露天轉地下開采境界礦柱參數優化研究

胡 哲，羅 佳，史秀志，陳小康

(1.大冶有色金屬公司， 湖北 大冶市 435005；2.中南大學，湖南 長沙 410083；3.中國瑞林工程技術有限公司， 江西 南昌 330031)

0 引 言

露天礦山隨著開采深度的增加，開采難度越來越大，需要適時轉為地下開采。露天礦山轉為地下開采的過渡時期，礦山的產量會受到影響，為了確保產量，一般要求露天和地下同時開采[1]。根據國內的一般經驗[2￣4]，在露天坑底留設一定厚度的境界礦柱，作為地下開采的安全頂柱，將露天開采和地下開采分隔開。然而，單獨留境界礦柱時，留設的礦柱厚度大，礦石損失量大，并且隨著地下開采的進行，境界礦柱的強度降低，礦柱下采場充填接頂情況不理想，對境界礦柱的支撐作用有限，單一的境界礦柱方案后期安全性得不到保證。鑒于此，本文提出了露天轉地下開采，留設境界礦柱和采場連續礦柱的方案，采場頂板的暴露面積減小，回采安全性提高，相應的減小了境界礦柱的厚度，礦石損失量減小。

國內外有關境界礦柱安全厚度的研究方法有很多[5￣7]，主要有：B.и.波哥留波夫的公式；K.B.魯別涅依他等人的公式；平板梁理論推導；松散系數理論；工程計算法；經驗類比法等。這些方法將境界礦柱研究當做二維平面問題進行分析，與實際境界礦柱屬于三維實體不符，具有一定的弊端。本文運用三維數值模擬方法，采用Flac3D數值分析軟件，對某礦境界礦柱和采場連續礦柱的尺寸進行了優化研究，對指導礦山生產具有積極意義。

1 工程概況

該礦床屬于接觸交代矽卡巖-高中溫熱液礦床，礦石平均品位高。礦石以矽卡巖為主，普氏硬度系數為7～9，礦石密度3.6×103kg/m3。該礦體賦存于礦山10～16線之間，沿走向長度約110 m，傾角60°～80°，礦體厚度5～30 m，礦體延深-187～-425 m，大部分賦存于-275 m以上，礦體埋藏較深，現露天坑開采已到-197 m標高位置，露天開采難度加大。礦體上盤有一條破碎帶，透水性較強，斷層最寬處寬達7 m，斷層內充填物不明，周圍可能存在斷層破碎帶，且可能與南坑水體有直接水力聯系，因此，應加強超前探水工作，確?；夭砂踩?。

基于該礦體開采現狀，為保證下部礦體的順利開采，需在露天坑底留安全境界礦柱，轉為地下開采?？紤]到礦巖及圍巖都不是很穩固，在境界礦柱的基礎上預留采場條形礦柱(如圖1所示)，減小境界礦柱厚度，實現安全回采、減小礦量損失的目的。

圖1 境界頂柱、礦柱示意

2 建立分析模型與模擬方案

2.1 模型建立

根據礦山實際情況，考慮到盡可能減小邊界條件對結果的影響，本模型擬對-245～-185 m之間礦體圍巖進行研究，模型高度為60 m，長度方向取200 m，寬度方向取150 m。

本文采用ANSYS建立模型，然后借助ANSYS-TO-FLAC3D轉化軟件將圖形單位、節點和組信息導入FLAC3D,如圖2所示。

圖2 FLAC3D模型

模型涉及到的礦體、圍巖、充填體等材料均屬于彈塑性材料，適應于摩爾-庫倫破壞準則。表1所示為本次模擬材料的物理力學參數。用FLAC3D程序模擬境界礦柱和條形礦柱的穩定性，通過受力和變形分析，得出境界礦柱和條形礦柱的最優厚度。

2.2 模擬方案

為確定合理的境界礦柱和條形礦柱的搭配參數，采用FLAC3D數值分析軟件得出礦柱的應力和位移的分布特征，分析計算結果判斷頂板的穩定性，綜合考慮礦石損失最小，最終確定最合理的境界礦柱搭配參數。在保證礦山正常安全生產的基礎上，為礦山盡可能的回收礦石和確保產量提供理論依據。

以礦山實際情況為依據，本研究共設計了9組礦柱方案，境界礦柱參數方案見表2。

3 模擬結果分析

3.1 分析原則

(1) 安全系數比較。在FLAC3D中安全系數起源于邊坡工程的穩定性研究，是指巖體的實際抗剪強度與臨界破壞時(折減后)的剪切強度的比值[8]。安全系數越大，巖體穩定性狀態越好，理論上認為，安全系數為1時巖體達到臨界破壞狀態，但若考慮環境因素的影響，根據經驗，服務年限為10 a以上時,安全系數取1.1～1.2;服務年限達20 a時,取1.2～1.5;服務年限在20 a以上時大于1.5[9]。

(2) 位移與應力分析。以境界礦柱和采場條形礦柱的位移與變形作為一項衡量指標。頂板的位移變形量是判斷是否破壞的直接因素，頂板的位移量小，境界礦柱安全性高，通過對重點位置的位移進行監測，如果出現突變，說明研究對象發生了嚴重的失穩現象。根據應力等值線發現最大、最小應力值，并且可以找出最先破壞的位置和破壞發生的大致范圍。巖體的破壞形式，主要有拉伸破壞和剪切破壞。監測關鍵位置的拉應力，將監測結果與材料抗拉強度對比，便可確認材料是否發生拉伸破壞。

表1 巖體力學參數

表2 境界礦柱參數方案

3.2 結果分析

考慮到文章的篇幅,現僅對方案IV的模擬情況進行分析(如圖3～5所示)。該方案境界礦柱的安全系數為1.67，大于1，礦柱處于安全穩定狀態。從圖3可以看出，頂板最大垂直位移出現在礦柱兩側的采場中間，最大位移值為11.96 mm，頂板最大位移較小，不會發生較大的破壞冒落情況。圖4顯示最大壓應力出現在條形礦柱與頂板的交接處，說明中間條形礦柱對于承受頂板壓力的重要作用，最大主應力為14.5 MPa，小于礦巖的最大抗壓強度。從圖5可以看出，最大拉應力主要發生在采場的頂、底板，最大拉應力值為0.95 MPa，小于礦巖的最大抗拉強度。綜上所述，方案IV境界礦柱是穩定的，不會發生坍塌破壞。

圖3 方案IV垂直方向位移等值線圖

圖4 方案IV最小主應力等值線圖

圖5 方案IV最大主應力等值線圖

(1) 安全系數分析。從表3可以看出，每個方案的安全系數都大于1，但方案VI、VII、VIII、IX的安全系數偏小，考慮到礦山服務年限和安全系數的浮動，棄用這4個方案，其余5個方案的安全系數都較大，可滿足安全和服務年限的要求。在相同的條形礦柱寬度情況下，隨著境界頂板的厚度增加，頂板的安全系數增大；相同的境界礦柱厚度下，條形礦柱的寬度越大頂板安全系數越高。

(2) 位移與應力分析。最大垂直位移隨著境界礦柱厚度和條形礦柱寬度的減小而增加，各方案的垂直位移由大到小的排列順序為IX、VIII、VII、VI、III、V、IV、II、I，其中方案IX、VIII、VII、VI的最大垂直位移超過了境界礦柱的最大允許位移量。各方案的最大抗拉應力和最大抗壓應力均隨著境界礦柱和條形礦柱的減小而增大，條形礦柱寬度減小，應力值變化明顯，并且最大拉應力均出現在條形礦柱與頂板的接觸位置。由于條形礦柱的存在，頂板由一個大跨度的簡支巖梁分為兩個簡支巖梁，梁的跨度減小了，相應的兩側頂板中央的最大彎矩減小，對于提高頂板的穩定性作用顯著。由此可見，條形礦柱在維持境界礦柱穩定性具有重要作用。方案III、VI、VIII、IX境界頂柱的最大拉應力均超過了礦體的抗拉強度1.35 MPa，頂板將受到拉伸破壞。最大壓應力由大到小的排列順序為方案IX、VIII、VI、III、VII、V、II、I、IV，其中方案IX、VIII、VI、III、VII礦柱的最大壓應力均超過了礦體的抗壓強度。

綜上所述，首先可以排除方案III、VI、VII、VIII、IX，剩下的4個方案中，方案I、II選擇的境界頂柱厚度為18 m，考慮到該礦山露天坑內回填有尾砂和礦石，境界礦柱將作為永久損失，在確保頂板安全的前提下，優先考慮境界礦柱厚度為15 m的方案IV、V。

分析對比方案IV、V均能滿足各方面的要求，方案V與方案IV相比，條形礦柱的寬度小2 m；結合礦山實際情況，本文研究中簡化了一些因素，如爆破作用和地下水等對頂板穩定性的影響。并且，條形礦柱在開采過程中可以采用人工礦柱替代，從而實現回收的目的。相比而言方案，IV安全性更高，因此，選擇方案IV作為最終方案，即境界礦柱厚度為15 m，留設7 m寬的條形礦柱。

4 結 論

本文提出了露天轉地下開采時，境界礦柱和條形礦柱相結合的礦柱留設方式，該方法對相似礦山境界礦柱的布置具有參考價值。

通過建立三維數值模型，運用FLAC3D數值模擬軟件，對境界礦柱參數進行了優化研究。根據礦山實際，選擇9個不同方案，分析各方案的安全系數、應力和位移情況，得出條形礦柱在境界礦柱穩定性中的重要作用。從安全和盡量多回收資源的角度出發，最終確定方案IV即境界頂柱厚度為15 m、條形礦柱寬度為7 m為最終方案。

表3 模擬結果

參考文獻：

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