急倾斜金矿体防水隔离矿柱预测研究.pdf

急倾斜金矿体防水隔离矿柱预测研究 ① 付 俊1， 周 罕1， 唐绍辉2，3， 黄英华2，3 （1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650000； 2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 3.金属矿山安全技术 国家重点实验室，湖南 长沙 410012） 摘 要 根据某金矿 I2矿体的水文及地质特征和采矿方法，运用理论计算得出了矿体防水隔离层厚度，并采用有限元数值模拟计 算软件 Phase2分析了开采区域围岩变形和破坏特征。 结果表明，理论计算与数值模拟计算结果基本吻合，确定防水隔离矿柱厚度 为 87.95 m。 关键词 急倾斜矿体； 围岩稳定性； 数值模拟； Phase2； 防水隔离矿柱 中图分类号 TD853文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.007 文章编号 0253-6099（2019）03-0029-03 Prediction of Waterproofing Safety Pillar of Steeply Dipping Gold Orebody FU Jun1， ZHOU Han1， TANG Shao-hui2，3， HUANG Ying-hua2，3 （1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co Ltd， Kunming 650000， Yunnan， China； 2.Changsha Institute of Mining Research Co Ltd， Changsha 410012， Hunan， China； 3.State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mines， Changsha 410012， Hunan， China） Abstract According to hydrogeological and geological characteristics of I2gold orebody and mining s for it， the thickness of the waterproof safety pillar was obtained by theoretical calculation， and numerical simulation with finite element was conducted by using software Phase2to analyze the deation and failure characteristics of surrounding rock in the mining area. The results showed that the theoretical calculation was almost consistent with the calculation by numerical simulation and the thickness of the waterproof pillar was determined as 87.95 m. Key words steeply dipping orebody； deation of surrounding rock； numerical simulation； Phase2； waterproof safety pillar 随着人类活动的发展进程加快，越来越多的公路、 铁路及人类相关的生产建构筑物建于矿产资源地表， 矿山通过“三下”开采的方式进行生产变得越来越普 遍。 为保证地表建构筑物以及矿山地下开采的安全， 对工程地质条件及水体的分析和研究显得尤为重要。 井下工程导通地表及地下水系不但会引起生产安全事 故，而且会破坏水体的正常使用。 为了防止该类事故 的发生，必须根据地质条件及采矿方法对井下生产划 定安全开采范围，这样既可提高生产安全性，又可提高 矿产资源的利用率[1-3]。 防水隔离层厚度分析是井下安全开采范围的重要 内容，我国学者近年已对其进行了大量研究[4-6]，本文 采用理论计算与数值模拟计算相结合的方式进行急倾 斜金矿体防水隔离层的研究分析。 1 工程概况 某金矿 I2脉体倾角 45～65，平均 55，矿体厚度 0.52～2.63 m，平均 1.65 m。 矿体走向长约 55 m，标高 ＋474～＋378 m，位于一水库正下方，采矿方法为浅孔 留矿法，中段高度为 50 m。 矿体围岩主要为粉砂质板 岩、绢云板岩、条带状板岩，围岩质量等级一般为Ⅲ级， 大多完整，局部破碎。 矿区主要含水层（风化裂隙水） 富水性中等，属水文地质条件简单的裂隙充水矿床，矿 坑充水来源主要为风化裂隙水和大气降水。 水库集雨面积 1.5 km2，总库总量 70.0 104m3， 最大坝高 25 m，坝顶平均标高＋599 m，目前水面标高 ＋585 m，水库底标高＋574 m。 ①收稿日期 2018-12-13 基金项目 国家安全生产监督管理总局第一批安全科技“四个一批”项目（安监总厅管一函[2013]121 号文） 作者简介 付 俊（1986-），男，云南昆明人，工程师，硕士，主要研究方向为金属矿山岩石力学、稳定性分析及地质灾害防治。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 2 防水隔离层厚度计算 防水隔离层的留设厚度不足会导致井下生产安全 性下降，厚度过大又会导致矿产资源浪费，本文通过理 论计算与数值模拟计算的方法分别研究 I2矿体的合 理防水隔离层厚度。 2.1 理论计算 根据“三下”开采规程相关防水隔离层的理论，防 水隔离层的厚度应满足 Hsh ＝ H b ＋ H d ＋ H fe （1） 式中 Hsh为防水隔离层厚度，m；Hb为保护层厚度，m； Hd为导水裂隙带高度，m；Hfe为基岩风化带高度，m。 因矿体围岩主要为较坚硬板岩，且水库底部为裸 露基岩，根据保护层取值方法，取保护层厚度为 6 倍采 厚，计算得 Hb＝17.28 m。 根据 I2矿体赋存条件及围岩条件及采矿方法，可 确定导水裂隙带高度公式为 H ＝ 100M 1.6M ＋ 3.6 5.6（2） 计算得出 I2号矿体的导水裂隙带高度为 39.32 m。 根据水库周围的钻孔柱状图，分析其风化裂隙含 水层厚度，取最大值，得Hfe＝31.35 m。 根据防水隔离层厚度计算公式，计算得出 I2矿体 的 Hsh＝ 87.95 m，矿体在水库下赋存最高标高约为 ＋477 m，地表水库底标高约为＋580 m，与水库之间距 离约为 103 m，大于安全隔离层厚度。 急倾斜矿体的冒落带一般为导水裂隙带的 0.4～ 0.5 倍，可以按照式（3）进行确定 Hm＝ （0.4 ～ 0.5）Hd（3） 根据围岩条件，可计算得出 I2矿体的冒落带高度为 17.69 m。 2.2 数值模拟计算 2.2.1 数值计算模型 安全隔离层示意图如图 1 所示。 建立数值计算网 格模型如图 2 所示。 根据水库和矿体的位置关系，选 取具有代表性的 7 号剖面进行计算，此剖面与矿体、岩 层走向垂直，符合平面应变问题前提条件，可采用二维 数值模拟有限元软件 Phase2计算分析[7-10]。 图 1 安全隔离层示意图 图 2 数值计算模型 2.2.2 岩体物理力学参数 根据矿体围岩工程地质特征及相关实验参数，对 物理力学参数进行折算，本次数值模拟采用的岩体力 学参数如表 1 所示。 表 1 岩体力学参数汇总表 岩性 容重 ／ （kNm -3 ） 抗压强度 ／ MPa 抗拉强度 ／ MPa 内聚力 ／ MPa 内摩擦角 ／ （） 板岩27.825.780.442.2032.58 矿岩27.300.730.030.9024.12 2.2.3 数值模拟计算结果 7 号剖面 I2矿体开采岩体屈服区域图如图 3 所 示。 矿体开采结束后，围岩出现拉伸及剪切破坏区域， 主要区域位于矿体上盘围岩，破坏区域标高范围约为 ＋490～＋390 m，最大高度处距 I2矿体上端约 17.2 m， 水库周围岩体无围岩破坏区域，与理论计算中冒落带 高度结果基本吻合。 图 3 7 号剖面 I2矿体开采岩体屈服区域图 7 号剖面 I2矿体开采岩层位移云图如图 4 所示。 主要位移区域位于矿体上盘围岩，最大值位于约标高 ＋450 m 的矿体上盘，全位移数值达到约 0.36 m，位移 03矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 方向指向采空区，地表及水库附近没有出现位移区域， 对水库底基本无影响。 计算结果与理论计算一致。 图 4 7 号剖面 I2矿体开采岩层位移云图 3 结 论 1） 通过理论计算可以得出，I2矿体保护层厚度为 17.28 m，导水裂隙带高度为 39.32 m，基岩风化带高度 为 31.35 m，冒落带高度为 17.69 m。 安全隔离层厚度 计算结果为 87.95 m。 矿体最高开采标高与水库之间 距离约为 103 m，大于安全隔离层厚度。 2） 数值模拟计算表明，破坏区域最大高度位于距 I2矿体上端约 17.2 m，与冒落带理论计算结果基本吻 合，地表及水库周围岩体无围岩破坏区域及明显位移 区域，矿体地下开采对水库基本无影响，计算结果与理 论计算一致。 3） 对于相似矿体的水体下开采，防水隔离层厚度 预测分析可以通过理论及数值模拟计算相结合的方 式，既保障了地下开采的安全性，又可提高矿产资源利 用率。 参考文献 [1] 李永明. 水体下急倾斜煤层充填开采覆岩稳定性及合理防水煤柱 研究[D]. 徐州中国矿业大学矿业工程学院， 2012. 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