露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究

刘恒亮 张钦礼 卞继伟

(1.铜陵化工集团新桥矿业有限公司，安徽 铜陵 244132；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究

刘恒亮1张钦礼2卞继伟2

(1.铜陵化工集团新桥矿业有限公司，安徽 铜陵 244132；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

境界顶柱是露天开采和地下开采有序进行的保证，其合理的厚度对露天转地下具有重要意义。为确定新桥矿露天转地下境界顶柱安全厚度，运用厚跨比法、荷载传递线交汇法和结构力学方法对境界顶柱安全厚度进行理论分析与计算，并用ANSYS对不同跨度和不同境界顶柱厚度进行数值模拟。通过对理论计算和数值模拟结果的分析，得到了不同采空区跨度下的境界顶柱安全厚度。根据分析结果可以有效地确定矿山的境界顶柱厚度，为露天转地下安全生产提供可靠的指导。根据矿山30 m的实际开采跨度，推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度为24 m。

露天转地下 境界顶柱 理论计算 数值模拟

随着露天矿开采深度的逐步增加，其开采难度越来越大，露天开采越来越不能满足生产的要求[1-2]，许多矿山实现了从露天开采到地下开采的过渡，如铜官山铁矿、石人沟铁矿、大宝山铜铁、首钢大石河铁矿等。在露天开采转为地下开采的过程中，面临选择合理的采矿方法，保证露天边坡的稳定，确定合理的境界顶柱等诸多问题，其中合理的境界顶柱可以有效地保证露天转地下开采的安全性[3]。露天生产均为大型设备和大孔径爆破，如果境界顶柱过薄，爆破作用加之重型设备反复碾压会削弱境界顶柱稳定性，可能会引起境界顶柱的冒落，甚至坍塌，会给矿山生产带来不可估量的损失，因此，境界顶柱必须能保证人员、设备和材料的安全性；如果境界顶柱过厚，虽然能保证地下开采的安全性，但是会浪费大量的资源[4-6]。因此，合理的境界顶柱厚度是露天转地下开采过程中亟待解决的问题。

为了确定境界顶柱的安全厚度，很多专家运用不同的方法进行了许多研究。如陆广等[7]运用二维有限元软件Phase2D进行数值模拟，确定露天转地下开采隔层的厚度；周科平等[8]通过建立未确知测度模型对境界顶柱安全进行评价；马田辉等[9]运用MSC.PATRAN 和MSC.NASTRAN构建模型，得出合理的境界顶柱厚度。本研究以新桥矿业有限公司(下称“新桥矿”)露天转地下开采工程为对象，釆用理论分析和数值模拟相结合的方法，以实现预留境界顶柱的优化。

1 工程概况

新桥矿露天开采设计最终境界最低开采水平为-156 m水平，上盘最终边坡角43°，下盘最终边坡角39°～41°；露天坑底长度约900 m，宽度为25～65 m，平均宽度为50 m。露天坑底部矿体水平厚度多为20 m～60 m，只在20线～23线之间水平厚度达140 m，平均水平厚度37 m；矿体倾角多为45°～60°，平均倾角55°。新桥露天开采的设计要求，露天坑开采结束后用松散碎石将露天坑回填至-108 m水平。由于新桥矿属于大水岩溶矿山，水文地质条件复杂，水对岩石的弱化作用会严重影响露天边坡和境界顶柱的稳定性，同时考虑到闭坑之后露天坑回填和境界顶柱隔水防渗的要求，为使得新桥露天矿顺利转入地下生产，必须确定境界顶柱的安全厚度。

2 境界顶柱厚度的理论计算

影响境界顶柱稳定性的因素有很多，主要包括回采顺序、露天爆破影响、地下水的影响、矿岩的物理力学性质以及地下采空区的面积等。境界顶柱厚度的理论计算目前仍处于探索和完善阶段，国内外学者提出了许多经验公式，此次选用荷载传递线交汇法、厚跨比法和结构力学方法进行境界顶柱厚度的理论计算[10-11]。

(1)荷载传递线交汇法：假定荷载按照30°～35°扩散角由顶板中心向下传递，此传递线交于顶板与洞壁的交点以外时，即认为洞壁直接支承顶板上的外载荷与自重，顶板是安全的。

(2)厚跨比法：当采空区顶板为完整顶板时，顶板的厚度H与采空区跨度B之比不小于0.5时，认为采空区是安全的。

(3)结构力学方法：假定采空区顶板岩体是一个两端固定的平板梁结构，上部岩体自重及其附加载荷作为上覆岩层载荷，以岩层的抗拉强度作为控制指标，根据材料力学与结构力学理论，可得到境界顶柱厚度与采空区跨度之间的关系。

为确保安全，另行引入安全系数K，得到在一定安全条件下的境界顶柱厚度与采空区跨度之间的关系，3种计算方法的计算公式分别如下：

(1)

(2)

(3)

式中，H为境界顶柱厚度，m；B为采空区跨度，m；β为荷载传递线与顶板中心竖直线之间的夹角，(°)，取β=35°；γ为境界顶柱岩石容重，γ=9.8×3 828 N/m3=37.5 kN/m3；σ许为境界顶柱岩体抗拉强度，取 1 310 kPa；q为附加荷载，q=0.98 MPa=980 kPa；K为安全系数，取K=1.2。

分别运用以上3种方法对不同跨度下的境界顶柱厚度进行理论计算，其理论计算结果见表1。

表1 境界顶柱厚度理论计算结果

Table 1 The boundary pillar thickness fromtheoretical calculations

m

3 境界顶柱厚度的数值模拟

在实际运用中，境界顶柱厚度的影响因素主要包括采空区跨度、矿岩的物理力学参数、回采顺序、岩体的工程地质和水文地质以及原岩应力状况等。而理论计算只考虑了采空区跨度对境界顶柱的影响，其计算结果必然与实际情况存在一定的差距[12-13]。为使计算结果更贴近实际，综合考虑影响境界顶柱的各个因素，运用ANSYS对新桥矿不同跨度下的境界顶柱厚度进行数值模拟，以保证境界顶柱厚度更为合理。

3.1 模型优化

由于矿山实际情况比较复杂，为了方便建模和计算分析，必须对数值模型进行适当的简化，需作出如下假设[14-15]。

(1)考虑到矿山将来露天开采可能开采到-144 m水平(按设计边坡角靠帮)，模型中的境界顶柱从 -144 m水平往下开始预留。

(2)露天转地下开采设计采用上向水平分层充填采矿法，所以模型中采空区高度取最大控顶高度6.6 m。

(3)露天坑底部矿体倾角多为45°～60°，平均倾角55°，模型中矿体倾角取矿体平均倾角55°。

(4)计算区域的表面载荷的大小为其上覆岩体的重力之和。

(5)计算模型中不考虑地质构造、地下水、爆破振动对岩体的影响，同时认为岩体为连续介质，岩体内部不存在结构面和弱面。

(6)为了满足计算需要和保证计算精度，本次模拟采用的模型尺寸取为空区范围的3～5倍。

3.2 模型参数确定

矿岩的物理力学参数是数值模拟的基础参数，其准确性决定了数值模拟结果的准确性。物理力学参数是通过在理想条件下的室内岩石力学试验(主要包括单轴抗压强度试验、抗拉强度试验、单轴压缩变形试验)测得的，所得数据经Hoek-Brown准则折减后得到可以用于数值模拟的矿岩和充填体物理力学参数，如表2所示。

表2 矿岩和充填体的物理力学参数

3.3 模拟结果

为了全面研究不同跨度下境界顶柱的安全厚度，运用ANSYS对不同跨度(10～50 m)下的境界顶柱进行数值模拟。本文仅以25 m跨度进行分析：分别构建采空区高度为6.6 m，跨度为25 m，境界顶柱厚度为10、13、15、18、20 m的采空区模型，对比分析5个采空区模型的受力状态及境界顶柱的安全状态。跨度25 m时，不同境界顶柱厚度的拉应力云图如图1所示。

众所周知，岩石抗拉强度低，格里菲斯准则认为岩石的破坏是由于拉应力引起的拉裂破坏，此处主要分析拉应力对境界顶柱的影响。从图1可以看出，境界顶柱最大拉应力出现在境界顶柱的中央，因此境界顶柱中央的拉应力是决定采空区稳定性的最主要因素。根据ANSYS数值模拟结果，可以得到采空区跨度为25 m时，不同境界顶柱厚度下的最大拉应力及安全系数如表3所示。

图1 境界拉应力云图

境界顶柱厚度/m最大拉应力/MPa安全系数1017507513135097151121171809913220087151

分析图1的拉应力云图可知，随着境界顶柱厚度的增大，拉应力区域逐渐变小；由表3可知，随着境界顶柱厚度的增大，境界顶柱的最大拉应力逐渐变小，其安全系数逐渐增大。

根据新桥矿露天转地下开采技术条件、采矿方法和实际情况，按照以上方法和思路，分别对跨度为10、15、20、25、30、35、40、45、50 m时的境界顶柱进行数值模拟和分析，以境界顶柱中的拉应力安全系数不小于1.2为原则推荐最小境界顶柱厚度如表4所示。

表4 境界顶柱厚度数值模拟推荐值

Table 4 The recommended values of different boundarypillar thickness from numerical simulation

m

通过模拟结果分析，境界顶柱厚度和采空区跨度对境界顶柱的最大拉应力有重要影响，境界顶柱厚度越大、采空区跨度越小，则境界顶柱的最大拉应力越小，拉应力安全系数越大，反之亦然。

采空区跨度达到40 m时，境界顶柱的最大拉应力与拉应力安全系数不再随着境界顶柱厚度的增大而明显的增大或减小，均位于临界破坏状态附近，所以露天转地下开采过程中应将采空区跨度控制在40 m以内。

4 理论计算与数值模拟结果比较

将不同跨度下的理论计算结果和数值模拟推荐的厚度值统计于表5。

表5 境界顶柱厚度的理论计算和数值模拟结果

Table 5 The boundary pillar thickness from theoreticalcalculations and numerical simulation

m

由表5可以发现，运用荷载传递交汇线法、厚跨比法、结构力学法、数值模拟法所得结果趋势是相同的，即随着跨度的增大，境界顶柱的安全厚度不断增大。综合考虑安全因素和经济条件，可以确定不同跨度下境界顶柱厚度的推荐值，如表5所示。根据矿山的实际开采跨度(30 m)，推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度为24 m。

5 结 论

(1)运用公式和ANSYS分别对不同跨度下的境界顶柱进行理论计算和数值模拟，得到不同跨度下的境界顶柱厚度，为矿山安全开采和实际生产提供了参考。

(2)通过数值模拟发现，露天转地下开采过程中应将采空区跨度控制在40 m以内。

(3)根据矿山实际开采跨度(30 m)，推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度为24 m。

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(责任编辑 石海林)

Research on Safety Thickness of Boundary Pillar duringthe Transition from Open Pit to Underground Mining

Liu Hengliang1Zhang Qinli2Bian Jiwei2

(1.TCIGCLXinqiaoMiningCo.，Ltd.，Tongling244132，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

Boundary pillar is an guarantee for ensuring the safety of underground mining and open pit and the stability of open pit slope，and the reasonable thickness of boundary pillar is essential to realize the transition from open pit to underground.To determine the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine，such measure as ratio of span and thickness equation，load transfer method and structural mechanics method，are adopted to calculate and analyze the safety thickness of boundary pillar.Numerical simulation on different spans and different boundary pillar thickness is carried out by ANSYS.By analyzing the theoretical calculations and numerical simulation results，the safety depth of boundary pillar under different goaf span is obtained.The results can effectively determine the thickness of boundary pillar of mine design，and have important implications for guiding safety production in transition from open pit to underground mining.Based on the actual mining span (30 m) in the mine，the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine is recommended as 24 m.

Transition from open pit to underground mining，Boundary pillar，Theoretical calculation，Numerical simulation

2015-06-22

刘恒亮(1964—)，男，高级工程师。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-041-05