露天轉地下開采境界頂柱安全厚度研究

劉恒亮 張欽禮 卞繼偉

(1.銅陵化工集團新橋礦業有限公司，安徽 銅陵 244132；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

露天轉地下開采境界頂柱安全厚度研究

劉恒亮1張欽禮2卞繼偉2

(1.銅陵化工集團新橋礦業有限公司，安徽 銅陵 244132；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

境界頂柱是露天開采和地下開采有序進行的保證，其合理的厚度對露天轉地下具有重要意義。為確定新橋礦露天轉地下境界頂柱安全厚度，運用厚跨比法、荷載傳遞線交匯法和結構力學方法對境界頂柱安全厚度進行理論分析與計算，并用ANSYS對不同跨度和不同境界頂柱厚度進行數值模擬。通過對理論計算和數值模擬結果的分析，得到了不同采空區跨度下的境界頂柱安全厚度。根據分析結果可以有效地確定礦山的境界頂柱厚度，為露天轉地下安全生產提供可靠的指導。根據礦山30 m的實際開采跨度，推薦新橋礦的境界頂柱安全厚度為24 m。

露天轉地下 境界頂柱 理論計算 數值模擬

隨著露天礦開采深度的逐步增加，其開采難度越來越大，露天開采越來越不能滿足生產的要求[1-2]，許多礦山實現了從露天開采到地下開采的過渡，如銅官山鐵礦、石人溝鐵礦、大寶山銅鐵、首鋼大石河鐵礦等。在露天開采轉為地下開采的過程中，面臨選擇合理的采礦方法，保證露天邊坡的穩定，確定合理的境界頂柱等諸多問題，其中合理的境界頂柱可以有效地保證露天轉地下開采的安全性[3]。露天生產均為大型設備和大孔徑爆破，如果境界頂柱過薄，爆破作用加之重型設備反復碾壓會削弱境界頂柱穩定性，可能會引起境界頂柱的冒落，甚至坍塌，會給礦山生產帶來不可估量的損失，因此，境界頂柱必須能保證人員、設備和材料的安全性；如果境界頂柱過厚，雖然能保證地下開采的安全性，但是會浪費大量的資源[4-6]。因此，合理的境界頂柱厚度是露天轉地下開采過程中亟待解決的問題。

為了確定境界頂柱的安全厚度，很多專家運用不同的方法進行了許多研究。如陸廣等[7]運用二維有限元軟件Phase2D進行數值模擬，確定露天轉地下開采隔層的厚度；周科平等[8]通過建立未確知測度模型對境界頂柱安全進行評價；馬田輝等[9]運用MSC.PATRAN 和MSC.NASTRAN構建模型，得出合理的境界頂柱厚度。本研究以新橋礦業有限公司(下稱“新橋礦”)露天轉地下開采工程為對象，釆用理論分析和數值模擬相結合的方法，以實現預留境界頂柱的優化。

1 工程概況

新橋礦露天開采設計最終境界最低開采水平為-156 m水平，上盤最終邊坡角43°，下盤最終邊坡角39°～41°；露天坑底長度約900 m，寬度為25～65 m，平均寬度為50 m。露天坑底部礦體水平厚度多為20 m～60 m，只在20線～23線之間水平厚度達140 m，平均水平厚度37 m；礦體傾角多為45°～60°，平均傾角55°。新橋露天開采的設計要求，露天坑開采結束后用松散碎石將露天坑回填至-108 m水平。由于新橋礦屬于大水巖溶礦山，水文地質條件復雜，水對巖石的弱化作用會嚴重影響露天邊坡和境界頂柱的穩定性，同時考慮到閉坑之后露天坑回填和境界頂柱隔水防滲的要求，為使得新橋露天礦順利轉入地下生產，必須確定境界頂柱的安全厚度。

2 境界頂柱厚度的理論計算

影響境界頂柱穩定性的因素有很多，主要包括回采順序、露天爆破影響、地下水的影響、礦巖的物理力學性質以及地下采空區的面積等。境界頂柱厚度的理論計算目前仍處于探索和完善階段，國內外學者提出了許多經驗公式，此次選用荷載傳遞線交匯法、厚跨比法和結構力學方法進行境界頂柱厚度的理論計算[10-11]。

(1)荷載傳遞線交匯法：假定荷載按照30°～35°擴散角由頂板中心向下傳遞，此傳遞線交于頂板與洞壁的交點以外時，即認為洞壁直接支承頂板上的外載荷與自重，頂板是安全的。

(2)厚跨比法：當采空區頂板為完整頂板時，頂板的厚度H與采空區跨度B之比不小于0.5時，認為采空區是安全的。

(3)結構力學方法：假定采空區頂板巖體是一個兩端固定的平板梁結構，上部巖體自重及其附加載荷作為上覆巖層載荷，以巖層的抗拉強度作為控制指標，根據材料力學與結構力學理論，可得到境界頂柱厚度與采空區跨度之間的關系。

為確保安全，另行引入安全系數K，得到在一定安全條件下的境界頂柱厚度與采空區跨度之間的關系，3種計算方法的計算公式分別如下：

(1)

(2)

(3)

式中，H為境界頂柱厚度，m；B為采空區跨度，m；β為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，(°)，取β=35°；γ為境界頂柱巖石容重，γ=9.8×3 828 N/m3=37.5 kN/m3；σ許為境界頂柱巖體抗拉強度，取 1 310 kPa；q為附加荷載，q=0.98 MPa=980 kPa；K為安全系數，取K=1.2。

分別運用以上3種方法對不同跨度下的境界頂柱厚度進行理論計算，其理論計算結果見表1。

表1 境界頂柱厚度理論計算結果

Table 1 The boundary pillar thickness fromtheoretical calculations

m

3 境界頂柱厚度的數值模擬

在實際運用中，境界頂柱厚度的影響因素主要包括采空區跨度、礦巖的物理力學參數、回采順序、巖體的工程地質和水文地質以及原巖應力狀況等。而理論計算只考慮了采空區跨度對境界頂柱的影響，其計算結果必然與實際情況存在一定的差距[12-13]。為使計算結果更貼近實際，綜合考慮影響境界頂柱的各個因素，運用ANSYS對新橋礦不同跨度下的境界頂柱厚度進行數值模擬，以保證境界頂柱厚度更為合理。

3.1 模型優化

由于礦山實際情況比較復雜，為了方便建模和計算分析，必須對數值模型進行適當的簡化，需作出如下假設[14-15]。

(1)考慮到礦山將來露天開采可能開采到-144 m水平(按設計邊坡角靠幫)，模型中的境界頂柱從 -144 m水平往下開始預留。

(2)露天轉地下開采設計采用上向水平分層充填采礦法，所以模型中采空區高度取最大控頂高度6.6 m。

(3)露天坑底部礦體傾角多為45°～60°，平均傾角55°，模型中礦體傾角取礦體平均傾角55°。

(4)計算區域的表面載荷的大小為其上覆巖體的重力之和。

(5)計算模型中不考慮地質構造、地下水、爆破振動對巖體的影響，同時認為巖體為連續介質，巖體內部不存在結構面和弱面。

(6)為了滿足計算需要和保證計算精度，本次模擬采用的模型尺寸取為空區范圍的3～5倍。

3.2 模型參數確定

礦巖的物理力學參數是數值模擬的基礎參數，其準確性決定了數值模擬結果的準確性。物理力學參數是通過在理想條件下的室內巖石力學試驗(主要包括單軸抗壓強度試驗、抗拉強度試驗、單軸壓縮變形試驗)測得的，所得數據經Hoek-Brown準則折減后得到可以用于數值模擬的礦巖和充填體物理力學參數，如表2所示。

表2 礦巖和充填體的物理力學參數

3.3 模擬結果

為了全面研究不同跨度下境界頂柱的安全厚度，運用ANSYS對不同跨度(10～50 m)下的境界頂柱進行數值模擬。本文僅以25 m跨度進行分析：分別構建采空區高度為6.6 m，跨度為25 m，境界頂柱厚度為10、13、15、18、20 m的采空區模型，對比分析5個采空區模型的受力狀態及境界頂柱的安全狀態。跨度25 m時，不同境界頂柱厚度的拉應力云圖如圖1所示。

眾所周知，巖石抗拉強度低，格里菲斯準則認為巖石的破壞是由于拉應力引起的拉裂破壞，此處主要分析拉應力對境界頂柱的影響。從圖1可以看出，境界頂柱最大拉應力出現在境界頂柱的中央，因此境界頂柱中央的拉應力是決定采空區穩定性的最主要因素。根據ANSYS數值模擬結果，可以得到采空區跨度為25 m時，不同境界頂柱厚度下的最大拉應力及安全系數如表3所示。

圖1 境界拉應力云圖

境界頂柱厚度/m最大拉應力/MPa安全系數1017507513135097151121171809913220087151

分析圖1的拉應力云圖可知，隨著境界頂柱厚度的增大，拉應力區域逐漸變小；由表3可知，隨著境界頂柱厚度的增大，境界頂柱的最大拉應力逐漸變小，其安全系數逐漸增大。

根據新橋礦露天轉地下開采技術條件、采礦方法和實際情況，按照以上方法和思路，分別對跨度為10、15、20、25、30、35、40、45、50 m時的境界頂柱進行數值模擬和分析，以境界頂柱中的拉應力安全系數不小于1.2為原則推薦最小境界頂柱厚度如表4所示。

表4 境界頂柱厚度數值模擬推薦值

Table 4 The recommended values of different boundarypillar thickness from numerical simulation

m

通過模擬結果分析，境界頂柱厚度和采空區跨度對境界頂柱的最大拉應力有重要影響，境界頂柱厚度越大、采空區跨度越小，則境界頂柱的最大拉應力越小，拉應力安全系數越大，反之亦然。

采空區跨度達到40 m時，境界頂柱的最大拉應力與拉應力安全系數不再隨著境界頂柱厚度的增大而明顯的增大或減小，均位于臨界破壞狀態附近，所以露天轉地下開采過程中應將采空區跨度控制在40 m以內。

4 理論計算與數值模擬結果比較

將不同跨度下的理論計算結果和數值模擬推薦的厚度值統計于表5。

表5 境界頂柱厚度的理論計算和數值模擬結果

Table 5 The boundary pillar thickness from theoreticalcalculations and numerical simulation

m

由表5可以發現，運用荷載傳遞交匯線法、厚跨比法、結構力學法、數值模擬法所得結果趨勢是相同的，即隨著跨度的增大，境界頂柱的安全厚度不斷增大。綜合考慮安全因素和經濟條件，可以確定不同跨度下境界頂柱厚度的推薦值，如表5所示。根據礦山的實際開采跨度(30 m)，推薦新橋礦的境界頂柱安全厚度為24 m。

5 結 論

(1)運用公式和ANSYS分別對不同跨度下的境界頂柱進行理論計算和數值模擬，得到不同跨度下的境界頂柱厚度，為礦山安全開采和實際生產提供了參考。

(2)通過數值模擬發現，露天轉地下開采過程中應將采空區跨度控制在40 m以內。

(3)根據礦山實際開采跨度(30 m)，推薦新橋礦的境界頂柱安全厚度為24 m。

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(責任編輯 石海林)

Research on Safety Thickness of Boundary Pillar duringthe Transition from Open Pit to Underground Mining

Liu Hengliang1Zhang Qinli2Bian Jiwei2

(1.TCIGCLXinqiaoMiningCo.，Ltd.，Tongling244132，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

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 underground.To determine the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine，such measure as ratio of span and thickness equation，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 implications 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.

Transition from open pit to underground mining，Boundary pillar，Theoretical calculation，Numerical simulation

2015-06-22

劉恒亮(1964—)，男，高級工程師。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-041-05