露天转地下开采坑底境界矿柱厚度的确定

露天转地下开采坑底境界矿柱厚度的确定

户外采矿和地下开采有很多方案。无论是否留下矿山柱，都主要取决于露天开采的现状和场地的条件、地下开采方法和回采技术的要求。留设境界矿柱可以在露天底板不受破坏的情况下进行地下开采,在一定时期内保证露天和地下开采同时进行,稳定矿山生产。但境界矿柱留设也会影响地下开采的安全,如果境界矿柱留的过薄,易造成境界矿柱突然间崩落,会对地下采空区产生强动力空气冲击,对井下设施及人员有很大危害,甚至可使矿井报废。境界矿柱如留的过厚又会造成矿产资源的浪费,矿柱回采率低(目前在国内只有40%左右,甚至更少),贫化率大。因此,境界矿柱厚度的确定是一项非常重要而又复杂的科研课题。1地面无砂地下开采系统唐钢矿业公司石人沟铁矿是1975年7月建成投产的露天铁矿山,是唐钢的主要原料供应单位。其露天开采境界南北长2.8km,由南向北分为3个采区,28～18线为南区,18～8线为中区,8线以北为北区。经过近30年的开采,其露天部分即将结束。矿区在20线和25线附近分别有F8、和F18两个大的断层出露。南区和中区露天开采已经结束,作为矿山内部排土场,露天坑底的标高范围为0～+25m,排土场最高标高为+140m。北区露天部分作为大型机械开采已经结束,目前进行残矿回收。石人沟铁矿从2000年开始着手进行露天转地下开采设计及施工工作。地下工程建设分两期进行,并将地下部分以16线为界划分为南北两个区,一期工程(南区)从2001年7月开始,地下开采设计60万t/a,二期工程(北区)从2003年11月开始,地下开采设计70万t,设计地下开采规模合计130万t。一期工程为中央竖井开拓,共建设3个井,主、付井(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,-6m为矿柱的下边界,0m为矿柱的上边界,境界矿柱从0m向上至露天坑底。首采区在南区16～30线-60m中段,矿体走向长1400m,平均厚度9.7m。矿块布置从16线向南沿矿体走向布置,每50m作为一个矿房,矿块尺寸为50m×60m。采用浅孔留矿法进行采矿。为了保证在露天转地下开采过程中,防止境界矿柱发生突冒,运用RFPA进行建模,研究了地下开采对露天境界矿柱受力和变形情况,分析了境界矿柱的稳定性,针对断层影响比较严重的20线和25线的剖面境界矿柱的稳定性进行了数值计算分析。2材料的细观非均匀性RFPA是东北大学岩石破裂与失稳研究中心自主开发和研制的基于模拟岩石渐进破坏的数值模拟程序。为了反映岩石材料性质的细观非均匀性,程序中把岩石材料看作是由大小相同的四边形单元组成,假定其材料性质满足Weibull分布。同时,这些组成材料的单元也作为有限元分析的单元,当其应力状态满足最大拉应力准则和摩尔库仑准则时单元开始损伤,满足弹性损伤的本构关系。在考虑材料力学性质非均匀性的前提下,用细观上简单的本构模型研究材料在宏观层次上复杂的破坏过程。3高高高矿矿柱结构模型以整个矿山中最危险的20和25断面为基本模型进行模拟。模型包括回填物、围岩、矿体、断层。模型宽350m,高220m,境界矿柱底预留在标高为-6m的位置,按每步18m高度开挖,只考虑上覆岩体自重应力场。着重研究开挖过程中硐室围岩和顶柱的受力、变形及破坏情况。模型示意如图1和图2所示。4物理力学性质的实验和确定东北大学岩石力学试验室在石人沟铁矿现场进行了取样,经过试验与分析计算,确定石人沟铁矿的矿岩物理力学性质参数如表1。5顶柱冒落面识别通过对最危险的20断面和25断面建立模型并进行计算,得到了这2个断面的剪应力图、声发射图,弹模变化图以及破坏情况图。其中剪应力图中亮度越高,应力越集中。通过对这些图的分析,选取合理的回采方案。20断面(见图3a～3b所示),表明顶柱较为稳定,没有在顶柱局部和矿岩的不整合面发生屈服破坏,破坏区没有和露天坑底的破坏区相互贯通,稳定性较好,顶板不会发生突冒灾害。M2矿体上盘围岩以及孔区的间柱破坏区面积较大,必须加强支护。25断面(见图4a～4c所示),由于空区截穿断层带,所以引起断层破坏,并引发顶柱破坏,形成顶柱冒落。考虑矿岩长期强度后的计算所得的塑性区、垂直位移和应力向量场分布图。由于断层的存在,采空区与断层相邻,开采引起断层的破坏,造成沿断层带的冒落,进而引发顶板冒落。6顶柱厚度设计计算结果表明:①20断面顶柱稳定性较好,破坏区没有和露天坑底的破坏区相互贯通,顶板不会发生突冒灾害。M2矿体上盘围岩以及孔区的间柱破坏区面积较大,必须加强支护。②25断面由于空区截穿断层带,所以引起断层破坏,并引发顶柱破坏,形成顶柱冒落。考虑矿岩长期强度后计算所得的塑性区、垂直位移和应力向量场分布图。顶柱比间柱的支撑作用更大,间柱变薄和即使不考虑间柱的作用,能够确保顶柱围岩稳定,但是不能确保顶柱的长期稳定;顶柱厚度减小2m