张庄铁矿-390m中段采场间柱尺寸优化.pdf

现代矿业 MODERNMNNNNG 总第616期 2022年8月第8期 Ser ia l Ns. 612 Au g u n . 2422 -采矿工程- 张庄铁矿-390 m中段采场间柱尺寸优化 周雪亭1余剑2李同鹏3 1.安徽马钢矿业资源集团有限公司；2.安徽马钢张庄矿业有限责任公司； 3.金属矿山安全与健康国家重点实验室 摘 要 摘 要 张庄铁矿首采中段即将结束，由于-390 m新中段矿体水平厚度变大，且采矿阶段高度 由66 m变为85 m,为确保高阶段采场分步骤安全回采，并能保证矿山生产能力，研究将矿体厚度按 推荐的采场安全长度144 m分为2种采场布置方式，并采用间断和连续2种不同形式的隔离矿柱，通 过3D-2有限元法模拟计算分析2种形式共6组尺寸方案的隔离矿柱应力变化趋势，最终确定在矿体 厚度为102〜144 m时，采用12〜12 m宽的间断隔离矿柱;矿体厚度大于144 m时，采用13〜22 m宽 的连续隔离矿柱。结果为采场安全高效回采提供了理论依据。 关键词关键词隔离矿柱分段开采数值模拟 DOI12. 3969/j. issn . 1974-6282. 2222.28.023 Optimization of the Size of Stope Ore Pillars in -399 m Middle Section of Zhangzhuang Iron Mine Zh o u Xu et in g6 Yu Jia n2 Li To n g u eeg9 1. An h u i Ma st eei Min in g Reso u r c es Gr o u p Cu . ,Lt c l. ,2. An h u i Ma st eei Zh a n g zh u a n g Min in g Cu . ,Lt c l.; 3. St a ie Key La n o r a t o iy o f Sa f et y a n g Hea lt h f u c Met a l Min es Abstrrct Th e f ir st mid d le sec t io u o f Zh a n g zh u a n g No n Min e is lo u t t a en d . Th e h o r izo u t a t t h ic Cn ess o f o r o b o d y o f -399 m n ew min d le sec t io n in c r eeses, mg t h e h eig Ut o f t h e min in g st a u e c Ca n g es f r o m 66 m t a 85 m. In o r Cec t a eesn r o t a e sa f e st o pe min in g st ep b y st ep in t h h ig U-st a u e st o pe a n g eesn r o t Fie pa Ou c - t io u c ma c it y o f t a e min e, Oip o r eeo u y t h ic Cn ess is d iv in ee in t a t w o k in g s o f st o pe ld y o u t a c c o r a in g t。t a e r ec o mmepn ep sa f e st o pe lepg t h o f 120 m, a n d Wc iso la t eS o r o piien is d iv in ee in t a t w o f o r ms d isc o u t in n o u s a n g a n in Wpu pWd . Th e st r ess v a r ia t io n t r eeg o f iso la t eS o r o piIIuc in t w o f o r ms a n d six uro u u s o f size sc Cemes is a n a ly zeS b y u sin g t h f in it e eUmen t met eo O o f f D-ssimu la t io u c a lc a Ut io n . Th e r esu Us sh o w t h a t w h ee Wp o r eeo u y t h ic Cn ess is 120 〜124 m,12 12 m w iOe in t er mit t eet iso Ut io n pilla r c a n b e mo pWp; Wh ee t h e t h ic Cn ess o f o r e b o d y is mo r e 0. 124 m, 3o n t in g o n s iso Uw S pilUn w it h w id t h o f 13 〜22 m is d n o pw d . Th e a lo v a r esu lt s pr c o in e n t h eer et ic a t b a sis f o e sa f e a n g 伍＜00 st o pe Keyword Iso la t ed o r e pilUe, Su UUv et min in g, Nu mer ic a t simu la t io n 张庄铁矿是一座特大型地下金属矿山，设计采矿 生产规模为500万t /a。矿区地表设施复杂,主要为 村庄、农田、池塘及国道公路，地表不允许陷落。该矿 山采矿方法以大直径深孔阶段空场嗣后充填法为主, 首采中段为-452〜-399 m中段，阶段高度为60叫 分盘区回采，每个盘区长120叫盘区间柱宽13 mo 盘区内分矿房矿柱回采,一步骤矿房宽15 m,回采后 采用高强度充填体充填;二步骤矿柱宽13.5 m,回采 后采用低强度充填体充填。 目前张庄铁矿首采中段开采已接近尾声,需要对 周雪亭1672男,高级工程师,硕士,263900安徽省马鞍山经 济技术开发区太白大道1399号。 26 新中段进行开拓回采，根据矿山目前的阶段高度以及 采矿设备的性能,拟将阶段高度提高到85 mo下一 步开采的-399 m水平矿体最大水平厚约170 m,较 首采中段-452 m水平矿体变得厚大,且阶段高度由 66 m提高到85 m,开采中段也距离矿体上部强风化 层更近,为确保高阶段嗣后充填采场分步骤回采的安 全，采用3D-2有限元法对-399 m中段采场间柱留 设尺寸及形式进行优化⑴。 1采场布置方式 -399 m中段上盘为I*矿体，中间为n矿体, 下盘为皿*矿体，其中，n*矿体为主矿体。根据-399 m 中段矿体赋存特征和矿山前期对采场稳定性研究 周雪亭 余 剑等张庄铁矿-399 m中段采场间柱尺寸优化2020年8月第8期 成果，针对矿体厚度大于102 m的矿段按盘区划分采 场,采场垂直走向布置,为控制采场侧帮暴露面积,采 场内需要分段回采。一步骤采场长度控制在160 m 以下，二步骤采场长度控制在102 m以下。受此制 约，针对矿体厚度大于102 m的矿段采场有如下2种 布置方式 （1）方式一,矿体厚102〜14 2 m时,一步骤条带 全长一次性回采，二步骤条带分为2段回采,2段之 间留有间断的隔离矿柱，见图1（a） （2）方式二，矿体厚度大于16 2 m时，一步骤条 带和二步骤条带均分为2段回采,2段之间留有连续 的隔离矿柱，见图1（b）。 图1采场布置 为确保分段回采的采场稳定性,需要对分段间留 设的间柱厚度尺寸进行模拟计算，以确定合理厚度尺 寸。 2间柱尺寸优化计算方案 采场布置方式一中，隔离矿柱主要起隔离充填体 的作用，厚度尺寸可以小一些,参考同类矿山矿柱留 设参数，拟选择尺寸812 m。布置方式二中，由于 矿体厚度较大，如果留设连续的隔离矿柱，则其作用 一方面是隔离充填体，另一方面是作为刚性矿柱支撑 控制地压，此时，厚度尺寸应该要大一些,参考同类矿 山矿柱留设参数，拟选择尺寸6〜20 m 针对上述2种布置方式下隔离矿柱的厚度尺寸, 设计了 9个数值模拟计算方案，见表1 表1间柱厚度尺寸模拟计算方案 方案特征备注 一 间断的隔离矿柱,厚度为8 m 二间断的隔离矿柱,厚度为16 m 矿体厚160 - 144 m（模型一） 三间断的隔离矿柱,厚度为16 m 四连续的隔离矿柱,厚度为19 m 五连续的隔离矿柱,厚度为6 m 矿体厚大于144 m （模型二） 六连续的隔离矿柱,厚度为20 m 3计算力学模型 3.1力学模型力学模型 采用3D-6有限元软件对间柱厚度尺寸方案进 行数值模拟分析。由于矿体厚度不同,需要使用不同 力学模型。对于间断的隔离矿柱，力学模型中包含3 个条带,为二房一柱的形式;对于连续的隔离矿柱，力 学模型中包含5个条带，范围涉及到一个盘区。 方案一、方案二和方案三共用一个力学模型，称 为模型一，模型尺寸为（768〜772） m x 688 m x 615 m（长x宽x高），见图2 方案四、方案五和方案六共用一个力学模型，称 为模型二，模型尺寸为（835〜840） mx 722 mx 735 m（长x宽x高），见图3 图2模型一有限元模型初始单元网格 图3模型二有限元模型初始单元网格 3.2物理力学参数物理力学参数 根据地质报告,张庄铁矿矿体上下盘岩石主要为 花岗片麻岩，而矿体近围岩则有黑云斜长片麻岩和斜 长角闪片麻岩等。岩石物理力学参数见表2 表2张庄铁矿岩石物理力学参数 矿岩 性质 密度单轴抗拉弹性割线 模量模量 /GPa /GPa 泊松比 / mm /mm 摩擦黏聚 角9 9 力c /（。）/MPa 斜长角 闪片麻岩 3 072160.20 6.3172.94 41.160.2343.5。 31.83 黑云斜 长片麻岩 3 21113.74 3.3025.96 16.582. 642.59 3.6 磁铁矿3 599192.91 6.3088.6 47.962. 641.25 41.22 -J- t-J-r 花冈 片麻岩 0 629192.7411.3963.31 32.500.2652.96 41.93 3.3模拟步骤模拟步骤 模型一采场参数为采场宽6〜20 m,高85 m,矿 体厚128〜132 m,共有3个回采条带。模型一中的 每个计算方案均按以下4个计算步骤进行 （1）第一步，计算初始应力场。 77 总第616期现代矿业2220年8月第8期 2 第二步，开挖模拟，回采两边的2个条带，剩 下中间的1个条带。 3 第三步，充填模拟,充填已回采的2个条带。 4 第四步，开挖模拟，回采剩下的中间条带，留 下其中的隔离矿柱。 模型二采场参数为采场宽2 22叫高85叫矿 体厚195 -200叫共有5个回采条带。模型二中的 每个计算方案均按如下6个计算步骤进行 1 第一步，计算初始应力场。 2 第二步，开挖模拟，回采两边的2个条带，剩 下中间的3个条带。 3 第三步，充填模拟,充填上一步已回采的2 个条带。 4 第四步，开挖模拟，回采充填体邻近的2个 条带，剩下中间的1个条带。 5 第五步，充填模拟,充填上一步刚回采的2 个条带。 61第六步,开挖模拟，回采剩下的中间条带,留 下其中的连续隔离矿柱。 表3 1.6 - 方案 顶底板两帮 最大拉应力 /MPu 最大压应力 /MPu 最大剪应力 /MPu 最大位移 / mm 最大拉应力 /MPu 最大压应力 最大剪应力最大位移 / mm/MPu/MPu 一1.09322.3013.012131.41222.3913.0122 二0.33222.2633.013131.39422.2233.0132 二 0.63522.2502.993131.34522.2592.9932 -----一 W 1段- 無 1.0 - 嘔 0.8 - 0.6-------1-----1-------1-----1-------1------1------■ 6 7 8 9 10 11 12 13 间柱厚度/m 图4釆场周围最大拉应力随间柱厚度变化曲线 22.6 - e 22.4 - 昌 22.2 - 右 22.1 - -K 22.0 - * 21.9 - 2] 8-----1------1------1------1-------1------1------1 6 7 8 9 10 11 12 13 间柱厚度/m 图5釆场周围最大压应力随间柱厚度变化曲线 由表 2可知,最大拉应力存在于采场两帮及顶底 板中,顶底板中的拉应力值相对较小 26321293 MPn，两帮上的拉应力值相对较大1. 395〜11 412 MPao从变化趋势来看,随着间柱厚度尺寸的增大, 4计算结果与分析 4.1间柱厚度尺寸间柱厚度尺寸 模型一涉及到3个数值模拟计算方案，该模型有 3个回采条带,是针对矿体厚100 - 144 m,用于研究 二步骤条带内间断的隔离矿柱的厚度尺寸问题。方 案一、方案二和方案三中隔离矿柱的厚度尺寸分别为 8,12 和 12 m。 选取最大拉应力、最大压应力、最大剪应力和最 大位移值作为方案比较的依据。岩体属于脆性材料, 其拉伸强度较低,绝大部分岩体工程的破坏都是由于 拉应力所引起的,故最大拉应力值将作为主要的判别 依据。空场状态下，应力极值一般位于采场周边。采 场顶板及两帮是容易产生拉应力的部位，最大压应力 和最大剪应力通常位于2个或3个面的交叉处⑵。 数值模拟计算的第四步完成后，采场周围各个方 案的最大拉应力、最大压应力绝对值、最大剪应力 绝对值和最大位移情况见表5o采场周边最大拉 应力随间柱厚度尺寸变化情况见图4；最大压应力随 间柱厚度尺寸变化情况见图9o 模型一计算结果 都呈逐渐减小态势;从变化速度来看,顶底板上的拉 应力减小更明显;从量值大小来看，两帮上的拉应力 值更大。 由图 4、图 2可知,随着间柱厚度尺寸的增大从 5 m增加至12 m采场周围的拉应力、压应力和剪 应力均呈逐渐减小趋势，当间柱厚度超过2 m后，拉 应力值减小较为明显;位移值几乎无变化。 综合分析认为，间柱厚度尺寸以不小于2 m为 佳。 4・ ・2连续矿柱厚度尺寸连续矿柱厚度尺寸 模型二也涉及到 3 个数值模拟计算方案,该模型 的开采范围为一个盘区,内有 2个回采条带,是针对 矿体厚度大于120 m,用于研究矿体厚大部位留设的 连续隔离矿柱的厚度尺寸问题。方案四、方案五和方 案六中连续隔离矿柱的厚度尺寸分别为16,13和22 m。 选取最大拉应力、最大压应力、最大剪应力和最 大位移值作为方案比较的依据⑶。模型二数值模拟 计算的第六步完成后,采场周围各个方案的最大拉应 力、最大压应力绝对值 、最大剪应力绝对值和最 大位移情况见表 4。采场周边最大拉应力随连续隔 23 周雪亭 余 剑等张庄铁矿-399 m中段采场间柱尺寸优化2222年 8 月第 8 期 1.4 - 离矿柱厚度尺寸变化情况见图6;最大压应力随连续 表4模岂 隔离矿柱厚度尺寸变化情况见图7o 世二计算结果 方案 顶底板两帮 最大拉应力 /MPa 最大压应力 /MPa 最大剪应力 /MPa 最大位移 / mm 最大拉应力 /MPa 最大压应力 最大剪应力最大位移 c mm c MPc MP 四1.325556525116592521652555652511659212 五162725565821165872964162725565821165871166 六16225556251116582291622555625111658211 113 吴 1.2 - 萃 1.1 - 瞩 1.0 - 0.9------------1------------1-----------1------------1 12.5 15 17.5 20 22.5 连续矿柱厚度/m 图6采场周围最大拉应力随连续矿柱厚度变化曲线 34 r 33 - 自32 - 瞩31 - 30----------1----------1-------------1----------1 12.5 15 17.5 20 22.5 连续矿柱厚度/m 图7采场周围最大压应力随连续矿柱厚度变化曲线 由表4可知，采场周围的拉应力、压应力和剪应 力值均不大，一般不会造成采场破坏,安全上是可以 接受的，也就是说，连续隔离矿柱厚度尺寸取2 22 m都是可行的。 由图6、图7可知，随着连续隔离矿柱厚度尺寸 的增大从14 m增加至22 m，采场周围的最大拉应 力、最大压应力均呈现出缓慢减小趋势⑷。 鉴于沿矿体走向的节理裂隙较为发育，建议连续 隔离矿柱厚度尺寸不小于2 m为宜。 5结语 1矿体厚22 - 122 m时,一步骤采场可全长 一次性回采，二步骤采场分为2段回采，上下盘2段 之间留有间断的隔离矿柱。根据计算结果，随着间柱 厚度尺寸的增大，采场周围的拉应力、压应力和剪应 力值均逐渐减小，位移值则几乎无变化。故间柱厚度 尺寸以不小于2 m为佳。由于需要在顶部凿岩水平 布置联络巷、回风巷,对隔离矿柱稳定性造成一定影 响,建议穿过隔离矿柱的巷道工程断面按小断面进行 布置，并对矿柱进行支护加固,防止片帮垮塌。 2 矿体厚度大于122 m时，一步骤采场和二步 骤采场均分为2段回采，两段之间留有连续的隔离矿 柱,将矿体划分为上下盘2个采场，上下盘采场可同 时回采。根据计算结果，随着连续隔离矿柱厚度尺寸 的增大，采场周围的拉应力、压应力、剪应力和位移值 均呈现出缓慢减小趋势，但数值均不大。故连续隔离 矿柱厚度尺寸取12-22 m都是可行的;鉴于沿矿体 走向的节理裂隙较为发育，建议连续隔离矿柱厚度尺 寸不小于2 m。 3 厚大矿体无论采用留设间柱或连续的隔离 矿柱，主要目的是控制采场或充填侧帮以及顶板暴露 面积，保证大结构采场的稳定。建议-392 m中段所 布置采场能满足矿山生产能力时，采用第一种采场布 置形式组织生产;二步骤采用间柱布置在矿体中间位 置，确保上下盘采场的暴露面积在安全范围内。当- 349 m中段所布置采场采充不能平衡,难以满足矿山 生产能力时，也可以采用第二种采场布置形式，将矿 体划分为上下盘2个采场，上下盘采场可同时回采。 参考文献 [1] 高庆伟，孙嘉,郝显福.基于3D-a有限元法的采场结构参数 优化[]黄金,22176 29-32. 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