露天转地下嵌入式复合型人工境界矿柱构建.pdf

收稿日期 2012- 07- 05 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51274055, 51204030, 51204031, 51109035 ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目 N110401003, N110501001, N110301006 ; 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金资助项目 201106 ; 辽宁省博士后集聚工程资助项目 2011921005 作者简介 张凤鹏 1967- , 男, 辽宁建昌人, 东北大学教授 第33卷第12期 2012 年 12 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol. 33, No. 12 Dec.2 0 1 2 露天转地下嵌入式复合型 人工境界矿柱构建 张凤鹏1, 刘建坡1,安 龙1,王立君1,2 1. 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819; 2. 山东黄金集团 归来庄矿业有限公司, 山东 平邑 273307 摘 要 针对传统方法处理露天坑底的矿量损失大、 隔离效果差等缺陷, 提出采用地下开采方法对露天 坑底的矿体进行回采, 铺设底部结构, 使用混凝土充填采空区, 构建露天转地下矿山嵌入式复合型境界矿柱的 新方法利用嵌入式复合结构对充填体进行连接, 在完成进路假底铺设、 进路充填、 进路与围岩间、 进路与进路 间、 进路与沟槽间的锚固连接后, 形成完整的覆盖矿体的 10m 厚的人工境界矿柱数值计算表明, 嵌入式复合 型人工矿柱的施工过程对于边坡的应力场与塑性区影响不大, 不会对边坡的稳定性产生影响工程实践表明, 嵌入式复合型人工矿柱铺设的同时对矿体进行回收, 回收率可达 95 , 铺设的境界矿柱密闭性良好, 具有隔 水、 防洪、 承压能力, 能很好地隔离露天地下相互影响 关 键 词 露天转地下; 嵌入式复合型人工矿柱; 钢筋混凝土假底; 地下采矿方法 中图分类号 TD 854 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026201212 -1770 -04 Construction ofEmbedded Compound ArtificialBoundary Pillar from Open -pit to Underground Mining ZHANG Feng -peng1, LI UJian -po 1, AN Long1, WANG Li -jun1,2 1. Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 2. Guilaizhuang Mine Co. , Ltd. , Shandong Gold Group, Pingyi 273307, China. Corresponding author AN Long, E -mail anlong55 126. com Abstract Considering the disadvantages of traditional s, such as great mine loss of open - pit bottom and bad isolation effect, an embedded compound artificial pillar that is used during the transition from open -pit to underground mining is designed.This is to employ the underground mining to extract the open -pit bottom, to lay out bottom structure and then to fill the mine -out area with concrete.It tends to connect the obturator with the embedded compound structure, to accomplish the man -made bottom layout access road, to backfill the access road and to anchor the rockmass between access road and rocks, between access and grooves and among access roads. Therefore, the 10 m thick complete artificial boundary pillar, covering the whole ore body, may be finished. Numerical calculation shows that the implementation procedure of the embedded compound artificial pillar may not rt great influence on the stress field of slopes and plastic zone,which means no harm to the slope stability.Engineering practice demonstrates that laying out embedded compound artificial pillar while exploring the ore body may lead to a recovery rate of 95. T he accomplished boundary pillars enjoy sound impermeability, waterproofness,flood control and load -bearing capability.This may perfectly isolate the interactive influence between open -pit and underground mining. Key words transition from open -pit to underground mine; embedded compound artificial pillar; man -made reinforced concrete bottom; underground mining 露天矿山随开采深度增加, 剥采比也随之增 大, 当开采费用增加, 超过最终境界时, 露天开采 的方式已经不再适合, 需要转入地下开采这种先 用露天方法开采矿床上部, 然后过渡到用地下方 法开采矿床下部的方法称之为露天转地下开 采[1]露天转地下开采的矿山都存在露天与地下 同时生产相互影响的安全问题, 如 地下开采对上 覆露天边坡的扰动对边坡稳定性造成影响; 露天 坑底的处理方法对井下通风、 排水、 运输会造成影 响; 挂帮矿回采方法对边坡稳定性影响因此, 露 天转地下的矿山需要采取合理的工程措施, 才能 隔离露天与地下作业的相互影响, 保证露天转地 下生产安全、 平稳、 高效过渡 山东黄金归来庄矿业公司露天矿设计最低开 采水平为- 40 m 标高, 设计开采深度为 175 m经 过近 20 年的开采, 截至 2010 年 7 月, 已接近最终 境界, 矿山面临着露天转地下的迫切问题, 且矿山 由于前期开采形成的高陡边坡 平均帮坡角 55 , 局部达 70 , 导致边坡加固治理工作量大; 露天 坑底涌水较大 坑内正常排水量为 2 209 m3/ h, 最 大为 2 810 m3/ h , 矿山防、 排水工作艰巨; 地下 开采系统尚未形成, 露天矿量接近设计底限, 转 产时间紧迫 1 露天转地下境界矿柱的铺设方案 露天转地下矿山过渡期内, 为了减小或隔离 露天生产与地下生产之间的影响, 采用的方法有 两种一是在露天坑底保留一定厚度的矿柱作为 境界矿柱如唐钢矿业公司石人沟铁矿预留 16 m 厚的矿柱[ 2], 铜绿山铜铁矿预留 17 m 矿柱[ 3]二 是崩落边坡或回填废石形成废石的覆盖层来隔离 露天与地下生产, 如铁蛋山矿[ 4]、 眼前山铁矿[5] 但以上两种方法都存在一定的问题 1 预留境界矿柱适用于地下开采使用空场 法和充填法的矿山境界矿柱留存厚度为 10 30 m, 占用矿量在 15 30 万 t 左右境界矿柱属 于保护性矿柱, 回收的损失贫化大, 回收率低, 通常 仅有 50 60因此, 造成了大量宝贵资源永 久浪费, 给矿山带来巨大的经济损失, 也丧失了可 用于缓解矿山过渡期生产压力的巨大矿量 2 崩落边坡或者回填废石形成覆盖层适用 于地下开采使用崩落法的矿山由于崩落了边坡 或者用废石回填了露天坑, 在露天坑底形成了一 定厚度的岩石覆盖层, 满足了崩落法生产 覆岩下 放矿的需要由于堆积岩石松散、 颗粒不均, 隔离 效果较差, 存在如下问题 雨季时, 露天汇水和地 表降水直接从坑内涌入井下, 给井下排水、 防洪工 作带来较大的负担; 隔离效果不佳, 井下通风系统 跑、 漏风严重, 井下通风困难; 保温效果差, 冬季冷 空气直接通过覆盖层进入井下, 使得井下发生冰 冻现象, 车辆行驶困难, 工人作业条件恶化, 严重 影响生产 2 人工嵌入式复合境界矿柱方案 针对传统的露天坑底处理方法存在的缺陷, 本文提出一种露天转地下矿山开采人工境界矿柱 的构建方法, 采用该方法达到回收矿柱资源、 维护 边坡稳定、 隔离露天涌水、 隔断井下漏风、 阻挡外 部天气对井下生产影响的目的 利用地下开采的采矿方法对露天坑底的境界 矿柱进行开采的同时, 铺设底部结构, 预留锚固接 口, 采用混凝土充填采空区的同时铺设境界矿柱 利用嵌入式复合结构对充填体进行连接, 在完成 进路假底铺设、 进路充填、 进路与围岩之间的锚 固、 进路与进路间连接、 进路与沟槽之间的连接工 艺后, 形成完整的覆盖矿体 10 m 厚的人工境界矿 柱, 达到维护边坡稳定、 隔离露天地下生产、 隔水、 防风的作用 1 首先从露天坑底标高开挖运输道路 掘 沟 , 道路位于矿岩接触边界矿体一侧掘槽按运 输道路坡度要求挖掘至境界矿柱底面标高变平, 沿矿体下盘拉开推至端帮边坡坡脚, 并进入端部 边坡下至少 6 m 如图 1a 所示 2 采用进路充填采矿法, 分三层对坑内矿体 进行回采回采进路宽度 4 m, 第一层高度 3 m, 回 采进路垂直矿体布置, 回采长度为矿体全厚, 进路 要超采进入上盘围岩 2m同一水平内, 分一步骤 回采和二步骤回采, 顺序为 隔一采一, 从边坡下 向坑内由外往内依次回采不同水平内自下而上 进行回采, 上下两层进路应交错布置 如图 1b 所 示 3 第一分层首采进路回采完毕后, 在进路底 部铺设钢筋混凝土假底采用单层钢筋网, 布置于 人工假底的底部, 厚度为 015 m钢筋网的结构 筋为穿矿脉方向, 采用20HRB335螺纹钢筋, 间距 为 025 m; 构造筋为沿矿脉方向, 采用 12R235 光 面钢筋, 间距为 05 m 4 进路单元间连接 在进路钢筋混凝土人工 假底铺筋时, 将未充填的矿体一侧的构造筋向上 弯成直角, 并紧贴矿体下一进路铺筋时, 用风镐 将已充填进路的弯筋剔开并整直, 然后以本进路 的构造筋搭焊连接 1771第 12期 张凤鹏等 露天转地下嵌入式复合型人工境界矿柱构建 图 1 实施工艺 Fig.1 Implementation craftsmanship a 人工嵌入假底施工示意图; b 坑底矿体进路回采示意图 1 露天坑; 2 沟槽运输道路 ; 3 坑底矿体; 4 第一分层回采进路; 5 第二分层回采进路; 6 第三分层回采进路; 7 一步骤开采进路; 8 二步骤开采进路 5 掘沟与进路单元间连接 在进路封口模 板底部设钢筋预留孔在进路钢筋混凝土人工假 底铺筋时, 将纵向结构筋外露 04 m, 并埋土保 护当沟槽钢筋混凝土人工假顶铺筋时, 直接将 纵向结构筋与进路的预留结构筋进行搭焊连接 6 充填单元间界面处理 进路充填单元间 界面在下一进路充填之前应清理浮渣浮石, 并用 清水冲洗; 沟槽与进路单元间界面在沟槽充填之 前应进行凿毛处理同时, 在界面上应加设混凝 土植筋植筋为 22HRB335 螺纹钢筋, 长度为 15 m, 间排距为 075 m 075 m, 向下倾斜 15, 埋深 750 mm植筋的施工方式与锚杆的施 工一致 7 通过分层回采, 逐层充填, 将各回采进路 通过钢筋网互相搭接, 形成完全覆盖矿体的钢筋 混凝土假底将矿体回采的同时, 铺设了嵌入式的 人工境界矿柱, 如图 2 所示 图 2 人工境界矿柱铺设结构图 Fig.2 Layout structure of man -made boundary pillars a 人工复合嵌入式境界矿柱平面图 1 运输道路 掘沟 ; 2 露天坑; 3 伸入围岩的进路; 4 一步采; 5 二步采; 6 进路间描杆 b A- A 剖面和 B- B 剖面图 1 运输道 沟槽; 2 进路间连接锚杆; 3 充填体; 4 进路与围岩间锚杆; 5 矿体; 6 钢筋混凝土假底 3 人工嵌入式复合矿柱稳定性分析 3. 1 计算方案 按照以下两种方案进行数值计算, 第一方案 为铺设人工境界矿柱, 第二方案为预留 16 m 厚矿 体作为矿柱, 分别模拟境界矿柱下矿体回采对边 坡的影响计算模型如图 3 所示, 计算参数如表 1 所示采用强度折减法进行计算[6- 8] 3. 2 计算分析 按照人工嵌入型复合假底铺设步骤, 进行数 值模拟, 在上盘边坡设置 5 个监测点, 进行全程位 移与应力监测计算结果如图 4 所示 3. 3 计算结果分析 两种方案计算结果的对比可以发现 1 位移境界矿柱置换后围岩变形的最大位 移出现在坡脚处, 最大值为320 mm; 而预留矿柱 的变形出现在采场的顶部, 最大值为239 mm利 用对监测点的记录发现, 境界矿柱置换后产生的 图 3 计算模型 Fig.3 Calculation model 1 掘沟; 2 矿体; 3 坑底假底; 4 第一回采分层; 5 第二回采分层; 6 第三回采分层 1772东北大学学报 自然科学版 第 33 卷 初始位移占总变形的 25 表 1 数值计算力学参数表 Table 1 Mechanics parameters of number calculation 名称 抗拉 强度 MPa 抗压 强度 MPa 内聚力 MPa 内摩 擦角 弹性 模量 GPa 泊松比 12. 94 118. 518. 5354. 6413. 120. 18 8. 9360. 57. 8157. 6411. 030. 21 11. 8293. 214. 6154. 8910. 350. 22 注 奥陶系灰岩, 寒武系白云石, 二长闪长玢岩 图 4 境界矿柱下矿体回采后两种方案的 边坡位移云图 Fig. 4 Slope displacement nephogram of the two exploration s under boundary pillars a 方案一; b 方案二 图 5 两种方案位移跟踪记录 Fig. 5 Displacement trace record of the two s a 方案一; b 方案二 2 应力境界矿柱置换后对应力场的影响不 大, 仅坡脚处的拉应力略有增大 3 塑性区境界矿柱采用混凝土置换后, 由 于坡脚处释放的应力均由混凝土承担, 因此混凝 土进入了塑性区, 建议适当提高混凝土强度, 或者 采用钢筋混凝土, 以保证境界矿柱的稳定 对比上述指标显示, 境界矿柱置换对于露天 边坡的坡脚变形有一定影响, 但是对于边坡的应 力场与塑性区影响不大, 不会对边坡的稳定性产 生影响 4 结 论 1 铺设境界矿柱与回采坑内矿石同步进行, 采用露天和地下开采方法相结合的手段, 最大限 度地回收了坑内资源, 回收率从 50 60提高 到 95 以上 2 铺设的境界矿柱属于嵌入式复合结构人 工矿柱, 该矿柱从底部到上部依次为 015 m 厚的 高强度钢筋混凝土假底, 3 m 厚普通强度钢筋混 凝土假底, 7 m 厚的素混凝土充填物各分层之间 通过锚杆焊接相连, 形成完整的嵌入式复合结构, 其强度与支撑能力大于原始矿岩的稳定性, 大大 提高了其对边坡的维护作用, 也隔离了露天与地 下的相互影响 3 形成的复合结构嵌入式人工境界矿柱, 其 密闭性能优良, 在假底铺设的时候, 最上层混凝土 胶结面铺设时, 预留了排水坡度和永久水坑, 将露 天的涌水汇集排出, 达到了隔水、 防水的目的 4 复合结构人工境界矿柱隔离了露天与地 下生产, 对井下通风系统形成了很好的防护, 保证 井下通风系统正常运行, 避免了跑、 漏风的发生 参考文献 [ 1]徐长佑露天转地下开采[ M]武汉 武汉工业大学出版 社, 1989 Xu Chang -you. 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