采矿方法转变中的隔离矿柱稳定性分析.pdf

S e r i e S ． No ． 4 4 2 Ap ri l 2 0 1 3 金 属 矿 山 ME T AL MI NE 总 第4 4 2 期 2 0 1 3 年第4期 采矿方 法转变中的隔离矿柱稳 定性 分析 术 任少峰 褚夫蛟 宋华。 王玉杰 任高峰。 1 ．山东黄金矿业 莱州 有限公司焦家金矿； 2 ．中南大学资源与安全工程学院； 3 ．武汉理工大学资源与环境工程学院 摘要隔离矿柱在矿山开采中对维护矿山稳定具有重要的作用。结合某矿的实际情况 ， 在矿山进入深部开 采并转变采矿方法的过程中， 采用极限平衡理论计算得出了隔离矿柱厚度为 1 0 m。应用二维数值计算软件 R F P A 对其稳定性进行了分析研究。结果表明， 留设 1 0 m隔离矿柱可以维持采场的稳定 ， 满足矿山生产的要求。 关键词采矿方法隔离矿柱稳定性数值模拟 S t ab i l i t y Ana l y s i s o f I n s u l a t i ng Pi l l a r i n t he Pr o c e s s of M i n i ng M e t h od Cha ng e R e n S h a o n g C h u F u j i a o S o n g H u a Wa n g Y u j i e 。 R e n G a o f e n g 1 ．J i a o j i a G o l dMi n e ， S h a n d o n g G o l dMi n i n g d t r y L a i z h o u C o ， ． L t d ． ； 2 S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d S a fi y E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ； 3 ．S c h o o l ofR e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t E n g i nee r i n g， W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ab s t r a c t I n s u l a t i n g p i l l a r p l y s a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e s t a b i l i t y ma i n t e n a n c e o f mi n e d u r i n g mi n i n g ． D u ri n g t h e p r o c e s s of mi n i n g me t h o d c h a n g e w i t h t h e mi n i n g d e p t h i n c r e a s i n g， t h e l i mi t e q u i l i b ri u m me t h o d i s u s e d t o e Me u l e o u t t h a t t h e t h i c k n e s s o f i n s u l a t i n g p i l l a r i s 1 0 m a c c o r d i n g t o t h e fi e l d e n g i n e e ri n g c o n d i t i o n of a mi n e ．Wi t h t h e u s e o f 2 D n u me r i - c a ]c a l c u l a t i o n s o f t w a r e RF P A ， t h e mi n e s t a b i l i t y i s a n a l y z e d a n d t h e r e s u h s h o ws t h a t t h e 1 0 一 me t e r t h i c k n e s s i n s u l ti n g p i l - l ar c a n ma i n t a i n t h e s t ab i l i t y o f s t o p e a n d me e t t h e d e ma n d o f mi n e p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s Mi n i n g me t h o d ，I n s u l a t i n g p i l l a r ， S t a b i l i t y， Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 在矿山企业生产 中， 由于上部矿体的不断减少 ， 将不可避免地进入深部开采 。随着深度 的增加 ， 地 质条件不断恶化 ， 地压持续增加， 可能出现冒顶片帮 现象 ， 造成采场 以及巷道的破坏 ， 甚至危及矿山的正 常生产 引。基于此种情况， 结合矿山生产实际， 在 适当水平布设一定厚度的隔离矿柱 ， 可以保证矿 山生产的安全稳定 ， 减小 因地压过大而造成 的围岩 破坏现象 ， 利于浅部的采空区处理 ， 为下部采矿提供 有利条件。 在留设隔离矿柱时 ， 应保证矿柱的稳定 ， 若矿柱 失稳， 势必造成不可修复的破坏， 对矿山的生产造成 影响。如果隔离矿柱留设过薄， 其稳定性不能保证 ； 如果隔离矿柱留设过厚 ， 则会造成矿石的损失 ， 对其 回采也会导致成本高回采低的现象。因此， 需要对 隔离矿柱的稳定性进行分析研究 。本研究采用极限 平衡理论 确定 合理 的 隔离矿 柱厚 度 ， 并应 用 R F P A 数值分析软件对其稳定性进行分析。 1 矿山现状 1 ． 1 工 程概 况 某金矿在开采初期采用房柱法开采 ， 且未充填。 矿山向深部开采 ， 在 一 2 8 0 IT I 以下矿体产状发生变 化， 矿床位于裂隙破碎带中， 矿岩稳定性差， 采场地 压明显， 矿石及围岩的破碎以及巷道坍塌程度比较 严重 ； 采场范围内含有裂隙渗透水 ， 无 涌水现象 ， 但 局部有淋水 ， 对岩石 的稳 固性造成影响 ； 采场顶板暴 露时间较长， 会影响采场的稳定性， 容易产生冒顶、 偏帮等现象 。 J ， 因此拟采用充填法采矿 。因开采 工艺发生变化， 为避免上部空区对下部采矿的影响， 需在上下采场中间布设一定厚度的隔离 矿柱 ， 矿柱 布置在 一 2 8 0 i n水平 以下。 “ 十二五” 国家科 技支撑 计划 项 目 编号 2 0 1 1 B A B 0 5 B O O ， 湖北 省 自然科学基金项 目 编号 Z R Y1 7 6 3 。 任少峰 1 9 8 3 一 ， 男 ， 工程师 ， 博士 ， 2 6 1 4 4 1山东省莱州市 。 总第 4 4 2期 垒 飘 砖 2 0 1 3年第4期 1 ． 2 矿床地质 该矿体控矿构造为矿体上盘 的主断裂 ， 矿体赋 存于主断裂下盘蚀变带内， 主断裂控制矿体的上盘 边界。矿体总体走向6 8 。 ， 倾向 N W， 在 一 2 8 0 n l 水 平以上倾角平均为 6 0 。 左右 ， 一 2 8 0 1 3 3 水平以下倾角 平均为 3 0 。 左右。矿体平均水平厚度为 2 0 1T I ， 矿体 属于含金黄铁矿化 、 黄铁绢英岩化破碎蚀变岩型 ， 矿 体赋矿岩石主要为黄铁绢英岩化碎裂 岩、 黄铁绢英 岩化花岗岩 。含金黄铁矿等硫化物主要呈浸染状 、 细脉网状充填于矿石 中。矿体上盘围岩为矽卡岩 ， 节理较发育 ， 稳 固性一般 ， 暴露面积 较大或时间较 长 ， 易出现冒顶 、 偏帮等现象。上盘与围岩为断层接 触关系 ， 界线较明显。矿体下盘围岩为大理岩 ， 其内 亦发育相互交错 的裂隙节理 ， 造成局部围岩破碎 。 2 稳定性分析 2 ． 1 极限平衡法计算隔离矿柱厚度 对隔离矿柱安全性 的影响 因素 主要有采场 围 岩 、 上覆岩体 、 隔离矿柱 自重等 。可对隔离矿柱进行 条块微分 ， 由此来计算其重力及剪应力。由于不同 位置的条块物理力学参数不同 ， 因此微分条块越多 ， 计算结果越准确。在利用微分条块办法 的基础上 ， 应用极限平衡法估算隔离矿柱的极限厚度。隔离矿 柱受力情况如图 1 。 采场开挖后 ， 由于矿柱上部为采空区， 因此将计 算隔离矿柱侧边抗滑力 R与其滑动力 W之 比的比 值 ， 即安全系数 叼的公式简化为 R ，㈩ 叼 ， 其中， cr ， 2 、c 、 h分别为岩层 的内摩擦角 、 容重 、 泊松 比、 凝聚力以及隔离矿柱厚度 ， 、 分别为水平应力 和上覆荷载 由于上部为采空区 ， 取 0 ， 0为矿体 倾角。 为减少矿 体 的永 久损 失 ， 拟选 取安 全 系数为 1 ． 1 来计算隔离矿柱厚度。通过采用极限平衡法 ， 计算得出隔 离矿柱厚度为 1 0 m。 2 ． 2 模型的构建 二维数值分析软件 R F P A建立数值分析模 型。 模型尺寸为 3 0 0 I l l X 3 0 0 i n 。模型上表面为 一1 0 5 I l l 水平 ， 由于地表海拔约为 7 5 i n ， 因此在模型加载过 程 中施加 4 ． 8 MP a的竖向约束。模型设计下部开采 为 1 个分段 ， 从极 限角度 出发 研究采场 的稳定性 。 根据矿 山地质报告 ， 选取的岩石力学参数如表 1所 刀 表1 数值模拟岩石力学参数 2 ． 3 模型的数值模拟分析 从 R F P A软件模拟结果可 以看出 ， 矿山开采 之 后 ， 上部空区以及下部矿房基本稳定， 但 由于地应力 过大以及 围岩 的位移 ， 在采空区上方靠近上盘的位 置和下部采场下方靠近下盘的位置因应力集中而产 生了破坏 ， 在生产 中应注意及时充填 ， 避免因岩体破 坏对生产造成影响。如 图 2所示 ， 应 力集 中区域主 要存在于隔离矿柱 中， 最大剪应力高达 9 6 ． 1 MP a ； 从最大主应力云图中可 以看出 ， 在隔离矿柱 中局部 出现了4 4 ． 8 MP a的压应力 ； 在最小主应力云图中可 以看出， 有最大高达 2 1 ． 4 MP a的拉应力 。由于最大 剪应力和最大拉应力均大于岩体 的强度 ， 因此隔离 矿柱内会出现剪切破坏和拉伸破坏。但从图 2中可 以看出 ， 由于仅是局部的应力集中 ， 因此而导致了局 部的破坏 ， 隔离矿柱的完整性依然存在， 在实际生产 中有可能会 出现 冒顶 现象。为保证矿柱 的充分安 全 ， 企业可 以在生产过程 中合理提高隔离矿柱 的安 全系数， 减少或避免安全隐患的存在。 3 结论 隔离矿柱的稳定为下部采场 的开采乃至整个矿 山的安全提供了保障。根据矿山实际情况， 采用极 限平衡理论计算隔离矿柱的厚度， 拟设置 1 0 IT I 厚的