石人沟铁矿采场矿柱尺寸优化与稳定性分析

石人沟铁矿采场矿柱尺寸优化与稳定性分析

石仁沟矿区是唐钢的主要原料供应矿区。露天开采进入结束阶段，是露天开采和陆地转换阶段的开始和结束。由于露天转地下开采第一个中段采用了空场采矿法,因此房间矿柱的合理确定直接关系到安全高效的回采地下矿产资源。1尾矿区露天开采区石人沟铁矿矿体走向近南北,倾角50°～70°,属急倾斜矿体。露天开采以18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,并且作为内部排上场(排土场最高标高为+140m),南区露天坑底标高范围为+16～+25m。北区仍在进行露天开采,但开采矿量降为50万t/a,预计露坑底为±0m。地下开采首采区选择在南区18～30线-60m中段(地下开采共设0m、-60m、-120m三个中段,其中Om为回风中段)。地下开采规模设计为60万t/a。首采区范围内矿体长1400m,平均厚度9.7m,以中厚矿体为主,并且在20线和25线附近分别有F8和F18两个大的断层出露。采矿方法采用空场法(厚度在5m以上的中厚度矿体采用分段凿岩阶段矿房法,5m以下采用浅孔留矿法):矿体沿走向布置,矿块长50m,中段高度60m,顶柱4m,底柱12m,矿柱8～12m,分段高11m。2矿房开挖过程模拟为了从宏观上分析采场应力分布规律,评价采场稳定性,优化采场房间矿柱尺寸,采用FLAC方法模拟南区-60m中段1#～22#矿房开挖过程。2.1计算模型选取以南区-60m中段开采过程为模拟对象,考虑了不同矿房结构参数,选取三个计算方案:8m矿柱模型、10m矿柱模型、12m矿柱模型。有关计算的主要参数值见表1。2.2矿房开采对矿柱屈服区的影响根据1#～6#、22#矿房开采后的最大最小主应力云图、塑性屈服区分布等值线图、最大垂直位移云图分析可知:最大、最小主应力随开采进行,在空区两侧应力值逐渐增加,均高于原岩应力值,开挖区域越大,向空区两侧重分布的应力越大,应力渐呈拱形分布,增加后的应力值均低于抗压强度,采空区附近围岩中在5#开挖后顶板局部出现拉应力。从塑性屈服区随矿房开采情况看,当4#矿房开采后在其右端上部出现不连贯的屈服区;5#开采后,其右上端屈服区与地表贯通;6#开采后,1#～6#顶板屈服区与上部全部贯通,房间矿柱亦出现屈服区。若全部模拟开采到22#,空区顶部屈服区全部贯通,矿柱亦出现屈服区。从垂直位移看,当4#矿房开采后,最大下沉值为5m,5#开采后为19cm,6#开采后为47.5cm,22#开采后达到12m。最大下沉值发生在由F18分开的两部分空区的中部,呈拱形分布,向两侧逐渐减小。模拟计算结果表明,在4#、5#开采后即出现局部屈服破坏,6#后则出现大面积破坏,因此采用8m的房间矿柱存在较大的风险。(2)局部屈服破坏根据6#、7#、8#、11#、16#、22#矿房开采后的最大最小主应力云图、塑性屈服区分布等值线图、最大垂直位移云图分析可知:最大、最小主应力随开采进行,在空区两侧应力值逐渐增加,均高于原岩应力值,开挖区域越大,向空区两侧重分布的应力越大,应力渐呈拱形分布,增加后的应力值均低于抗压强度,采空区附近围岩中在7#开挖后在4#、5#顶板局部出现拉应力。从塑性屈服区随矿房开采情况看,当6#矿房开采后在其右端上部废石区中出现不连贯的屈服区;7#开采后,整个空区左上端、右上端废石区中出现屈服区,但未与境界顶柱贯通;8#开采后,整个空区顶板左上端、右上端废石区中屈服区范围增大,亦未与境界顶柱贯通。但7#开采后房间矿柱出现屈服点。若全部模拟开采到22#结束,则只在F18断层顶部废石中出现局部屈服区,11#～21#矿柱亦出现屈服点。从垂直位移看,当6#矿房开采后,最大下沉值为9cm,7#开采后为17cm,8#开采后为27.5cm;11#～22#开来后稳定在32.5cm。最大下沉值发生在由F18分开的两部分空区的中部,呈拱形分布,向两侧逐渐减小。以上结果显然说明在6#、7#开采后,出现废石区局部屈服破坏,但不影响整个采区的稳定性;8#开采后废石区局部屈服面积增大,亦没有大的危害;11#开采后到22#开采后屈服区没有扩大,然而需要引起注意的是在左部空区中部发生了较大的下沉,达32.5cm,并且在7#开采后矿柱中出现屈服点,屈服点出现不意味着马上破坏,但其会发展为破坏,为此在实际开采中,应注意加强对矿柱及顶板的监测以便及时处理可能出现的矿柱、顶柱的破坏。由选择的计算剖面本身带有一定的安全储备,虽然10m矿柱模拟中存在位移较大,矿柱中出现屈服等问题,但仍可认为选择10m房间矿柱是较为合理的。(3)矿房开采较少,土壤应力从开采后模拟的结果看,应力重分布状况基本与前面相近,没有出现拉应力,压应力亦小于岩体抗压强度;在废石区中出现塑性屈服区,但均未与境界顶柱贯通,境界顶柱中未出现塑性屈服区;在部分矿柱中出现了屈服点,需加强监测;各矿房开采最大下沉值仅2.5cm。由此可见,12m房间矿柱的方案是安全的。3矿柱及境界矿柱的沉降特征分析(1)开采过程对应力分布、位移分布影响较大,由于采用了分步开挖的模拟,与实际情况较为贴近;在模拟过程中较好地体现了开采过程的实际影响。(2)随着-60m中段采场回采的进行,应力重新分布,向空区两侧转移,应力分布的特点主要表现为在空区两侧主应力增加,但由于上部为松散废石,废石区内较难形成应力拱,其自重应力主要作用在境界顶柱上,应力转移的量较少,故在矿柱中均不同程度出现了屈服点。(3)覆盖废石层的沉降特点较为明显,较大的沉降主要发生在l#-8#矿房空区中部,次一级的沉降发生在11#～22#之间中部偏左,均呈拱形分布。(4)本次模拟考虑了不同的房间矿柱结构参数,结果表明,选择8m矿柱存在较大的风险,10m矿柱较为安全,而12m矿柱则偏于安全,因此建议选择1