石人溝鐵礦露天境界頂柱穩定性分析

隨著露天開采深度的增加，開采成本也在增加。從開采技術和經濟利益角度分析,露天開采越來越不適合。為了保持開采礦量的穩定,礦山一般采用露天和地下聯合開采方案。露天轉地下的方案很多,根據石人溝鐵礦的實際情況(采用場內排渣,將要采用地下開采的南區其露天坑已作為北區露天開采的排渣場),采用留設境界頂柱的開采方案,在露天坑底留有一定厚度的境界頂柱,以保證開采的正常進行。境界頂柱厚度的確定需要考慮很多因素,留設過小會影響地下開采的安全;留設過厚又會造成礦產資源的嚴重浪費(礦柱回采率只有40%左右)。所以,境界頂柱厚度的確定是一項非常重要而又復雜的工作。1改革難度、方式及井位選擇唐鋼礦業公司石人溝鐵礦是唐鋼的主要供礦單位,其露天開采已經進入末期。礦體走向近似南北,傾角50°～70°,屬急傾斜礦體。露天開采以16線為界,將采區劃分為南、北兩個采區。目前,南區露天開采已經結束,并作為內部排土場(排土場最高標高為140m)。露天坑閉坑時的坑底標高范圍為16～25m;北區仍在進行露天開采,但開采能力已降為50萬t/a。地下開采首采區選擇在南區16～30線-60m中段(地下開采共設0m、-60m,-120m3個中段,其中0m為回風中段)。地下開采規模設計為60萬t/a。首采區范圍內礦體走向長為1400m,平均厚度為9.7m,以中厚礦體為主,并且在20線和25線附近分別有F8和F18兩個大斷層出露。采礦方法采用空場法(厚度在5m以上的中厚礦體采用分段法,5m以下礦體采用留礦法):礦塊沿礦體走向布置,礦塊長50m,中段高度60m,分段高度10m,頂柱高6m,底柱高6m,間柱寬8m,礦塊寬度同礦體厚度一致。回采順序:先采上盤的礦體后采下盤礦體,同一層礦體自回風井后退式開采。南區地下首采區現正在進行開拓:地下開拓共鑿3條井,主、副井(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水平開鑿通風巷道,-6m作為頂柱的下邊界,0m為頂柱的上邊界,境界頂柱從0m向上至露天坑底。2境界礦柱厚度的確定影響境界頂柱安全厚度的因素較多,不同因素的組合及參數的不確定性,使得目前難以用理論方法計算。目前,國內外確定采空區處理所需境界礦柱厚度的方法主要有以下幾種:(1)K.B.魯別涅依他等人的公式;(2)B.И.波哥留波夫的公式;(3)平板梁理論推導;(4)松散系數理論;(5)經驗類比法等。綜合來看,這些公式都有一定的假定條件和片面性,存在一定的適用范圍,并不能完全真實地反應實際情況。因此,這些公式不完全適合確定境界礦柱的厚度。本文采用目前國際上較為流行的巖土工程軟件FLAC2D,來確定境界頂柱的厚度。該程序的特點是:運算速度快,前后處理智能化程度高,得出的結果直觀形象。3拉格朗日算法FLAC2D(FastLagrangianAnalysisofContinuain2Dimensions)——連續介質快速拉格朗日分析是由美國ItascaConsultingGroupInc.開發的二維顯式有限差分法程序,其基本解法類似于離散元法,同時它又運用了連續介質的位移連續條件。它既可以分析小變形條件下的應力-應變問題,也可以求解常規有限元、邊界元(基于小變形理論)不能解決的巖土工程中的非線性大變形問題,以及模擬巖體沿某一弱面產生的滑動變形。FLAC2D將計算區域劃分為若干四節點平面應變等單元(單元數目與軟件版本和機器內存有關),單元之間用節點相互連接。每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構關系,如果單元應力使得材料屈服或產生塑性流變,則單元網格及結構可以隨著材料的變形而變形,這就是所謂的拉格朗日算法,這種算法非常適合于模擬大變形問題。求解過程中FLAC2D又采用離散元的動態松弛法,不需要求解大型聯立方程組(剛度矩陣),占用內存少,求解速度快,便于在微機上求解較大規模的工程問題。FLAC2D針對不同材料特性使用相應的本構方程來比較真實地反映實際巖土或其它材料構成的地層和結構的力學性態。在該程序中有6種基本本構模型:(1)各項同性彈性體模型;(2)莫爾-庫侖彈塑性模型;(3)橫觀各向同性彈性體模型;(4)空模型(模擬開挖域);(5)普遍存在節理模型;(6)應變軟化-硬化塑性模型。可以模擬不同加載條件下的地應力場生成、邊坡或地下硐室開挖、混凝土襯砌、錨桿或錨索設置、地下滲流等。程序還提供了交界面模型,可以用來模擬斷層和節理。4模擬分段采礦法(1)計算模型及方案。石人溝鐵礦的礦體呈高傾角單斜賦存,沿走向礦脈的傾角和厚度不斷變化,而且上覆境界礦柱和回填物的厚度也沿礦脈走向變化。取沿其走向不同位置的二維橫斷面作為研究對象,對16、21、22、24、25斷面和沿礦體走向縱向剖面6個具有代表性的斷面進行建模和分析計算。模型寬330m,高240m,按每步10m高度開挖(模擬分段采礦法),只考慮上覆巖體自重應力場。由于對模型進行簡化,把巖石看作彈塑性材料,計算采用莫爾-庫侖屈服準則。計算模型中采用的物理力學參數見表1。用FLAC2D程序模擬石人溝鐵礦地下開采過程中采空區圍巖和頂柱的受力及變形情況,重點分析頂柱的變形、破壞情況。(1)各個斷面計算結果。圖1是16斷面的計算網格;圖2、3是該斷面的地下開采引起的塑性區分布圖和應力場分布圖。從圖2中可以看到只在采空區角端局部圍巖進入塑性區,沒有和坑底破壞區貫通,表明頂柱較為穩定,不會形成頂柱冒落,但采空區的間柱局部發生了破壞,頂柱最大下沉位移量為5.5mm。21斷面(見圖4),頂柱下側和圍巖的不整合面屈服破壞,并且范圍較16斷面大,但還沒有和坑底破壞區貫通,頂板不會出現冒落,穩定性較好。22斷面(見圖5),頂柱局部進入塑性區,與礦巖不整合面處的塑性區相連通,但并沒有和坑底破壞區貫通,不會發生突然冒頂災害。5頂柱頂柱穩定性通過現場勘查和詳細的地質、采礦資料分析,建立了礦體力學模型,應用FLAC2D數值模擬方法進行了采空區圍巖變形、破壞穩定性評價。考慮到該礦的實際條件和穩定性主要控制因素,得出的基本結論如下:(1)18～20,23,26,28線斷面由于礦柱較薄,采空區寬度小,預留的頂柱厚度較大,開采引起的頂柱拉應力區較小,穩定性較好,使得其比較安全,當采高達30～40m以上時,兩幫可能出現局部塑性區,不會影響安全生產。(2)22,24線斷面礦柱較厚(16～20m左右),尤其是空區寬度大,開采引起的頂柱拉應力區較大,在上覆巖體自重作用下,頂柱的兩側接觸面局部破壞,但沒有形成自下向上到坑底的連通面,穩定性較好,不會形成突然冒頂災害?？紤]到地下水對底板面弱化作用,間柱的保護作用顯得格外重要,要加強間柱的維護,并注意觀測其變形破壞狀況。(3)斷層是危害采礦順利進行的主要控制因素。25線斷面的分析計算表明,空區穿越斷層,將引起圍巖破壞,并誘發頂柱冒落和突涌危害,現場風巷施工時確發生了類似危害事故。建議巷道掘進通過20,25線斷面時,遇到斷層前,要打超前探測孔,觀測斷層與地表的水力聯系和涌水量,為進一步分析突涌災