场的尺寸和形状。 [12] 采场稳定性指数 N′ 定义为 N′= Q′×A×B×C, 由图 3 和表 5 可知,未支护采场顶板、上下盘保 (1) 持稳定的长度分别为 52.5 m、35.84 m 和 12.11 m,其 中,下盘不支护下稳定长度较短,不能满足矿山生产 需求。因此,采场下盘需要进行锚索支护,其中水力 半径取支护稳定区的下限;当采场下盘支护后,允许 暴露的采场下盘走向长度为 37.4 m。青龙沟采区北 矿段采场高 20 m,充填废石的自然安息角约 40°,充 填废石至采场未爆破段的水平距离为 23.8 m。最终 确定,锚索支护采场后采场下盘的最大可能暴露距 离为34 m。 式中,Q′为修正后的岩体质量系数;A 为岩石应力系 数,由完整岩石单轴抗压强度 σc 与采场最大主应力 σ1 的比值确定,参照文献[10]进行求解;B 为节理方 位修正系数,其值由采场面倾角与主要节理组的倾 角之差来度量,参照文献[11]进行求解;C 为设计采 场暴露面的重力调整系数,反映重力对采场岩体稳 定性的影响,参照文献[12]进行求解。青龙沟金矿 稳定性系数N′计算值见表4。 2 . 2 采场下盘锚杆支护设计 Hutchinson 和 Diederichs 根据楔形块拱(梁)理 [13] 论计算锚索的间距,锚索使岩体成为具有自承能力 的拱或梁,抵抗岩体弯曲变形,提出了以稳定性指数 N′为纵坐标和水力半径 R 为横坐标的等面积模式的 锚索设计间距图表(图 4(a));通过对顶板加固拱、梁 的稳定性分析以及上覆岩层自重的计算,当锚索的 锚固长度超出破坏区域 2 m 时,能够确保破坏区域的 稳定。如果进一步增加锚索的长度,亦不能提高锚 索的支护效果。因此,常规锚索设计长度见图 4(b)。 具体锚索支护参数见表 6。 采场水力半径R可以通过下式进行计算: R=a/l, (2) 式中,a 为待分析采场的顶帮或者采空面的横截面 积;l为待分析采场顶帮或者采空面的周长。 将表 4 中计算得到的稳定性系数 N′值绘制到 Mathews 稳定性图中(图 3),已知采场跨度和高度分 别为 10 m 和 20 m;根据稳定性图得出未支护采场和 支护时保持稳定的水力半径值以及对应的采场走向 长度,列于表5。 由于青龙沟金矿没有锚索支护的经验,基于安全 考虑,锚索网度取2.0 m×2.0 m,结合其他矿山锚索支 护经验、现场设备条件,锚索长度取8 m。锚索支护示 意图见图 5。试验采场长锚索直径为 ϕ17.8 mm 的钢 · 12 · 赵兴东等:青龙沟金矿露天转地下采场稳定性分析及控制 2020年第4期 3 . 1 数值模型建立 本研究综合 3Dmine、MIDAS/GTS 和 FLAC3D 在 建模、网格划分和计算分析等方面的优越性,建立了 数值计算模型。数值模型尺寸:X 方向长 800 m,Y 方 向长 1 400 m,Z 方向平均高度 900 m(地表起伏无确 定值),共有 228 684 个节点,1 355 319 个单元体,如 图 6所示。模型边界采用位移约束,模型四周限制水 平方向的位移,模型底边界限制 X、Y 和 Z 方向的位 移,模型上部边界设置成自由面,采用 Mohr-Coulomb 强度准则。 绞线,抗拉强度为 1 860 MPa;锚索孔深 8.5 m,孔径 # 3. 2 数值模拟结果与分析 ϕ56 mm。采用普通425 硅酸盐水泥,水灰比0.4∶1,水 计算采场围岩的位移和塑性区分布见图 7和图 8 所示,并把采场未支护以及支护后下盘围岩最大水 平位移及最大塑性区列于表 8。 泥浆全长锚固,锚索结构单元参数见表 7。锚索安装 形式是方形;下盘支护时,锚索的安装角度与下盘大 约呈30°~40°夹角。 从图 7 可以看出,采场未支护时,下盘最大水平 位移为 19.3 mm,变形较小,而采场下盘塑性区范围 较大,说明采场存在稳定性问题,数值计算与经验法 预测的结果一致。 从图 8 可以看出,采场下盘采用长锚索支护后, 下盘的最大水平位移以及塑性区范围均显著减小, 最大水平位移由 19.3 mm 减小为 11.6 mm,塑性区由 3.5 m 减小为 1.5 m。数值模拟结果表明,锚索支护能 够确保采场下盘岩体稳定。 3 数值模拟分析 为了验证经验图表法设计采场结构参数的准确 性,运用 FLAC3D软件对采场支护前后围岩的位移和 塑性区进行对比分析,特别是锚索支护前后采场下 盘的水平位移和塑性区变化情况。 4 结 论 通过对青龙沟金矿北段进行详实的工程地质调 · 13 · 总第526期 金 属 矿 山 2020年第4期 [ 4] Sunwoo C,Rao Karanam U M. Stability assessment in wide under⁃ 查、岩石力学实验、岩体质量分级、岩体力学参数计 算,采用稳定性图法和数值分析法,对青龙沟采区北 矿段采场结构参数进行分析,得出以下结论: ground mine openings by Mathews' stability graph method[J]. Tun⁃ nelling and Underground Space Technology,2006,21(3-4):246. [ 5] Kurlenya M V,Baryshnikov V D,Gakhova L N. Experimental and analytical method for assessing stability of stopes[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2012,48(4): (1)运用 Mathews 稳定性图,计算得出在未支护 的情况下,采场顶板、上盘和下盘保持稳定的最大长 度分别为 52.5 m、35.84 m 和 12.11 m,其中,下盘不支 护保持稳定的长度较短,不能满足矿山生产的需求。 综合考虑现场地质及施工条件,确定采场的最大可 能暴露长度 34 m,数值模拟结果表明采场下盘出现 较大范围的塑性破坏,二者结果相一致。 6 09-615. [ 6] 赵国彦,王 江,王 珊,等 . 基于模糊-理想点法的海下采场顶 板稳定性分析[J].中国安全科学学报,2012,22(4): 64-70. Zhao Guoyan,Wang Jiang,Wang Shan,et al. Analysis of stability of undersea stope roof based on fuzzy-ideal point method[J].China Safety Science Journal,2012,22(4): 64-70. (2)运用锚索支护图法,确定采场下盘的支护参 [ 7] Grenon M,Hadjigeorgiou J.Open stope stability using 3D joint net⁃ 数为:网度 2.0 m×2.0 m,锚索长度 8 m。通过数值计 算验证得出,下盘采用锚索支护后水平位移和塑性 区范围都明显减小。 works[J].Rock Mechanics & Rock Engineering,2003,36(3):183- 2 08. [ 8] Hoek E,Brown E T.Practical estimates of rock mass strength[J].In⁃ ternational Journal of Rock Mechanics of Mining Science,1998, 34(8): 1165-1186. 参 考 文 献 [ 9] Mawdesley C,Trueman R,Whiten W J.Extending the Mathews sta⁃ bility graph for open -stope design[J]. Mining Technology,2001, [ 1] 彭 涛 . 露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究[D]. 武汉: 武汉理工大学,2003. 1 10(1): 27-39. Peng Tao. Study to Influence on the Stability of Mine Rock in the Transition from Surface Mining to Underground Mining[D]. Wu⁃ han:Wuhan University of Technology,2003. [ 10] Potvin Y.Empirical Open Stope Design in Canada[D].Vancouver: University of British Columbia,1988. [ 11] Stewart S B V,Forsyth W W. The Mathew's method for open stope design[J].CIM bulletin,1995,88:45-53. [2] Heidarzadeh S,Saeidi A,Rouleau A. 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