石人沟铁矿露天境界顶柱稳定性分析

石人沟铁矿露天境界顶柱稳定性分析

随着露天开采深度的增加，开采成本也在增加。从开采技术和经济利益角度分析,露天开采越来越不适合。为了保持开采矿量的稳定,矿山一般采用露天和地下联合开采方案。露天转地下的方案很多,根据石人沟铁矿的实际情况(采用场内排渣,将要采用地下开采的南区其露天坑已作为北区露天开采的排渣场),采用留设境界顶柱的开采方案,在露天坑底留有一定厚度的境界顶柱,以保证开采的正常进行。境界顶柱厚度的确定需要考虑很多因素,留设过小会影响地下开采的安全;留设过厚又会造成矿产资源的严重浪费(矿柱回采率只有40%左右)。所以,境界顶柱厚度的确定是一项非常重要而又复杂的工作。1改革难度、方式及井位选择唐钢矿业公司石人沟铁矿是唐钢的主要供矿单位,其露天开采已经进入末期。矿体走向近似南北,倾角50°～70°,属急倾斜矿体。露天开采以16线为界,将采区划分为南、北两个采区。目前,南区露天开采已经结束,并作为内部排土场(排土场最高标高为140m)。露天坑闭坑时的坑底标高范围为16～25m;北区仍在进行露天开采,但开采能力已降为50万t/a。地下开采首采区选择在南区16～30线-60m中段(地下开采共设0m、-60m,-120m3个中段,其中0m为回风中段)。地下开采规模设计为60万t/a。首采区范围内矿体走向长为1400m,平均厚度为9.7m,以中厚矿体为主,并且在20线和25线附近分别有F8和F18两个大断层出露。采矿方法采用空场法(厚度在5m以上的中厚矿体采用分段法,5m以下矿体采用留矿法):矿块沿矿体走向布置,矿块长50m,中段高度60m,分段高度10m,顶柱高6m,底柱高6m,间柱宽8m,矿块宽度同矿体厚度一致。回采顺序:先采上盘的矿体后采下盘矿体,同一层矿体自回风井后退式开采。南区地下首采区现正在进行开拓:地下开拓共凿3条井,主、副井(两个井口相距77.7m,井口标高分别为+94.9m和+99m,井深分别为274.9m和291m)在16～18线之间,风井在28线以南、30线附近。在0m水平开凿通风巷道,-6m作为顶柱的下边界,0m为顶柱的上边界,境界顶柱从0m向上至露天坑底。2境界矿柱厚度的确定影响境界顶柱安全厚度的因素较多,不同因素的组合及参数的不确定性,使得目前难以用理论方法计算。目前,国内外确定采空区处理所需境界矿柱厚度的方法主要有以下几种:(1)K.B.鲁别涅依他等人的公式;(2)B.И.波哥留波夫的公式;(3)平板梁理论推导;(4)松散系数理论;(5)经验类比法等。综合来看,这些公式都有一定的假定条件和片面性,存在一定的适用范围,并不能完全真实地反应实际情况。因此,这些公式不完全适合确定境界矿柱的厚度。本文采用目前国际上较为流行的岩土工程软件FLAC2D,来确定境界顶柱的厚度。该程序的特点是:运算速度快,前后处理智能化程度高,得出的结果直观形象。3拉格朗日算法FLAC2D(FastLagrangianAnalysisofContinuain2Dimensions)——连续介质快速拉格朗日分析是由美国ItascaConsultingGroupInc.开发的二维显式有限差分法程序,其基本解法类似于离散元法,同时它又运用了连续介质的位移连续条件。它既可以分析小变形条件下的应力-应变问题,也可以求解常规有限元、边界元(基于小变形理论)不能解决的岩土工程中的非线性大变形问题,以及模拟岩体沿某一弱面产生的滑动变形。FLAC2D将计算区域划分为若干四节点平面应变等单元(单元数目与软件版本和机器内存有关),单元之间用节点相互连接。每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流变,则单元网格及结构可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的拉格朗日算法,这种算法非常适合于模拟大变形问题。求解过程中FLAC2D又采用离散元的动态松弛法,不需要求解大型联立方程组(刚度矩阵),占用内存少,求解速度快,便于在微机上求解较大规模的工程问题。FLAC2D针对不同材料特性使用相应的本构方程来比较真实地反映实际岩土或其它材料构成的地层和结构的力学性态。在该程序中有6种基本本构模型:(1)各项同性弹性体模型;(2)莫尔-库仑弹塑性模型;(3)横观各向同性弹性体模型;(4)空模型(模拟开挖域);(5)普遍存在节理模型;(6)应变软化-硬化塑性模型。可以模拟不同加载条件下的地应力场生成、边坡或地下硐室开挖、混凝土衬砌、锚杆或锚索设置、地下渗流等。程序还提供了交界面模型,可以用来模拟断层和节理。4模拟分段采矿法(1)计算模型及方案。石人沟铁矿的矿体呈高倾角单斜赋存,沿走向矿脉的倾角和厚度不断变化,而且上覆境界矿柱和回填物的厚度也沿矿脉走向变化。取沿其走向不同位置的二维横断面作为研究对象,对16、21、22、24、25断面和沿矿体走向纵向剖面6个具有代表性的断面进行建模和分析计算。模型宽330m,高240m,按每步10m高度开挖(模拟分段采矿法),只考虑上覆岩体自重应力场。由于对模型进行简化,把岩石看作弹塑性材料,计算采用莫尔-库仑屈服准则。计算模型中采用的物理力学参数见表1。用FLAC2D程序模拟石人沟铁矿地下开采过程中采空区围岩和顶柱的受力及变形情况,重点分析顶柱的变形、破坏情况。(1)各个断面计算结果。图1是16断面的计算网格;图2、3是该断面的地下开采引起的塑性区分布图和应力场分布图。从图2中可以看到只在采空区角端局部围岩进入塑性区,没有和坑底破坏区贯通,表明顶柱较为稳定,不会形成顶柱冒落,但采空区的间柱局部发生了破坏,顶柱最大下沉位移量为5.5mm。21断面(见图4),顶柱下侧和围岩的不整合面屈服破坏,并且范围较16断面大,但还没有和坑底破坏区贯通,顶板不会出现冒落,稳定性较好。22断面(见图5),顶柱局部进入塑性区,与矿岩不整合面处的塑性区相连通,但并没有和坑底破坏区贯通,不会发生突然冒顶灾害。5顶柱顶柱稳定性通过现场勘查和详细的地质、采矿资料分析,建立了矿体力学模型,应用FLAC2D数值模拟方法进行了采空区围岩变形、破坏稳定性评价。考虑到该矿的实际条件和稳定性主要控制因素,得出的基本结论如下:(1)18～20,23,26,28线断面由于矿柱较薄,采空区宽度小,预留的顶柱厚度较大,开采引起的顶柱拉应力区较小,稳定性较好,使得其比较安全,当采高达30～40m以上时,两帮可能出现局部塑性区,不会影响安全生产。(2)22,24线断面矿柱较厚(16～20m左右),尤其是空区宽度大,开采引起的顶柱拉应力区较大,在上覆岩体自重作用下,顶柱的两侧接触面局部破坏,但没有形成自下向上到坑底的连通面,稳定性较好,不会形成突然冒顶灾害。考虑到地下水对底板面弱化作用,间柱的保护作用显得格外重要,要加强间柱的维护,并注意观测其变形破坏状况。(3)断层是危害采矿顺利进行的主要控制因素。25线断面的分析计算表明,空区穿越断层,将引起围岩破坏,并诱发顶柱冒落和突涌危害,现场风巷施工时确发生了类似危害事故。建议巷道掘进通过20,25线断面时,遇到断层前,要打超前探测孔,观测断层与地表的水力联系和涌水量,为进一步分析突涌灾