某金礦露天轉地下開采境界頂柱合理厚度研究

摘要：某金礦自標高1 385 m以下將由露天開采轉為地下開采，擬采用上向進路充填采礦法進行開采，為了避免露天與地下同時開采造成的相互影響，實現礦山生產的平穩過渡，對境界頂柱的合理厚度進行了研究。在相關室內試驗的基礎上，應用K.B.魯別涅依特公式、“三帶”理論和工程類比法計算出境界頂柱的合理厚度取值范圍；采用Flac3D軟件對不同境界頂柱厚度進行數值模擬，確定該礦山露天轉地下開采境界頂柱的合理厚度。結果表明：礦山原生礦和氧化礦區域進行地下開采時需分別留設20 m和25 m的境界頂柱厚度，此時地下開采對露天邊坡的影響最小且采場整體趨于穩定，能滿足礦山安全生產的要求。研究結果可為礦山設計提供理論依據。

關鍵詞：露天轉地下；開采境界；頂柱；數值模擬；Flac3D軟件；頂柱厚度

中圖分類號：TD852文章編號：1001-1277（2024）05-0019-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240505

引言

隨著露天礦開采深度的不斷增加，受開采難度及經濟技術條件的限制，達到臨界采深后需轉入地下開采［1-2］，在此過程中露天采場已形成一定高度的邊坡。但是，在露天轉地下協同開采期間，地下采場與露天采場共成一體，二者相互影響，如若處理不當，會對露天轉地下造成重大影響。例如：露天邊坡的垮塌、地下采場的失穩、露天采場的匯水造成地下采場被淹等［3］。為了避免此類安全事故的發生，一般在地下采場和露天采場之間預留一定厚度的境界頂柱來保證露天和地下的協同開采。境界頂柱厚度的確定受礦巖穩定性影響，如果預留過厚，會降低資源利用率和企業的生產效益；預留過薄，又嚴重影響礦山的生產安全［4］。因此，境界頂柱厚度的確定在露天轉地下開采設計中有著重要的地位。

研究人員采用多種方法對境界頂柱的合理厚度進行了確定，大致可以分為解析法、經驗法、數值計算法三類。呂冠穎等［5-6］通過理論計算和數值模擬手段，確定礦山露天轉地下開采的境界頂柱安全厚度。王作鵬等［7］采用Flac3D軟件分別對某露天礦山9種境界頂柱尺寸的組合方案進行了數值分析；楊明財等［8］采用ANSYS有限元分析軟件對不同跨度的境界頂柱進行數值分析，以此確定境界頂柱的合理厚度。

某金礦露天開采服務年限預計還有10 a，需對露天轉地下開采境界頂柱厚度進行研究，為后續開采設計奠定基礎。本文首先開展室內巖石力學試驗確定相關力學參數，然后通過理論計算與數值模擬結合的方式，確定采用上向進路充填采礦法開采時境界頂柱需留設的合理厚度，以保證采場整體的穩定性［9］。

1工程概況

該金礦位于近南北向鶴慶—松桂復式向斜南段，區內構造活動強烈，次級褶皺、斷層發育。該金礦床屬于喜馬拉雅中晚期富堿斑巖中高溫熱液交代充填矽卡巖型礦床和斑巖型鐵銅金多金屬礦床。目前，露天采場南北長約1 858 m，東西寬約1 308 m，露天開采最低標高為1 385 m，預計露天開采服務年限還有10 a。地下開采擬采用上向進路充填采礦法等開采。該礦山萬硐山礦段56勘探線剖面圖見圖1。針對該礦山萬硐山礦段地下礦體產狀復雜多變，斷層、褶皺及節理裂隙發育等復雜難采條件，在現場結構面調查、巖石力學試驗基礎上，進行巖體質量評價、確定巖體力學參數，確定合理的境界頂柱厚度。

2巖體力學參數確定

根據地質勘查資料，該礦山礦體上盤巖體主要為碳酸鹽巖（灰巖），下盤主要為石英正長斑巖。為此，對相關區域進行了實地調查并取巖樣，開展室內單軸抗壓、抗剪及點荷載試驗，最終確定碳酸鹽巖（灰巖）巖體質量等級為Ⅳ—Ⅴ級，原生礦和石英正長斑巖為Ⅲ級，氧化礦為Ⅴ級。

結合室內巖石力學試驗結果，利用Hoek-Brown經驗公式得出巖體力學的相關參數。結合工程巖體分級標準，經折減，得到了相關巖體的力學參數，結果見表1。

3境界頂柱厚度理論計算

3.1K.B.魯別涅依特公式

K.B.魯別涅依特公式考慮了采空區跨度及頂柱巖體特性（強度及構造破壞特性）對安全頂柱厚度的影響，同時也考慮了采空區上方附加荷載的影響（見圖2）。安全頂柱厚度計算公式［10］：

98σB（1）

式中：h為安全頂柱厚度（m）；K為安全系數；ρ為頂板礦石密度，取3.60 t/m3；l為采空區跨度（m）；σB為巖石單軸抗壓強度（MPa），σB=0.085σcK0K3（σc為頂板強度極限，原生礦為138.04 MPa，氧化礦為93.01 MPa；K0為強度安全系數，2～3，取2.5；K3為結構削弱系數，7～10，取8），原生礦、氧化礦分別為0.396 MPa、0.372 MPa;F為境界頂柱承受的壓應力，F=G2bc（G為露天采掘運輸設備的重力，b為設備寬度，c為設備長度）。

該礦山露天開采采用SANY 750H 4.5 m3型電鏟，其質量為76 200 kg，按履帶接地長4.65 m，寬0.65 m，經計算可得到電鏟對境界頂柱的壓力為0.252 MPa。采空區跨度為12 m時，代入式（1）計算得到安全頂住厚度為9.53 m。

3.2“三帶”理論

“三帶”理論計算公式為：

hm=hqγ0－1（2）

式中：hm為冒落帶最大高度（m）；hq為礦體鉛直回采厚度（m）；γ0為冒落礦巖平均松散系數，取1.20［11］。

回采巷道高度4.0 m，經計算得氧化礦等破碎帶礦體冒落帶最大高度為20 m。

3.3工程類比法

該方法是通過借鑒國內外露天轉地下工程經驗，綜合比較工程條件的異同點后確定適宜的境界頂柱厚度取值。國內外部分露天轉地下開采礦山境界頂柱厚度見表2。

該礦山礦巖普氏硬度系數為1～15，參照國內外露天轉地下工程實例，其境界頂柱厚度應以20～25 m為宜。

4境界頂柱合理厚度數值模擬

綜合考慮各種定量和定性影響因素，針對該礦山的工程實際，在理論計算的基礎上，采用Flac3D軟件對露天轉地下開采境界頂柱厚度進行數值模擬研究，并與理論計算結果相結合，綜合分析獲得該礦山露天轉地下開采最優的境界頂柱厚度。

4.1計算模型的建立及模擬方案

設計地下開采采用上向進路充填采礦法，結合地質條件，該礦山地下礦體的平均水平厚度為17.1 m，傾角約30°，進路沿走向布置，長50 m。參照礦山露天采場特征，按照開挖范圍的3～5倍建立模型（見圖3）。其中，模型x軸垂直礦體走向，y軸沿礦體走向，z軸為豎直方向，整體尺寸為550 m×300 m×250 m。

針對原生礦和氧化礦2種不同巖體質量的巖體，設計模擬方案時將二者進行區分。結合理論分析結果，設定模擬境界頂柱厚度分別為15 m、20 m、25 m、30 m時采場的穩定性，并進行優選，以達到礦山安全、經濟開采的目的。進路斷面尺寸遵照前期研究成果，按照隔一采一的回采順序進行開挖，自下而上進行回采，具體斷面尺寸為：氧化礦3.5 m×4.0 m，原生礦4.5 m×4.0 m。

4.2模型屬性及邊界條件的設定

網格中的所有區域均定義為Mohr-Coulomb彈塑性模型［12］，模型邊界采用位移約束進行限定，沿著x、y方向的位移約束均為0，z方向模型底部位移約束為0，頂部為自由邊界［13］。

4.3地應力及初始應力場生成

同步施加重力應力和構造應力形成最終的初始應力場，采用的加載方式為梯度加載。重力應力（SZZ）為上覆巖層及設備的自重，即：

SZZ ""= ρghB（3）

式中：ρ為上覆巖層的密度（g/cm3）;hB為模型底部距離地表的距離（m）。

構造應力參考附近礦山的地應力測量等資料，按照式（4）進行計算：

σ1=1.33+0.047hB（4）

σh，max=0.040 1hB+4.236 4（5）

經計算，三向應力及梯度值見表3。

4.4模擬結果及分析

通過模擬該礦山深部礦體的開挖與充填，研究露天與地下采場最大主應力、最小主應力、塑性區和豎向位移的變化規律，綜合分析優選出最佳的境界頂柱厚度。

由于文本篇幅限制，本文只羅列原生礦境界頂柱厚度為15 m、20 m的相關云圖，其余云圖在此不做贅述。

1）原生礦最大主應力云圖見圖4。由圖4可知：各分層采充結束后，應力集中區域主要分布在臨近采場的上、下盤兩側，隨著分層高度的增加越來越明顯。不同境界頂柱厚度下形成的最大壓應力均未超出巖體的抗壓強度。這表明境界頂柱及采場內未發生壓裂破壞。

2）原生礦最小主應力云圖見圖5。將不同境界頂柱厚度下，各分層采充結束后對應的最小主應力進行統計，結果見表4。

由圖5可知：當境界頂柱厚度為15 m時，隨著工程開挖，連續3個分層采充結束，在進路周圍及頂柱靠近地表的位置分別形成0.325 9 MPa的拉應力，其余位置均表現為壓應力，且拉應力集中區域與地表貫通，超出巖體的抗拉強度，承壓能力急劇下降，發生失穩；境界頂柱為20 m時，采場內形成的拉應力未超出巖體的抗拉強度。從最小主應力的角度分析，建議地下開采原生礦區域時的境界頂柱厚度設置為20 m。

3）原生礦豎向位移云圖見圖6。由圖6可知：境界頂柱厚度為20 m時，垂直走向方向進路內及頂柱整體的位移量達到6.0～7.0 mm；境界頂柱厚度為15 m時，垂直走向方向進路內及頂柱整體的位移量達到13.6～17.2 mm；豎向位移云圖顯示的位移中尤以頂板的下沉為主。統計不同境界頂柱厚度下，各分層采充結束后采場內生成的豎向最大位移，結果見表5。

4）原生礦塑性區云圖見圖7。通過fish語言監測塑性區體積，統計結果見表6。

將位移和塑性區體積隨境界頂柱厚度的變化繪制成折線圖，見圖8。

原生礦進行地下開采，當境界頂柱厚度由20 m減小為15 m時，境界頂柱的塑性區和最大位移已經貫通至地表。由圖8可知：隨著開采工作的進行，地下采場的塑性區體積和進路內的豎向位移均激增，從該角度分析，受重力應力及構造應力的影響，在日常生產擾動下境界頂柱的厚度達到巖體允許的極限值，發生了失穩。由此判斷，頂柱承壓能力急劇下降，發生了整體垮塌。

從最大主應力、最小主應力、塑性區和豎向位移的角度分析，并考慮安全系數，確定了該礦山原生礦進行地下開采時需留設的境界頂柱厚度為20 m。氧化礦區域采用數值模擬的方式，確定了留設的境界頂柱厚度為25 m。

5結論

1）在室內試驗和現場調研基礎上，采用經驗公式計算得到該礦山露天轉地下開采境界頂柱厚度，參考國內外相關礦山經驗，提出了合理的境界頂柱厚度。

2）采用數值模擬方法，綜合分析各境界頂柱厚度下采充結束采場形成的最大主應力、最小主應力、豎向位移、塑性區，結合理論分析最終得到該礦山境界頂柱合理厚度：原生礦20 m，氧化礦25 m。

［參 考 文 獻］

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Study on the reasonable thickness of boundary roof pillars in

the transition from open-pit to underground mining in a gold mine

Liang Yuangui1，Zhou Zonghong2，Hou Tingkai2，Huang Yaochun3

（1.Heqing Beiya Mining Co.，Ltd.;

2.Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Science and Technology;

3.Yunnan Geological and Mineral Construction Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：A gold mine，from below 1 385 m elevation，will transition from open-pit to underground mining，intending to use the upward approach and filling mining method.In order to avoid mutual interference caused by simulta-neous open-pit and underground mining and achieve a smooth transition of mine production，it is necessary to study the reasonable thickness of boundary roof pillars.Based on relevant laboratory experiments，the reasonable range of boundary roof pillar thickness was calculated using the K.B.Lu Peinie equation，three-zone theory，and engineering analogy method.Flac3D software was used to numerically simulate different thicknesses of boundary roof pillars to determine the reasonable thickness for the transition from open-pit to underground mining in the mine.The results show that when underground mining is conducted in primary ore and oxide ore areas，boundary roof pillars of 20 m and 25 m respectively need to be reserved，at which point the impact of underground mining on open-pit slopes is minimized and the overall mining area tends to be stable，meeting the requirements for safe mine production.The research results can provide a theoretical basis for mine design.

Keywords：transition from open-pit to underground;mining boundary;roof pillars;numerical simulation;Flac3D software;roof pillar thickness

收稿日期：2023-12-10； 修回日期：2024-03-05

基金項目：國家自然科學基金項目（52264019）

作者簡介：梁源貴（1973—），男，高級工程師，從事采礦技術研究與管理工作；E-mail：644024471@qq.com

*通信作者：周宗紅（1967—），男，教授，博士，從事采礦與巖石力學教學和研究等方面工作；E-mail：zhou20051001@163.com