沙漠特厚風砂層下某鐵礦水平隔離礦柱厚度的確定*

喬登攀 侯國權

(昆明理工大學國土資源工程學院)

某鐵礦山位于內蒙古境內，屬于埋覆在35 m厚的沙漠砂層以下的矽卡巖型磁鐵礦床。礦區最大的礦體長約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，其單軸抗壓強度一般在100～210 MPa，抗拉強度在10～50 MPa，抗剪強度在15～20 MPa。單從強度指標分析，圍巖穩定性屬中等穩定至不穩定巖體。礦床水文地質簡單，地下涌水量小。

由于厚礦體頂部是第四系砂層，原設計采用無底柱分段崩落法開采，但放礦模擬試驗表明，風砂粒度細且流動性好，穿流速度快，極易混入采場崩落礦石中，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、甚至于無法繼續出礦。針對這種情況，本研究提出了在礦山進入開采時，采用分段空場嗣后充填法，提前在風砂層與礦體的接觸面以下留設水平隔離礦柱，以保證上部風砂層基本穩定。

1 工程概況

對于礦巖中穩、地表又不允許崩落的礦體，為充分回收礦石，降低開采過程中采礦的貧化和損失，分段空場嗣后充填法是一種適宜的采礦方法［6-7］，目前，在我國許多礦山如金川公司龍首礦、吉林鎳業公司、武山銅礦、豐山銅礦等都有這種方法的應用。其特點是:在階段中自上而下回采，工人在膠結充填料的人工頂板下作業，作業安全。本工程將采礦中段劃分成分段，在各分段布置采場單元并進行采、出、充等各項采礦工序作業。垂直走向布置采場，不留礦柱，采用隔一采一方式。一步采場回采充填結束后再回采二步采場。一步采場采用膠結充填，二步采場采用廢石等充填。礦塊階段高度50 m，分段高度10 m，分條礦房寬度10 m，長度為礦體厚度。采用國產YGZ－90型鑿巖機鑿巖，塹溝受礦，鏟運機出礦。

2 隔離礦柱厚度的確定

留設的水平礦柱的厚度會直接影響到生產的成本和安全，如果留得過厚，后期礦柱的回采工作量會比較大，回采率低。因此，確定合理的水平礦柱的厚度具有很強的實際意義。

目前用于計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結構力學梁理論;⑤平板梁理論;⑥松散系數理論;⑦空場長寬比法;⑧頂板厚跨比法;⑨經驗類比法。本研究將選取其中的幾種方法計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跨度及頂柱巖體特性(強度及構造破壞特性)對安全礦柱厚度的影響，也考慮了隔離礦柱上部產生的作用力，提出安全厚度計算公式如下:

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

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

根據K.B.魯別涅依塔公式計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跨度、礦柱的巖性特性(抗拉特性)和爆破動載荷的影響，提出安全厚度的計算公式如下:

式中，H、R、B、σn5、g意義同前，K為安全系數，應用此公式時取1;Pn為爆破巖體產生的動載荷。

通過B.И.波哥留波夫公式計算的水平礦柱的厚度為36 m。

2.3 結構力學梁理論

結構力學梁理論是將水平礦柱視為一個兩端固定的平板梁結構，上部風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度作為控制指標，根據材料力學與結構力學的公式，推導出水平礦柱的安全厚度。

通過結構梁理論計算得出的水平礦柱的厚度為19 m。

2.4 松散系數理論

假設空區發生跨落，只要礦柱厚度大于跨落巖石填滿空區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 經驗類比法

通過經驗公式計算值與礦山生產實際經驗值進行比較也是比較重要的。國內外一些礦山的安全頂柱厚度見表1，用上述4種方式計算得出的安全頂柱厚度見表2。

表1 國內外一些礦山留設的隔離礦柱厚度 m

表2 本研究中計算得出的隔離礦柱厚度 m

經過比較，要保證下部回采作業安全及隔離礦柱的穩定，至少需要20m厚度隔離礦柱。

3 礦柱的穩定性分析

通過上面的計算分析，在礦體與風砂的接觸面以下留設20 m的隔離礦柱，下部采用無間柱連續分段空場嗣后充填法進行開采，礦房垂直走向布置，分段高度10 m，礦房跨度10 m。留設位置見圖1。

圖1 留設隔離礦柱的位置

3.1 數值模擬分析

3.1.1 構建模型

根據上述方案，應用FLAC3D建立三維簡化模型［8-9］，對留設的20 m隔離礦柱的穩定性進行數值模擬計算分析。計算模型尺寸(長×寬×高)為150 m×75 m×75 m，共計54 000個單元，58 621個結點。對于邊界，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。模型頂面采用應力邊界，原巖應力由上部風砂層的自重應力引起。采用Mohr－Coulomb本構關系模型［11］，模擬計算所需的巖體力學參數見表3。

表3 巖體物理力學參數

3.1.2 模擬分析結果

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

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

4 結論

(1)針對該礦山特殊的地質條件，采用留設水平隔離礦柱的方法進行回采下部礦體，通過應用幾種經驗理論公式計算并進行工程類比，得出20 m的合理水平隔離礦柱厚度。

圖2 最大主應力分布

圖3 最小主應力分布

圖4 塑性區分布

圖5 Z方向變形量

(2)通過FLAC3D數值模擬分條礦房開挖時對隔離礦柱的影響，結果顯示礦柱未出現拉應力和剪應力，20 m的隔離礦柱是穩定的。

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［10］ 徐長佑.露天轉地下開采［M］.武漢:武漢工業大學出版社，1990.

［11］ 彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.