喬登攀 侯國(guó)權(quán)

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院)

某鐵礦山位于內(nèi)蒙古境內(nèi)，屬于埋覆在35 m厚的沙漠砂層以下的矽卡巖型磁鐵礦床。礦區(qū)最大的礦體長(zhǎng)約1 300 m，平均厚度25 m，走向近東西，傾向南，傾角為46°～80°。礦體上下盤(pán)基本由矽卡巖包圍，礦體圍巖以透輝矽卡巖、榴石矽卡巖為主，其單軸抗壓強(qiáng)度一般在100～210 MPa，抗拉強(qiáng)度在10～50 MPa，抗剪強(qiáng)度在15～20 MPa。單從強(qiáng)度指標(biāo)分析，圍巖穩(wěn)定性屬中等穩(wěn)定至不穩(wěn)定巖體。礦床水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，地下涌水量小。

由于厚礦體頂部是第四系砂層，原設(shè)計(jì)采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，但放礦模擬試驗(yàn)表明，風(fēng)砂粒度細(xì)且流動(dòng)性好，穿流速度快，極易混入采場(chǎng)崩落礦石中，一旦崩落礦石中存在貫通空隙就必然形成沙漏，將造成回采貧化急劇加大、甚至于無(wú)法繼續(xù)出礦。針對(duì)這種情況，本研究提出了在礦山進(jìn)入開(kāi)采時(shí)，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，提前在風(fēng)砂層與礦體的接觸面以下留設(shè)水平隔離礦柱，以保證上部風(fēng)砂層基本穩(wěn)定。

1 工程概況

對(duì)于礦巖中穩(wěn)、地表又不允許崩落的礦體，為充分回收礦石，降低開(kāi)采過(guò)程中采礦的貧化和損失，分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄊ且环N適宜的采礦方法［6-7］，目前，在我國(guó)許多礦山如金川公司龍首礦、吉林鎳業(yè)公司、武山銅礦、豐山銅礦等都有這種方法的應(yīng)用。其特點(diǎn)是:在階段中自上而下回采，工人在膠結(jié)充填料的人工頂板下作業(yè)，作業(yè)安全。本工程將采礦中段劃分成分段，在各分段布置采場(chǎng)單元并進(jìn)行采、出、充等各項(xiàng)采礦工序作業(yè)。垂直走向布置采場(chǎng)，不留礦柱，采用隔一采一方式。一步采場(chǎng)回采充填結(jié)束后再回采二步采場(chǎng)。一步采場(chǎng)采用膠結(jié)充填，二步采場(chǎng)采用廢石等充填。礦塊階段高度50 m，分段高度10 m，分條礦房寬度10 m，長(zhǎng)度為礦體厚度。采用國(guó)產(chǎn)YGZ－90型鑿巖機(jī)鑿巖，塹溝受礦，鏟運(yùn)機(jī)出礦。

2 隔離礦柱厚度的確定

留設(shè)的水平礦柱的厚度會(huì)直接影響到生產(chǎn)的成本和安全，如果留得過(guò)厚，后期礦柱的回采工作量會(huì)比較大，回采率低。因此，確定合理的水平礦柱的厚度具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

目前用于計(jì)算隔離礦柱厚度的方法主要有以下幾種［1-4］:①K.B.魯別涅依塔公式;②B.И.波哥留波夫的公式;③普氏拱理論;④結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論;⑤平板梁理論;⑥松散系數(shù)理論;⑦空?qǐng)鲩L(zhǎng)寬比法;⑧頂板厚跨比法;⑨經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法。本研究將選取其中的幾種方法計(jì)算水平隔離礦柱的厚度。

2.1 K.B.魯別涅依塔公式

K.B.魯別涅依塔主要考慮到空區(qū)跨度及頂柱巖體特性(強(qiáng)度及構(gòu)造破壞特性)對(duì)安全礦柱厚度的影響，也考慮了隔離礦柱上部產(chǎn)生的作用力，提出安全厚度計(jì)算公式如下:

式中，H為計(jì)算的水平礦柱的厚度;K為安全系數(shù)，取2;R為頂板巖石的平均容重，2.7 t/m3;B為采空區(qū)的跨度，定為10m;

為在彎曲條件下考慮到強(qiáng)度安全系數(shù)K3和結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)K0條件下頂板強(qiáng)度極限，MPa;K0=2～3，K3=7～10;σn5=(0.07～0.1)σc，為彎曲條件下的巖石強(qiáng)度極限;σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，81.1 MPa;g為礦柱上方風(fēng)砂層對(duì)隔離礦柱的壓力，基本等于上方風(fēng)砂層的壓力，估算為1 MPa。

根據(jù)K.B.魯別涅依塔公式計(jì)算的水平礦柱的厚度為15 m。

2.2 B.И.波哥留波夫公式

B.И.波哥留波夫主要考慮的是空區(qū)跨度、礦柱的巖性特性(抗拉特性)和爆破動(dòng)載荷的影響，提出安全厚度的計(jì)算公式如下:

式中，H、R、B、σn5、g意義同前，K為安全系數(shù)，應(yīng)用此公式時(shí)取1;Pn為爆破巖體產(chǎn)生的動(dòng)載荷。

通過(guò)B.И.波哥留波夫公式計(jì)算的水平礦柱的厚度為36 m。

2.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論

結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論是將水平礦柱視為一個(gè)兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)，上部風(fēng)沙層自重及其附加載荷作為上部載荷，按照梁板受彎考慮，以巖層的抗彎抗拉強(qiáng)度作為控制指標(biāo)，根據(jù)材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)的公式，推導(dǎo)出水平礦柱的安全厚度。

通過(guò)結(jié)構(gòu)梁理論計(jì)算得出的水平礦柱的厚度為19 m。

2.4 松散系數(shù)理論

假設(shè)空區(qū)發(fā)生跨落，只要礦柱厚度大于跨落巖石填滿(mǎn)空區(qū)所需要的高度就是安全的。由此推算出水平礦柱安全厚度為20 m。

2.5 經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與礦山生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較也是比較重要的。國(guó)內(nèi)外一些礦山的安全頂柱厚度見(jiàn)表1，用上述4種方式計(jì)算得出的安全頂柱厚度見(jiàn)表2。

表1 國(guó)內(nèi)外一些礦山留設(shè)的隔離礦柱厚度 m

表2 本研究中計(jì)算得出的隔離礦柱厚度 m

經(jīng)過(guò)比較，要保證下部回采作業(yè)安全及隔離礦柱的穩(wěn)定，至少需要20m厚度隔離礦柱。

3 礦柱的穩(wěn)定性分析

通過(guò)上面的計(jì)算分析，在礦體與風(fēng)砂的接觸面以下留設(shè)20 m的隔離礦柱，下部采用無(wú)間柱連續(xù)分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄟM(jìn)行開(kāi)采，礦房垂直走向布置，分段高度10 m，礦房跨度10 m。留設(shè)位置見(jiàn)圖1。

圖1 留設(shè)隔離礦柱的位置

3.1 數(shù)值模擬分析

3.1.1 構(gòu)建模型

根據(jù)上述方案，應(yīng)用FLAC3D建立三維簡(jiǎn)化模型［8-9］，對(duì)留設(shè)的20 m隔離礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。計(jì)算模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為150 m×75 m×75 m，共計(jì)54 000個(gè)單元，58 621個(gè)結(jié)點(diǎn)。對(duì)于邊界，在模型的左右、前后及底面采用位移邊界，即左右、前后水平方向位移固定，底面垂直固定。模型頂面采用應(yīng)力邊界，原巖應(yīng)力由上部風(fēng)砂層的自重應(yīng)力引起。采用Mohr－Coulomb本構(gòu)關(guān)系模型［11］，模擬計(jì)算所需的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.1.2 模擬分析結(jié)果

圖2為最大主應(yīng)力分布圖，圖3為最小主應(yīng)力分布圖，圖4為塑性區(qū)分布圖，圖5為Z軸變形量。

從圖2至圖3中可以看出，當(dāng)間隔回采分條礦房時(shí)，雖然在礦房空區(qū)頂出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為10～12.48 MPa，但是礦柱的破壞主要是以拉應(yīng)力和剪應(yīng)力為主。參考圖4以及圖5顯示的頂板下沉量(1～1.2 mm)，可以得出結(jié)論:隔離礦柱是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)該礦山特殊的地質(zhì)條件，采用留設(shè)水平隔離礦柱的方法進(jìn)行回采下部礦體，通過(guò)應(yīng)用幾種經(jīng)驗(yàn)理論公式計(jì)算并進(jìn)行工程類(lèi)比，得出20 m的合理水平隔離礦柱厚度。

圖2 最大主應(yīng)力分布

圖3 最小主應(yīng)力分布

圖4 塑性區(qū)分布

圖5 Z方向變形量

(2)通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分條礦房開(kāi)挖時(shí)對(duì)隔離礦柱的影響，結(jié)果顯示礦柱未出現(xiàn)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，20 m的隔離礦柱是穩(wěn)定的。

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