露天转地下开采境界矿柱安全厚度稳定性分析.pdf

收稿日期 2010- 02- 21 基金项目 国家科技支撑计划项目 2008BAB34B02 ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 90401006;国家自然科学基 金资助项目 50974031 ; 教育部新世纪优秀人才支持计划项目 NCET- 10- 0275 ; 教育部基本科研业务费青年教师 科研启动基金资助项目 N090301002 作者简介 杨宇江 1974- , 男, 辽宁丹东人, 东北大学博士研究生; 李元辉 1968- , 男, 辽宁大石桥人, 东北大学教授 第32卷第7期 2011 年 7 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol132, No. 7 Jul.2 01 1 露天转地下开采境界矿柱安全厚度稳定性分析 杨宇江1,李元辉1, 尹国光2, 韩洪江2 1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819; 2. 山东黄金归来庄矿业有限公司, 山东 平邑 273300 摘 要 以归来庄金矿露天转地下开采过渡期为工程实例, 采用 FLAC3D软件, 分别考虑静态和动态载 荷, 对预留境界矿柱的安全厚度展开分析在动载时, 采用常用的三角形波模拟爆破施工荷载, 得到爆破振动 作用下不同厚度境界的振动速度和应力的分布规律根据两者之间的统计关系, 并结合岩石的抗拉强度准则, 分析了不同厚度境界矿柱发生破坏的临界振动速度计算结果表明 垂直方向振动速度和拉应力最大值之间 为线性关系, 可采用质点最大振动速度作为安全判据当矿房跨度分别为 8, 10 和 12m 时, 在动载作用下, 最 小安全厚度分别为 8, 14 和 18m 关 键 词 采矿工程; 境界矿柱; 爆破荷载; 数值模拟; 振动速度 中图分类号 TD 323 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026201107 -1032 -04 Stability Analysis of Boundary Pillars Safety Thickness for Transition from Open Pit to Underground Mining YANG Yu -jiang 1, LI Yuan -hui1, YIN Guo -guang 2, HAN Hong -jiang2 1. Schoolof Resources 2. Guilaizhuang Gold Mine of Shandong Gold Group Co. , Ltd. , Pingyi 273300, China. Corresponding author YANG Yu -jiang, E - mail yyj-yangyujiang 163. com Abstract Based on the conditions of open pit and underground mining of Guilaizhuang gold ore, the stability of different thickness boundary pillars was assessed with considering the effect of static load and dynamic load, respectively, by using software of FLAC3D. Under dynamic load, blasting construction load wassimulated with usual triangular wave, the vibration velocity and the stress distribution laws of different thickness were then achieved. According to the statistical relationship and the tensile strength standards of rock, the threshold vibration velocity for the boundary pillars with different thickness was analyzed. The results showed that the relationship between the vertical vibration velocity and the maximum tensile stress is linear. The maximum vibration velocity of a particle can be used as the safety criterion. When the ore room span is 8, 10 and 12 m,under the dynamic loads,the minimum safety thickness is 8,14 and 18 m, respectively. Key words mining engineering; boundary pillar; explosive load; numerical simulation; vibration velocity 在露天转地下开采的矿山中, 为了保证过渡 期的产量衔接, 可采用露天与地下同时开采的方 式[1], 此时, 需在露天坑底与地下采场间预留一 定厚度的境界矿柱但是境界矿柱也会给地下开 采的安全带来隐患, 如境界矿柱过薄, 易造成境界 矿柱突然间塌落, 对作业人员和设备产生极大的 威胁; 因为矿柱回采率低, 贫化率大, 境界矿柱如 果过厚又会造成矿产资源的浪费, 同时增加掘进 工程量和投资[2- 3]; 而坑底的爆破作业是露天开 采中不可避免的, 这势必对境界矿柱的稳定性产 生影响为此, 本文以山东黄金归来庄矿业有限公 司露天转地下开采过渡期为例, 采用 FLAC3D软 件, 就动载荷作用下不同跨度矿房的境界矿柱的 稳定性展开分析 1 计算模型 归来庄金矿位于沂沭断裂带中段西侧, 平邑 方城凹陷的南部边缘, 总体为倾向北东的单斜 构造区域内中生代岩浆岩较为发育, 岩性主要为 二长闪长玢岩、 二长斑岩等露天坑地面标高 120 135 m, 目前采深- 50 m数值模型选取南坡 28 线位置, 沿矿体走向 60 m 作为计算范围, 下边界 取- 110 m 水平, 上边界取至 25 m 马道, 见图 1 所示为便于计算, 模型简化为准三维模式 图 1 计算模型示意图 单位 m Fig.1 Schematic diagram of the calculation model unit m 1. 1 爆破冲击荷载和边界条件 采用四川拓普数字设备有限公司生产的 T OPBOX爆破振动智能监测仪对坑底爆破进行 了震动测试现场爆破参数为 钻孔半径 715 cm, 孔深 6 m, 孔倾角 10 b 15b, 布孔间、 排距为 2 m 2m, 最大单响药量 48 kg工程中使用 2 号岩石乳 化炸药, 自由面为靠近边坡的一侧测点布置在爆 心下方的- 70 m 探矿巷, 距爆心高差 24 m 为研究距爆源中远距离处岩体的振动情况, 在本文中, 采用三角形波的形式, 把第一段爆破载 荷以等效压应力施加到炮孔轴线与同排炮孔连心 线所确定的- 50 m 轮廓面上[4- 7]根据实测数据 进行拟合, 坑底爆破振动速度垂向衰减规律为 vL 18516 Q 1 3 R 1. 86 1 式中 vL为质点垂向振动速度, cm/ s; Q 为最大 单响药量, kg; R 为爆心距, m取 R 为 4 m, Q 为 48 kg 代入到公式 1, 得到- 50 m 水平最大振动 速度为 156 cm/ s, 进而根据爆破振动速度和应力 之间的关系见式2可算得最大振动荷载 R Q Cpv 2 式中 Q为介质的密度, kg/ m3; Cp为介质内的纵 波波速, m/ s; v 为与波传播方向一致的质点振动 速度, m/ s取 Q为 2 750 kg/ m3, Cp为 3 800 m/ s, 求得载荷为 1613 MPa参照实测数据取载荷升压 时间 20 ms, 作用时间 60 ms, 为了解爆破荷载结 束后质点的响应情况, 动力计算总持续时间取为 013 s 由于计算区域埋深较小, 不考虑构造应力的 影响, 在模型上边界 x 方向 135 200 m 处施加 0 4 MPa的梯度载荷以模拟上覆岩体的自重进 行静力计算时, 模型四周及底部施加速度约束 动力计算时, 选用静态边界条件和局部阻尼, 阻尼系数为 01157 1模型中共划分 96 780 个单 元,106 719 个节点, 经试算, 符合 l 1/ 10 1/ 8 K的要求, 式中 l 为单元最大尺寸, K为输入 波动的最短波长[8] 1. 2 计算方案 计算方案依据采矿设计进行, 由于矿区的充 填系统未形成, 采用空场法回采首采水平拟定为 - 76 m, 设计采高为 8 12 m计算过程中考虑 3 种方案, 即矿房跨度分别为 8, 10 和 12 m, 位于模 型 y 方向中间的位置矿房拉开后高度为 4 m, 此 后每步采高 2m, 以讨论预留境界矿柱, 即矿房顶 板的稳定性计算过程采用 Mohr- Coulomb 准 则, 根据现场调查, 模型范围内岩性简单, 矿体上 下盘均为斑岩, 选取矿、 岩体的力学参数分别为 弹性模量 E 为 515, 1215 GPa; 泊松比为 0122, 0120; 黏聚力 c 为 0. 4, 018 MPa; 内摩擦角 U为 42b, 48b; 抗拉强度 Rt为 0125, 0165 MPa, 密度 Q 统一取2 750 kg/ m3 计算分二步进行 首先, 进行分步回采的静力 分析; 然后, 输入动力荷载, 分析其在爆破荷载作 用下的动态响应特征, 以质点振动速度和岩体产 生的附加拉、 剪应力作为研究的重点进行讨论 2 计算结果及分析 图 2为采准工程完成前- 76 m 沿脉巷水平 径向 x 方向 和垂直方向 z 方向 FLAC3D计算 得到的质点振动速度与现场监测结果的比较, 数 值记录点和现场实测点基本重合可以看出, 模拟 结果与实测结果在衰减趋势上是基本相同的, 但 质点振动速度演变规律不完全一致如果从质点 振动速度最大值来看, 实测结果与数值模拟结果 相对误差在 10 以内, 垂向质点振动速度同式 1 的计算结果比较误差为 17, 这主要是由于 实测时的测点布置并不总是在爆心的正下方而导 致的场地和衰减系数不完全一致对比实测和模 1033第 7 期 杨宇江等露天转地下开采境界矿柱安全厚度稳定性分析 拟的结果, 可以证明本文所建立的数值计算模型是较合理的 图 2 质点振动速度时程曲线 Fig.2 Time history curves of vibration velocity of the particle a 水平速度; b 垂直速度 2. 1 振动速度响应规律 取监测点于矿房顶板的中间位置, 得到质点 最大振动速度随采高的演化规律曲线, 见图 3, 图 中水平速度为垂直矿体走向 x 方向, 垂直速度 为铅直方向 z 方向可以看出 因为数值记录点 与爆心夹角在 40b 50b之间, 所以 x 和 z 方向的 振动速度最大值差异不大, x 方向的速度略小于 z 方向的速度振动速度最大值随采高和跨度的 增加而增大, 8 m 跨度的矿房当采高增至 18 m 时, z 方向最大振动速度达到 3316 cm/ s; 10 和 12 m 跨度的矿房, 当采高分别增至 14 和 10 m 后, 振 动速度分别达到 3413 和 3319cm/ s此时, 最大振 动速度均超过了我国5爆破安全规程6 GB6722 2003 规定矿山巷道的安全允许振速 15 30 cm/ s , 处于不安全状态当 8, 10 和 12 m 跨度的矿房 采高分别增至 20, 18 和 14 m 时, 最大振动速度均 达到或接近了 60 cm/ s, 可见, 此时顶板中有可能 产生新的裂缝[ 9- 10] 图 3 质点最大振动速度 Fig. 3 Maximum vibration velocity of the particle 2. 2 应力响应规律 动力数值计算的结果显示, 顶板的最大拉应 力存在于顶板的中间位置, 剪切应力集中于下盘 一侧的拐角, 因而对相应部位的单元数据进行记 录最大剪切应力 S通过式3求得 S 1 n 6 N i 1 1 2 R1i- R3i3 式中 R1i, R3i分别为顶板拐角部位第 i 个单元的 最大和最小主应力, 且 R1i\R3i; n 为顶板y 方向 上的单元数 在动载荷的作用下, 岩石的强度普遍略大于 静载时的强度, 由于缺乏相应的动载强度实验指 标, 本文中参照静载强度值, 结果偏于保守在 FLAC 中规定/ 拉正压负0, 图 4 为- 76 m 矿房回 采后顶板中间位置单元在动载作用下拉伸应力变 化情况, 可见, 16 m 跨度矿房顶板的拉伸应力最 大值最大, 接近 0116 MPa, 但仍小于岩体的静抗 拉强度; 随着矿房跨度的减小, 拉伸应力最大值减 小, 爆破产生的动载不会在矿房顶板产生新的拉 伸破坏图 5 为动、 静载作用下测点拉、 剪应力的 最大值随采高演化规律曲线, 可见, 随着采高的增 加, 应力最大值逐渐变大, 对于跨度 8 m 的矿房, 动载作用下拉应力最大值受采高影响较小, 当采 高增至 18 m 时超过岩体抗拉强度, 达 0128 MPa, 图 4 拉应力时程曲线 Fig. 4 Time -history curves of tensile stress 1034东北大学学报 自然科学版 第 32 卷 当采高增至 20 m 时, 拉应力较采高 4 m 增长了 412 倍; 跨度 10 m 的矿房在采高 12 m 时超过岩 体抗拉强度, 而跨度 12m 的矿房最大拉应力受采 高的影响明显, 当采高至 8 m 即超过岩体抗拉强 度, 增至 14 m 时, 拉应力增长了 315 倍最大剪应 力的演化规律同拉应力类似, 但在首采水平就已 超过岩体的抗剪强度数值计算的结果也表明, 在 静力的作用下, 顶板靠近下盘的拐角位置已存在 较大范围的剪切破坏区, 并随着采高的增加而发 展动载作用下变化最显著的为跨度 10 m 的矿 房, 最大剪应力增长了 118 倍, 这主要是由于该矿 房的采高较大从动载作用下应力最大值增幅来 看, 至计算终止时, 8 至 12 m 跨度矿房拉应力最 大值增幅分别是 158 , 162和 181 , 而剪应力 依次为 111 , 112 和 106可见, 动载作用下 影响最大的为拉应力, 并且拉应力最大值的增幅 随跨度而增长 图 5 不同采高测点应力最大值 Fig.5 Maximum stress of different mining height a 拉应力; b 剪应力 图 6 为 8 m 跨度矿房采高从 4 m 增至 18 m 时最大拉应力和最大振动速度的统计关系, 可以看 出两者之间基本为线性关系, 表明采用质点最大 振动速度作为安全判据是合理的不同跨度矿房最 大拉应力与最大振动速度的拟合曲线方程见表 1 所示, 当采场顶板的抗拉强度满足表 1 中的关系式 时, 相应的振动速度可以作为爆破振动安全判据 图 6 顶板最大拉应力与最大振动速度统计关系 Fig. 6 Statistical relationship between the maximum tensile stress and maximum vibration velocity of roof 同时参照图 4可求得, 对于 8 m 跨度采场, 最 大允许振动速度为 3017 cm/ s, 相应采高为 16 18m; 10 m 跨度采场最大允许振动速度为 2618 cm/ s, 相应采高为 10 12 m; 12 m 跨度采场最大 允许振动速度为 25 cm/ s, 相应采高为 8 m由此 可以确定 8, 10 和 12 m 跨度采场境界矿柱的最小 安全厚度分别为 8, 14 和 18m 表 1 动载作用下最大拉应力与垂直振动速度关系 Table 1 Relationship of the maximum tensile stress and the vertical velocity under dynamic load 矿房跨度 m 拟合曲线 斜率标 准偏差 截距标 准偏差 8R 0. 0064 v 0. 0543. 0 10- 40. 008 10R 0. 006 4 v 0. 081. 7 10- 40. 005 12R 0. 008 v 0. 040. 0010. 006 3 结 论 1 动力载荷施加后, 矿房顶板垂直和水平方 向均表现出较高的振动速度, 并随着采高的增加而 增大, 在相同的采高条件下, 跨度较大的矿房振动 速度较高, 垂直方向的振动速度要大于水平方向 2 动载对境界矿柱的拉应力最大值的影响 较为明显, 并且拉应力最大值的增幅随跨度的增 加而增长随着境界矿柱厚度的逐渐递减, 垂直方 向振动速度和拉应力最大值之间表现出较好的线 性关系, 表明采用质点最大振动速度作为安全判 据是合理的 下转第 1040 页 1035第 7 期 杨宇江等露天转地下开采境界矿柱安全厚度稳定性分析 654- 657. 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