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露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究
2015-10-12
境界顶柱是露天开采和地下开采有序进行的保证,其合理的厚度对露天转地下具有重要意 义。为确定 新桥矿露天转地下境界顶柱安全厚度,运用厚跨比法、荷载传递线交汇法和结构力学方法对境界顶 柱安全厚度进行 理论分析与计算,并用ANSYS 对不同跨度和不同境界顶柱厚度进行数值模拟。通过对理论计算和数 值模拟结果的分 析,得到了不同采空区跨度下的境界顶柱安全厚度。根据分析结果可以有效地确定矿山的境界顶柱 厚度,为露天转 地下安全生产提供可靠的指导。根据矿山30 m 的实际开采跨度,推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度 为24 m。
Series No. 472 ꢀ Octoberꢀ 2015 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 472期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 2015 年第 10 期 露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究 1 2 2 刘恒亮 ꢀ 张钦礼 ꢀ 卞继伟 ( 1. 铜陵化工集团新桥矿业有限公司,安徽 铜陵 244132;2. 中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083) 摘ꢀ 要ꢀ 境界顶柱是露天开采和地下开采有序进行的保证,其合理的厚度对露天转地下具有重要意义。 为确定 新桥矿露天转地下境界顶柱安全厚度,运用厚跨比法、荷载传递线交汇法和结构力学方法对境界顶柱安全厚度进行 理论分析与计算,并用 ANSYS 对不同跨度和不同境界顶柱厚度进行数值模拟。 通过对理论计算和数值模拟结果的分 析,得到了不同采空区跨度下的境界顶柱安全厚度。 根据分析结果可以有效地确定矿山的境界顶柱厚度,为露天转 地下安全生产提供可靠的指导。 根据矿山 30 m 的实际开采跨度,推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度为 24 m。 关键词ꢀ 露天转地下ꢀ 境界顶柱ꢀ 理论计算ꢀ 数值模拟 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD853ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2015)-10-041-05 Research on Safety Thickness of Boundary Pillar during the Transition from Open Pit to Underground Mining 1 2 2 Liu Hengliang ꢀ Zhang Qinli ꢀ Bian Jiwei ( 1. TCIGCL Xinqiao Mining Co. ,Ltd. ,Tongling 244132,China; 2 . School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China) Abstractꢀ Boundary pillar is an guarantee for ensuring the safety of underground mining and open pit and the stability of open pit slope,and the reasonable thickness of boundary pillar is essential to realize the transition from open pit to under- ground. To determine the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine,such measure as ratio of span and thickness e- quation,load transfer method and structural mechanics method,are adopted to calculate and analyze the safety thickness of boundary pillar. Numerical simulation on different spans and different boundary pillar thickness is carried out by ANSYS. By analyzing the theoretical calculations and numerical simulation results,the safety depth of boundary pillar under different goaf span is obtained. The results can effectively determine the thickness of boundary pillar of mine design,and have important im- plications for guiding safety production in transition from open pit to underground mining. Based on the actual mining span (30 m) in the mine,the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine is recommended as 24 m. Keywordsꢀ Transition from open pit to underground mining,Boundary pillar,Theoretical calculation,Numerical simula- tion ꢀ ꢀ 随着露天矿开采深度的逐步增加,其开采难度越 会引起境界顶柱的冒落,甚至坍塌,会给矿山生产带 来不可估量的损失,因此,境界顶柱必须能保证人员、 设备和材料的安全性;如果境界顶柱过厚,虽然能保 [ 1-2] 来越大,露天开采越来越不能满足生产的要求 ,许 多矿山实现了从露天开采到地下开采的过渡,如铜官 山铁矿、石人沟铁矿、大宝山铜铁、首钢大石河铁矿 等。 在露天开采转为地下开采的过程中,面临选择合 理的采矿方法,保证露天边坡的稳定,确定合理的境 界顶柱等诸多问题,其中合理的境界顶柱可以有效地 [ 4-6] 证地下开采的安全性,但是会浪费大量的资源 。 因此,合理的境界顶柱厚度是露天转地下开采过程中 亟待解决的问题。 为了确定境界顶柱的安全厚度,很多专家运用不 [ 3] [7] 保证露天转地下开采的安全性 。 露天生产均为大 型设备和大孔径爆破,如果境界顶柱过薄,爆破作用 加之重型设备反复碾压会削弱境界顶柱稳定性,可能 同的方法进行了许多研究。 如陆广等 运用二维有 限元软件 Phase2D 进行数值模拟,确定露天转地下开 [ 8] 采隔层的厚度;周科平等 通过建立未确知测度模 收稿日期ꢀ 2015-06-22 作者简介ꢀ 刘恒亮(1964—),男,高级工程师。 · 41· 总第 472 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 [ 9] 型对境 界 顶 柱 安 全 进 行 评 价; 马 田 辉 等 运 用 MSC. PATRAN 和 MSC. NASTRAN 构建模型,得出合 理的境界顶柱厚度。 本研究以新桥矿业有限公司 H = 0. 5, (2) (3) KB 2 2 × γB + γ B + 8σ许 q , KB H = 4 ( 下称“新桥矿”) 露天转地下开采工程为对象,釆用 σ许 理论分析和数值模拟相结合的方法,以实现预留境界 顶柱的优化。 式中,H 为境界顶柱厚度,m;B 为采空区跨度,m;β 为荷载传递线与顶板中心竖直线之间的夹角,(°), 取 β =35°;γ 为境界顶柱岩石容重,γ = 9. 8×3 828 N/ 1 ꢀ 工程概况 3 3 m = 37. 5 kN/ m ;σ许 为境界顶柱岩体抗拉强度,取 新桥矿露天开采设计最终境界最低开采水平为 ꢁ 156 m 水平,上盘最终边坡角 43°,下盘最终边坡角 1 310 kPa;q 为附加荷载,q = 0. 98 MPa = 980 kPa;K 为安全系数,取 K =1. 2。 3 9° ~ 41°;露天坑底长度约 900 m,宽度为 25 ~ 65 m, 平均宽度为 50 m。 露天坑底部矿体水平厚度多为 20 m ~ 60 m,只在 20 线 ~ 23 线之间水平厚度达 140 m, 平均水平厚度 37 m;矿体倾角多为 45° ~ 60°,平均倾 角 55°。 新桥露天开采的设计要求,露天坑开采结束 后用松散碎石将露天坑回填至ꢁ108 m 水平。 由于新 桥矿属于大水岩溶矿山,水文地质条件复杂,水对岩 石的弱化作用会严重影响露天边坡和境界顶柱的稳 定性,同时考虑到闭坑之后露天坑回填和境界顶柱隔 水防渗的要求,为使得新桥露天矿顺利转入地下生 产,必须确定境界顶柱的安全厚度。 分别运用以上 3 种方法对不同跨度下的境界顶 柱厚度进行理论计算,其理论计算结果见表 1。 表 1ꢀ 境界顶柱厚度理论计算结果 Table 1ꢀ The boundary pillar thickness from theoretical calculations m 境界顶柱厚度 荷载传递线交汇法 厚跨比法 采空区跨度 结构力学方法 8. 2 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8. 6 6 12. 9 17. 1 21. 4 25. 7 30. 0 34. 3 38. 6 42. 8 47. 1 9 13. 1 12 15 18 21 24 27 30 33 18. 5 24. 5 2 ꢀ 境界顶柱厚度的理论计算 31. 1 影响境界顶柱稳定性的因素有很多,主要包括回 38. 3 采顺序、露天爆破影响、地下水的影响、矿岩的物理力 学性质以及地下采空区的面积等。 境界顶柱厚度的 理论计算目前仍处于探索和完善阶段,国内外学者提 出了许多经验公式,此次选用荷载传递线交汇法、厚 跨比法和结构力学方法进行境界顶柱厚度的理论计 46. 2 54. 7 64. 0 74. 0 3 ꢀ 境界顶柱厚度的数值模拟 在实际运用中,境界顶柱厚度的影响因素主要包 [ 10-11] 算 。 ( 1)荷载传递线交汇法:假定荷载按照 30° ~ 35° 括采空区跨度、矿岩的物理力学参数、回采顺序、岩体 的工程地质和水文地质以及原岩应力状况等。 而理 论计算只考虑了采空区跨度对境界顶柱的影响,其计 扩散角由顶板中心向下传递,此传递线交于顶板与洞 壁的交点以外时,即认为洞壁直接支承顶板上的外载 荷与自重,顶板是安全的。 [ 12-13] 算结果必然与实际情况存在一定的差距 。 为使 ( 2)厚跨比法:当采空区顶板为完整顶板时,顶 计算结果更贴近实际,综合考虑影响境界顶柱的各个 因素,运用 ANSYS 对新桥矿不同跨度下的境界顶柱 厚度进行数值模拟,以保证境界顶柱厚度更为合理。 板的厚度 H 与采空区跨度 B 之比不小于 0. 5 时,认 为采空区是安全的。 ( 3)结构力学方法:假定采空区顶板岩体是一个 3 . 1ꢀ 模型优化 由于矿山实际情况比较复杂,为了方便建模和计 算分析,必须对数值模型进行适当的简化,需作出如 两端固定的平板梁结构,上部岩体自重及其附加载荷 作为上覆岩层载荷,以岩层的抗拉强度作为控制指 标,根据材料力学与结构力学理论,可得到境界顶柱 厚度与采空区跨度之间的关系。 [ 14-15] 下假设 1)考虑到矿山将来露天开采可能开采到ꢁ144 m 水平(按设计边坡角靠帮),模型中的境界顶柱从 144 m 水平往下开始预留。 2)露天转地下开采设计采用上向水平分层充 填采矿法,所以模型中采空区高度取最大控顶高度 。 ( 为确保安全,另行引入安全系数 K,得到在一定 安全条件下的境界顶柱厚度与采空区跨度之间的关 系,3 种计算方法的计算公式分别如下: ꢁ ( KB H = 2tanβ, (1) · 42· ꢀ ꢀ ꢀ 刘恒亮等:露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 6 . 6 m。 ( 3)露天坑底部矿体倾角多为 45° ~ 60°,平均倾 角 55°,模型中矿体倾角取矿体平均倾角 55°。 4)计算区域的表面载荷的大小为其上覆岩体 的重力之和。 ( ( 5)计算模型中不考虑地质构造、地下水、爆破 振动对岩体的影响,同时认为岩体为连续介质,岩体 内部不存在结构面和弱面。 ( 6)为了满足计算需要和保证计算精度,本次模 拟采用的模型尺寸取为空区范围的 3 ~ 5 倍。 3 . 2ꢀ 模型参数确定 矿岩的物理力学参数是数值模拟的基础参数,其 准确性决定了数值模拟结果的准确性。 物理力学参 数是通过在理想条件下的室内岩石力学试验(主要 包括单轴抗压强度试验、抗拉强度试验、单轴压缩变 形试验)测得的,所得数据经 HoekꢁBrown 准则折减 后得到可以用于数值模拟的矿岩和充填体物理力学 参数,如表 2 所示。 表 2ꢀ 矿岩和充填体的物理力学参数 Table 2ꢀ Mechanical parameters of ore rock and backfill 图 1ꢀ 境界拉应力云图 Fig. 1ꢀ Tensile stress cloud imagine of boundary 表 3ꢀ 采空区跨度 25 m 时不同境界顶柱厚度的 最大拉应力及安全系数 弹性 内摩 擦角 / (°) 抗拉 强度 抗压 强度 黏聚力 密ꢀ 度 类 别 模量 泊松比 3 / MPa / (kg/ m ) / GPa / MPa / MPa 围ꢀ 岩 矿ꢀ 体 25 0. 141 1. 06 0. 141 1. 31 42 45 1. 06 1. 31 0. 02 15. 4 16. 9 0. 2 2 700 3 830 1 800 Table 3ꢀ The maximum stress of different boundary pillar thickness in span 25 m 18 充填体 0. 615 0. 30 0. 06 53. 1 境界顶柱厚度 / m 最大拉应力/ MPa 安全系数 1 1 1 1 0 3 5 8 1. 75 1. 35 1. 12 0. 99 0. 87 0. 75 0. 97 1. 17 1. 32 1. 51 3 . 3ꢀ 模拟结果 为了全面研究不同跨度下境界顶柱的安全厚度, 运用 ANSYS 对不同跨度(10 ~ 50 m) 下的境界顶柱 进行数值模拟。 本文仅以 25 m 跨度进行分析:分别 构建采空区高度为 6. 6 m,跨度为 25 m,境界顶柱厚 度为 10、13、15、18、20 m 的采空区模型,对比分析 5 个采空区模型的受力状态及境界顶柱的安全状态。 跨度 25 m 时,不同境界顶柱厚度的拉应力云图如图 20 ꢀ ꢀ 分析图 1 的拉应力云图可知,随着境界顶柱厚度 的增大,拉应力区域逐渐变小;由表 3 可知,随着境界 顶柱厚度的增大,境界顶柱的最大拉应力逐渐变小, 其安全系数逐渐增大。 1 所示。 众所周知,岩石抗拉强度低,格里菲斯准则认为 根据新桥矿露天转地下开采技术条件、采矿方法 和实际情况,按照以上方法和思路,分别对跨度为 1 0、15、20、25、30、35、40、45、50 m 时的境界顶柱进行 岩石的破坏是由于拉应力引起的拉裂破坏,此处主要 分析拉应力对境界顶柱的影响。 从图 1 可以看出,境 界顶柱最大拉应力出现在境界顶柱的中央,因此境界 顶柱中央的拉应力是决定采空区稳定性的最主要因 素。 根据 ANSYS 数值模拟结果,可以得到采空区跨 度为 25 m 时,不同境界顶柱厚度下的最大拉应力及 安全系数如表 3 所示。 数值模拟和分析,以境界顶柱中的拉应力安全系数不 小于 1. 2 为原则推荐最小境界顶柱厚度如表 4 所示。 表 4ꢀ 境界顶柱厚度数值模拟推荐值 Table 4ꢀ The recommended values of different boundary pillar thickness from numerical simulation m 采空区跨度 10 6 15 10 20 13 25 18 30 23 35 30 40 45 50 境界顶柱厚度 · 43· 总第 472 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 Yan Xiaoming,Li Xibing,Li Diyuan,et al. Determination of bounda- ꢀ ꢀ 通过模拟结果分析,境界顶柱厚度和采空区跨度 ry pillar's safety thickness of open pit mining with underground goaf 对境界顶柱的最大拉应力有重要影响,境界顶柱厚度 越大、采空区跨度越小,则境界顶柱的最大拉应力越 小,拉应力安全系数越大,反之亦然。 [ 2 J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2006, (4):666-671. [ [ [ 2]ꢀ 岩小明,李夕兵,郭ꢀ 雷,等. 露天地下开采隔离层稳定性研究 J]. 岩土力学,2007,28(8):1682-1686. 采空区跨度达到 40 m 时,境界顶柱的最大拉应 力与拉应力安全系数不再随着境界顶柱厚度的增大 而明显的增大或减小,均位于临界破坏状态附近,所 以露天转地下开采过程中应将采空区跨度控制在 40 m 以内。 [ Yan Xiaoming,Li Xibing,Guo Lei,et al. Stability of boundary pillar of open pit and underground mine[ J]. Rock and Soil Mechanics, 2 007,28(8):1682-1686. 3]ꢀ 柯愈贤. 新桥硫铁矿“三下”资源露天转地下安全开采技术研究 D]. 长沙:中南大学,2013. [ 4 ꢀ 理论计算与数值模拟结果比较 将不同跨度下的理论计算结果和数值模拟推荐 Ke Yuxian. A Study on Safe Mining of Transition from Open Pit to Underground Mining for “Three Under” Resources in Xingqiao Py- rite Mine[D]. Changsha:Central South University,2013. 4]ꢀ 许宏亮,杨天鸿,朱立凯. 司家营铁矿Ⅲ采场露天转地下境界顶 柱合理厚度研究[J]. 中国矿业,2007,16(4):74-76. Xu Hongliang,Yang Tianhong,Zhu Likai. The studying on reasona- ble thickness of the boundary pillar during transferring open-pit into underground mining in Ⅲ stope of Sijiaying mine[J]. China Mining Magazine,2007,16(4):74-76. 的厚度值统计于表 5。 表 5ꢀ 境界顶柱厚度的理论计算和数值模拟结果 Table 5ꢀ The boundary pillar thickness from theoretical calculations and numerical simulation m 境界顶柱厚度 采空区跨度 荷载传递 交汇线法 结ꢀ 构 力学法 数ꢀ 值 模拟法 厚跨比法 推荐值 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8. 6 6 8. 2 6 7 [ [ 5]ꢀ 林ꢀ 超,胡福祥. 高陡边坡下露天地下联合开采隔离顶柱合理 厚度的研究[J]. 金属矿山,2012(1):51-54. 12. 9 17. 1 21. 4 25. 7 30. 0 34. 3 38. 6 42. 8 47. 1 9 13. 1 18. 5 24. 5 31. 1 38. 3 46. 2 54. 7 64. 0 74. 0 10 13 18 23 30 11 15 20 24 30 12 15 18 21 24 27 30 33 Lin Chao,Hu Fuxiang. Suitable thickness of boundary roof of open- pit underground combined mining under high and steep slope [J]. Metal Mine,2012(1):51-54. 6]ꢀ 张钦礼,陈秋松,胡ꢀ 威,等. 露天转地下采矿隔离层研究[ J]. 科技导报,2013,31(11):33-37. Zhang Qinli,Chen Qiusong,Hu Wei,et al. Safety thickness of inter- val layers for the transition from open pit to underground mining[J]. Science and Technology Review,2013,31(11):33-37. ꢀ ꢀ 由表 5 可以发现,运用荷载传递交汇线法、厚跨 [7]ꢀ 陆ꢀ 广,罗周全,刘晓明,等. 露天转地下开采隔离层厚度安全 分析[J]. 采矿与安全工程学报,2011,28(1):132-137. 比法、结构力学法、数值模拟法所得结果趋势是相同 的,即随着跨度的增大,境界顶柱的安全厚度不断增 大。 综合考虑安全因素和经济条件,可以确定不同跨 度下境界顶柱厚度的推荐值,如表 5 所示。 根据矿山 的实际开采跨度(30 m),推荐新桥矿的境界顶柱安 全厚度为 24 m。 Lu Guang,Luo Zhouquan,Liu Xiaoming,et al. Safety analysis of in- terlayer thickness from open pit to underground mining[ J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2011,28(1):132-137. [ [ [ 8]ꢀ 周科平,田ꢀ 坤,邓红卫,等. 境界顶柱安全评价未确知测度模 型及其应用[J]. 科技导报,2012,30(23):41-45. Zhou Keping,Tian Kun,Deng Hongwei,et al. Application of bounda- ry pillar safety evaluation model based on unascertained measure- ment theory[J]. Science and Technology Review,2012,30(23):41- 5 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)运用公式和 ANSYS 分别对不同跨度下的境 45. 界顶柱进行理论计算和数值模拟,得到不同跨度下的 境界顶柱厚度,为矿山安全开采和实际生产提供了参 考。 9]ꢀ 马天辉,杨天鸿,赵兴东,等. 露天转井下开采境界顶柱参数三 维有限元分析[J]. 金属矿山,2006(1):61-64. Ma Tianhui,Yang Tianhong,Zhao Xingdong,et al. Three dimension- al finite element analysis of parameters of boundary crown pillar in transition from open-pit to underground mining [ J]. Metal Mine, ( 2)通过数值模拟发现,露天转地下开采过程中 应将采空区跨度控制在 40 m 以内。 3)根据矿山实际开采跨度(30 m),推荐新桥矿 2 006(1) 61-64. ( 10]ꢀ 邹ꢀ 平,李爱兵. 某石灰石矿隔离矿柱厚度的确定[J]. 有色金 属:矿山部分,2011,63(2):64-68. 的境界顶柱安全厚度为 24 m。 Zou Ping,Li Aibing. Determination of thickness of insulating pillar in a limestone mine[J]. Nonferrous Metals:Mine Section,2011,63 (2):64-68. 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 岩小明,李夕兵,李地元,等. 露天开采转地下矿室隔离层安全 厚度的确定[J]. 地下空间与工程学报,2006,2(4):666-671. [11]ꢀ 周科平,苏家红. 复杂充填体下矿体开釆安全顶板厚度非线性 · 44· ꢀ ꢀ ꢀ 刘恒亮等:露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2015 年第 10 期 预测方法[J]. 中南大学学报:自然科学版,2005,36(6):1095- 099. stability of boundary pillar[J]. Mining and Metallurgical Engineer- ing,2004,24(6):7-10. 1 Zhou Keping,Su Jiahong. The nonlinear forecasting method of the least security coping thickness when mining under complex filling body[J]. 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