露天轉(zhuǎn)地下開采的礦柱穩(wěn)定性分析

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦柱穩(wěn)定性分析

1境界礦柱留不開采唐鋼采礦公司石仁溝煤礦是唐鋼的主要開采單位。露天開采完成，位于室外采礦區(qū)。由于其露天轉(zhuǎn)地下開采采礦方法采用了空場法,并且留設(shè)頂柱,即境界礦柱。這勢必會影響地下開采的安全,因為如果境界礦柱留的過薄,易造成空區(qū)圍巖突然間崩落,會對底柱產(chǎn)生動力沖擊作用,并且當頂柱塌落時對空區(qū)中空氣進行壓縮。被壓縮的空氣從與空區(qū)連通的巷道泄出時具有很高的速度,可高達100m/s以上,形成破壞性很大的氣浪。對井下設(shè)施及人員有一定危害,甚至可使礦井報廢。境界礦柱如果留的過厚又會造成礦產(chǎn)資源的浪費,因為礦柱回采率低,回采境界礦柱的掘進工程量和投資較大。因此,境界礦柱厚度的確定是一項非常重要和復(fù)雜的科研課題。2服刑人員采礦方法及回采順序石人溝鐵礦礦體走向近似南北,傾角50°～70°,屬急傾斜礦體。露天開采以16線為界,將采區(qū)劃分為南、北兩個采區(qū)。目前,南區(qū)露天開采已經(jīng)結(jié)束,并且作為內(nèi)部排土場(排土場最高標高為+140m)。露天坑閉坑時的坑底標高范圍為+16～+25m;北區(qū)仍在進行露天開采,但開采礦量降為50萬t/a。地下開采首采區(qū)選擇在南區(qū)16～30線-60m中段(地下開采共設(shè)0m、-60m,-120m三個中段,其中0m為回風中段)。地下開采規(guī)模設(shè)計為60萬t/a。首采區(qū)范圍內(nèi)礦體走向長1400m,平均厚度9.7m,以中厚礦體為主,并且在20線和25線附近分別有F8和F18兩個大的斷層出露(見圖1所示25斷面示意圖)。采礦方法采用空場法(厚度在5m以上的中厚礦體采用分段法,5m以下礦體采用留礦法):礦塊沿礦體走向布置,礦塊長50m,中段高度60m,分段高度10m,頂柱高6m,底柱高6m,間柱寬8m,礦塊寬度同礦體厚度一致(見圖2采礦設(shè)計示意圖)?；夭身樞?先采上盤后采下盤礦體,同一層礦體自回風井后退式開采。南區(qū)地下首采區(qū)現(xiàn)正在進行開拓:地下開拓共鑿三條井,主、付井(兩個井口相距77.7m,井口標高分別為+94.9m和+99m,井深分別為274.9m和291m)在16-18線之間,風井在28線以南、30線附近。在0m水平開通風巷道,-6m作為頂柱的下邊界,0m為頂柱的上邊界,境界頂柱從0m向上至露天坑底。3開采對礦體及采礦條件影響分析地下開采形成采空區(qū),若圍巖強度較高且空區(qū)范圍小,頂柱(露天采場坑底離采空區(qū)頂部的距離)較厚,只會局部采空區(qū)頂板崩落成拱,形成的裂隙帶不會波及到坑底。當采空區(qū)暴露面積較大,圍巖不夠穩(wěn)定或其他不利因素作用(地下水下滲引起巖體強度弱化、爆破震動等),可能引起頂柱突然失穩(wěn)、冒落的災(zāi)害。分析該礦的地質(zhì)條件和采礦條件:頂柱和圍巖存在著天然不整合面,坑底有積水,開采將引起減小頂柱和圍巖間不整合面的摩擦系數(shù),并誘導(dǎo)積水滲入采空區(qū),進一步降低該不整合面的抗剪強度,上覆回填物的壓力和水壓作用將使得頂柱沿與圍巖的接觸面滑動脫落,造成突冒、突涌的危害。沿礦柱走向的不同位置,礦柱傾角、寬度、厚度、頂柱的高度、地表回填物的高度差別較大,加上斷層的賦存,使得采場不同位置的穩(wěn)定性差別較大。分述如下:(1)19、21、26斷面,由于礦體厚度較窄(小于10m),預(yù)留的頂柱高度較大,開采引起的頂柱拉應(yīng)力區(qū)較小,穩(wěn)定性較好。(2)16、18、28斷面,礦體厚度較大(10～20m),開采引起的頂柱拉應(yīng)力區(qū)較大,存在失穩(wěn)破壞的可能。(3)20、25斷面,開采將切穿斷層(F8、F18),輕則由于圍巖冒落和涌水影響巷道掘進,嚴重時將形成突冒、突涌危害。以上分析只是提出了不同斷面的穩(wěn)定程度差別和可能的破壞模式,還需要通過下面分析計算給出定量的結(jié)論。4頂柱安全厚度確定從唐鋼礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦現(xiàn)場的實際工程地質(zhì)條件、規(guī)模和使用條件等方面出發(fā),與國內(nèi)外(表1、2)已建的同類工程相比較,從而確定露天境界礦柱厚度的方法,稱為工程類比法。經(jīng)由“工程類比法”計算的參數(shù),都采用有關(guān)的計算方法來進行校核。表1的工程類比法,列舉了國外一些礦山安全頂柱厚度,這些頂柱厚度的確定,主要考慮了采空區(qū)跨度和暴露面積以及圍巖硬度,據(jù)此確定石人溝鐵礦境界礦柱厚度見表3,結(jié)果表明,石人溝鐵礦的安全頂柱厚度在20m以內(nèi)。根據(jù)石人溝鐵礦采空區(qū)圍巖壓力分布特點和可能的破壞模式,該礦的一些條件(不整合面、水等)沒有考慮進去,所以不能認為20m的境界礦柱厚度就能保證該礦的安全。其他工程經(jīng)驗方法見表4,這些方法都是針對不同的假設(shè)條件得出的,有的考慮到空區(qū)跨度及頂柱巖體特性對安全頂柱厚度的影響(K.B.魯別涅依他等人的公式),有的考慮了空區(qū)跨度、頂柱抗拉特性及臺階爆破動載荷的影響(B.И.波哥留波夫的公式),有的假設(shè)頂柱是一個兩端固定的平板梁結(jié)構(gòu)(平板梁理論),等等。綜合以上幾種方法,這些公式有較大的片面性,依據(jù)這些公式得出的頂柱安全厚度差別較大,見表3,只能起到參考作用。因此,需要針對石人溝鐵礦的具體條件,建立相應(yīng)的解析方法。5采空區(qū)穩(wěn)定性分析采空區(qū)覆巖包括頂柱和回填物以及水壓作用,可以利用微分條塊的辦法劃分計算重力和側(cè)邊剪力,微分條塊數(shù)量越多計算結(jié)果越精確。在考慮每一微分條塊不同物理力學指標的同時,就可以估算采空區(qū)頂柱極限高度與下沉變形量,據(jù)圖3,采空區(qū)頂柱受力平衡關(guān)系寫出下式:開挖后,采空區(qū)上覆n條巖土層(對于i條厚度hi)重力與側(cè)邊剪力比值(安全系數(shù))η為:η=R/W=2∑i=1n[cihi/cosθ+σxihitanΦisinθ]/(∑Bρihisinθ+ρwhwB)(1)η=R/W=2∑i=1n[cihi/cosθ+σxihitanΦisinθ]/(∑Bρihisinθ+ρwhwB)(1)其中:σxi=μi1?ui(σz(i?1)+ρihi2)=μi1?μi(∑j=1i?1ρihj+ρihi2)i=1?2(2)σxi=μi1-ui(σz(i-1)+ρihi2)=μi1-μi(∑j=1i-1ρihj+ρihi2)i=1?2(2)計算參數(shù)與結(jié)果見表5。由于不同斷面的頂柱厚度(h2)、頂柱寬度(B)、上覆回填物高度(h1)和礦體傾角(θ)不同,所以各斷面安全系數(shù)不同,同時還考慮了10m高的水壓作用,計算結(jié)果見圖4和表5所示。計算結(jié)果表明,各個斷面穩(wěn)定系數(shù)大于1,處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是16、19、20、24和28斷面由于采空區(qū)較寬(20m),其穩(wěn)定系數(shù)儲備小于1.3,尤其16、20、28斷面的頂柱厚度相對于空區(qū)跨度來講,不是很厚,其穩(wěn)定系數(shù)儲備小于1.2,按照重大巖石工程穩(wěn)定性的設(shè)計要求,穩(wěn)定系數(shù)要求在1.2-1.3以上。顯然這幾個斷面穩(wěn)定系數(shù)儲備處于這一臨界值。在這個極限平衡方法中,應(yīng)用了摩爾-庫侖準則,即確定了潛在滑動面后,比較抗滑力和下滑力,同時考慮了水壓作用,應(yīng)該說比較接近實際。但是,該方法的缺陷是同一斷面的相鄰礦體開采時,計算得到的水平壓應(yīng)力小于實際情況,這樣夸大了抗滑力的作用