备战铁矿露天矿与挂帮矿同时开采稳定性研究

1、- PAGE 6 - PAGE 1 -备战铁矿露天矿与挂帮矿同时开采稳定性研究任从坡（矿冶科技集团有限公司 北京100160）摘要：备战铁矿是正在由露天转井下生产的大型铁矿，挂帮矿采用分段空场法回采，地下矿体拟采用无底柱分段崩落法回采。挂帮矿必须与露天矿同时开采，才能在地下开拓工程建成前完成回采任务并形成覆盖层。挂帮矿采用分段空场法回采，地表不可避免会产生连续移动和变形，进而影响露天边坡的稳定性。利用FLAC软件建立过渡期备战铁矿露天边坡与挂帮矿同时开采的模型，选择合理的采场尺寸并模拟挂帮矿开采对露天边坡安全稳定性的影响。模拟结果表明，挂帮矿开采不会造成露天边坡大面积拉伸破坏，露天边坡基本稳定

2、。关键词：挂帮矿；备战铁矿；露天边坡；安全稳定性；FLACStudy on simultaneous mining stability of open pit orebody and hanging one for Beizhan Iron MineREN Cong-po(BGRIMM Technology Group , Beijing 100160, China)Abstract:The Beizhan iron mine is a large one which is being produced from open pit to underground. The hanging ore

3、body is exploited with the sublevel open field method. The underground orebody is planned to exploited with the sublevel caving method without bottom pillars. The hanging orebody must be exploited at the same time as the openpit one, so that the mining task can be completed and the overburden can be

4、 formed before the development project underground completed. The ground will be in continuous movement and deformation which will affect the stability of the open slope, because of the hanging orebody is carried out by the method of sublevel open field. A model was conducted by FLAC software to sim

5、ulate the case when the hanging orebody was exploited at the same time as the openpit one. The reasonable stope sizes were selected to simulate the influence of hanging orebody mining on the safety and stability of open slope. The simulation results showed that the mining of hanging orebody will not

6、 cause large-scale tensile damage of open slope, and the open slope will basically stable.Keywords: Hanging orebody; Beizhan iron mine; open slope; safety and stability; FLAC备战铁矿是正在由露天转井下生产的大型铁矿，目前上部为露天开采，台阶高度12 m，露天回采标高3596m3390 m，挂帮矿开采标高为3512m3392 m。挂帮矿体采用分段空场法回采，地下矿体采用竖井开拓，无底柱分段崩落法采矿方法回采。按计划，露天开采

7、还可以生产约4年，挂帮矿需与露天开采同时生产才能在地下开采开拓工程建成前完成回采任务并形成覆盖层1。挂帮矿采用分段空场采矿方法，不可避免的会引起露天边坡、上覆岩层及地表产生连续的移动和变形，进而影响露天边坡的稳定2。因此，如何保证挂帮矿和露天矿同时生产的安全成为备战铁矿亟需解决的迫切问题。1 基本概况1.1矿岩物理力学参数备战铁矿岩石主要为矽卡岩组，矿体顶、底板岩性主要以绿帘石化矽卡岩、磁铁矿化矽卡岩、晶屑凝灰岩为主，次为大理岩、凝灰岩等。主要结构体形式为薄层状、碎块状，结构面较发育，顶底板岩石多为软弱岩石，内部聚合力偏小，层间结合力较弱，抗拉抗剪断能力弱中等；磁铁矿体位于矽卡岩组之间，主要由

8、角砾状磁铁矿、浸染状磁铁矿、块状磁铁矿组成，呈致密状，节理、裂隙不发育，其稳固性较好。矿体及顶底板内摩擦角与经验值偏低，凝聚力与经验值相当3。具体参数见表1。表1 矿岩物理力学试验结果表Table 1 Physical and mechanical properties of ore and rock工程编号层位岩石颗粒密度(g/cm3)岩石块体密度(g/cm3)孔隙率(%)吸水率（%）含水率（%）单轴抗压强度(MPa)天然状态抗拉强度(MPa)内摩擦角（）凝聚力（MPa）软化系数天然状态饱和状态干燥状态ZK202顶板2.552.501.961.030.4580.8/19.2/ZK309顶板2

9、.402.371.250.820.1333.015.834.216.331.07.30.46ZK309顶板2.862.840.700.540.0679.655.888.924.228.318.20.63ZK704顶板2.442.411.230.850.1246.321.247.116.329.611.10.45ZK704顶板2.502.480.800.750.0839.722.749.210.837.93.20.46ZK704顶板2.942.920.680.560.12125.891.0138.013.433.317.70.66ZK202矿体2.582.531.940.560.30155.1/

10、12.4/露天采矿矿体2.442.420.800.470.1038.522.739.26.0835.14.50.58ZK202底板2.422.381.651.130.2875.9/5.6/ZK309底板2.742.720.730.710.1276.148.382.813.130.411.10.58ZK309底板2.662.640.750.620.1859.346.760.310.231.09.00.77ZK704底板2.732.701.100.760.1366.245.067.712.433.012.30.66ZK704底板2.992.961.000.770.24133.457.8134.39

11、.3032.28.50.43- PAGE 7 -1.2 采场结构参数挂帮矿回采采矿方法为分段空场法，垂直矿体走向布置，矿房宽度12 m，矿柱宽度8 m，中段高度60 m，凿岩分段高度24/18 m，矿块长度40 m，顶柱高度6 m。厚度大于40 m的矿体，按照上下盘划分盘区，盘区间柱8 m，由上盘向下盘后退式开采。为了保护露天边坡，在露天边坡和挂帮矿布置的矿块之间留设了厚度为12 m的边坡保安矿柱。2 三维数值模拟与分析数值模拟是采矿方法研究的重要手段。FLAC3D软件是成熟完善的一种数值分析软件，它用显式拉格朗日差分法来进行数值模拟，能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或

12、塑性流动的力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大范围变形。为准确反映备战铁矿的挂帮矿开采状态，建立备战铁矿的矿体模型和地表模型，并根据采矿方法和结构参数进行单元划分。为减少边界条件对计算结果的影响，在矿体的上下盘和纵深方向分别取足够大的长度4。首先，根据矿岩自重和重力加速度形成初始的应力场，分析初始情况下岩体的稳定性；其次，为准确模拟地表变形，在初始条件的基础上，位移清零，对矿体进行开挖，通过计算使模型达到应力平衡5。2.1材料类型及参数（1）材料类型矿体、围岩材料采用了岩土力学通用的莫尔-库仑模型，采空区采用空模型。强度准则采用摩尔-库仑准则和弹塑性本构关系，并选取大变形计算模式。摩

13、尔-库仑准则：fs = (1 - 3 ) - 2ccos - (1+3 ) sin式中：1、3分别是最大和最小主应力；c、分别为岩体的粘结力和摩擦角。当fs 0时，岩体将发生剪切破坏；当材料达到屈服极限后，在稳定的应力水平下产生塑性变形；在拉应力状态下，若拉应力超过岩体的抗拉强度，岩体将发生拉伸破坏5。（2）材料参数模拟材料矿岩力学性质参数见表2。表2 模拟材料力学性质参数表Table 2 Mechanical parameters for simulating materials项目剪切模量G(GPa)体积模量Kv(GPa)抗拉强度(MPa)内聚力（MPa）内摩擦角（）矿体11.2015.8

14、06.083.5035.10围岩13.6018.708.705.0031.602.2物理模型与约束边界经过分析发现，在整个生产过程中，中段开采对地表的影响由上及下越来越大，即3392 m中段完全开采后上部露天边坡的变形是最大的。为确保上部露天边坡的安全，以开采产生的最大位移为出发点分析上部露天边坡的稳定性，按3392 m中段以上矿体均已被开采完毕考虑。力学分析的模型根据矿体的赋存特点及空间位置建立，矿体之间的薄夹石及其薄矿体不单独建模。数值计算假设研究区域内无构造应力的影响，认为研究区域全部处于均匀分布的应力场中，不考虑水的影响。约束边界包括：（1）模型前后和左右边界施加水平约束，边界水平初始

15、位移为零；（2）模型底部边界水平、垂直初始位移均为零；（3）模型顶部为自由边界。做了必要的简化后，给对应的不同岩体赋予正确的矿岩物理力学参数。模型单元组划分有围岩、矿体1、矿体2单元组，共3组，建立三维计算模型，如图1-4所示。模型场沿矿体走向取610 m，垂直矿体走向取570 m，模型高度取300 m。模型上表面依据露天终了境界边坡建立，模型共有156321个节点，有115123个网格。模型网格采用不等分方式划分模型单元。采动范围内的单元采用细划分，母单元尺寸为10m10m10m，子单元尺寸为5m5m5m；采动范围向外的其它单元做放大处理。 图1 三维计算模型网格划分图 图2 挂帮矿矿体赋存

16、状态图Fig. 1 Mesh division of 3D computing model Fig. 2 Occurrence state of hanging orebody 图3 3452 m中段开采结束空区形态图 图4 3392 m中段开采结束空区形态图Fig.3 Shape of goaf at the end of mining at 3452 m level Fig.4 Shape of goaf at the end of mining at 3392 m level 2.3 模拟结果分析FLAC3D计算结果信息量非常大，模拟主要对挂帮矿开采区域对露天边坡的影响进行分析，即345

17、2 m中段和3392 m中段开采时对上部露天边坡变形大小、范围、水平位移、垂直位移大小的影响及规律。各计算均运行至应力平衡状态进行结果保存，应力平衡状态如图5所示。由图5可知Z方向各区段上的应力均处于均匀分布的状态，模拟亦处于平衡状态。3392m中段开采对露天边坡影响的模拟结果如图68所示。 图5 过渡期结束后Z方向应力云图 图6 3392 m开采结束露天边坡X方向位移分布图Fig.5 Stress nephogram of Z direction after the end of transition period Fig.6 Displacement distribution of X d

18、irection of open-pit slope at the end of 3392 m level 图7 3392 m开采结束露天边坡Y方向位移分布图 图8 3392 m开采结束露天边坡Z方向位移分布图Fig.7 Displacement distribution of Y direction of open-pit slope at the end of 3392 m level Fig.8 Displacement distribution of Z direction of open-pit slope at the end of 3392 m level备战铁矿挂帮矿开采对露天

19、边坡的影响主要位于露天边坡的中上部，开采3452m中段时由于采空区较小，对边坡的影响较小，该阶段造成露天边坡X、Y、Z方向最大位移为4.0mm、2.5mm、7.5mm；其中Z方向位移下沉量自中间向四周逐渐变小，直到下沉量变为零。开采3392m中段时采空区体积较开采3452m中段增大，故其对边坡的影响比上一阶段更大，该阶段造成露天边坡X、Y、Z方向最大位移为5.0mm、4.0mm、15.0mm；其中Z方向位移下沉量自中间向四周逐渐变小，直到下沉量变为零。3 结语备战铁矿在露天转井下开采过程中，为提高挂帮矿资源的回采率，采取露天矿与挂帮矿同时开采的方案。为确保露天边坡在挂帮矿开采时的安全稳定，采用

20、FLAC3D三维模拟软件分析了过渡时期露天矿与挂帮矿同时开采的过程。（1）备战铁矿挂帮矿开采对露天边坡的影响主要位于露天边坡的中上部，开采3452m中段时由于采空区较小，对边坡的影响较小，该阶段造成露天边坡X、Y、Z方向最大位移为4.0mm、2.5mm、7.5mm；其中Z方向位移下沉量自中间向四周逐渐变小，直到下沉量变为零。（2）开采3392m中段时采空区体积较开采3452m中段增大，故其对边坡的影响比上一阶段更大，该阶段造成露天边坡X、Y、Z方向最大位移为5.0mm、4.0mm、15.0mm；其中Z方向位移下沉量自中间向四周逐渐变小，直到下沉量变为零。（3）本次分析是露天边坡在地下采空的影响

21、下产生的位移变形，通过模拟分析备战铁矿挂帮矿开采对露天边坡的稳定性有一定程度和范围的影响，但未造成严重的大面积拉伸破坏，故认为在进行挂帮矿开采时露天边坡基本稳定。参考文献何佳峰,陈星明,雷 刚,等.某铁矿无底柱分段崩落法矿石覆盖层形成模拟研究J.有色金属(矿山部分),2016,68(3):5-8.1 He Jiafeng, Chen Xingming, Lei Gang, et al. Simulation study on ore overburden process by sublevel caving methodJ. Nonferrous Metals (Mine Section),2016,68(3):5-8. 姜仁义. 露天转地下规模化开采采矿方法的研究J. 现代矿业, 2016(5): 41-42.JIANG Renyi. Study on mining method of large-scale mining from open-pit to underground J. Modern Mining, 2