贵州云峰铝土矿矿柱承载稳定性分析及其布置参数优化

郑彦涛,周虎生,刘德峰,杜文华,高玉宝

(1.贵州息烽磷矿有限责任公司,贵州 贵阳 550001;2.武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖北 武汉 430073;3.青龙满族自治县天兴矿业有限公司,河北 秦皇岛 066500;4.贵州云峰矿业公司,贵州 贵阳 550001)

铝土矿地质赋存条件复杂,我国大多数铝土矿为沉积型矿床,矿体强度较好,但顶、底板岩性较差,且矿层多为缓倾斜、倾斜矿层,矿层变化大;随着浅部铝土资源开采的日益减少,铝土矿逐步转入地下深部,但诸多地质条件因素致使铝土矿地下开采难度增加,资源回采率偏低、技术成本高,极大制约了地下矿产资源的安全高效开采。

近年来,在地下矿山开采工程中,开采布置参数优化研究的重要性日益凸显,许多研究人员针对地下矿山采场稳定性及其开采布置参数优化进行了分析和研究,取得了一些有意义的研究成果。王伟[1]利用RMR分级法和Q系统分级法对各类型岩体进行评价分级,对采空区形成过程及其稳定性进行模拟计算和预测分析。张卫中,王维庆[2]等采用层次分析法建立了以采矿方法选择所涉及因素为指标体系的层次结构分析模型,确定房柱法是最优的采矿方法。王永增、王心泉[3]等通过CDEM数值计算方法对采空区稳定性及临界顶板厚度进行分析。曹英莉[4]基于CRITIC赋权法对采场结构参数进行优选模拟研究。贾敬锎,甄利兵[5]等对深部采场结构参数进行综合研究,提出了一种采场结构参数优化的方法。采场矿柱则是采场结构参数中的主要考虑因素,合理的矿柱参数可提高矿山效益,降低采场安全风险。马春德、徐家庆[6]等采用有限元软件ANSYS与有限差分软件FLAC3D优选出深部采场最优跨度。李胜辉、王立杰[7]等针对某铁矿复杂破碎地质条件,开展了采场稳定性分析和结构参数优化研究。贺锋坚,余超[8]等采用FLAC3D数值模拟软件对开采方案进行数值模拟,根据计算结果选出采场结构参数最优方案。张圆堂,朱建军[9]等利用FLAC3D软件模拟采场结构参数不留护顶矿层和护顶的情况,得出有必要预留护顶矿层的结论。然而,关于铝土矿矿柱稳定性及其参数优化研究鲜见报道。

以贵州云峰铝土矿的房柱式开采为工程背景,通过理论计算对矿柱承载稳定性及其布置参数进行分析,揭示关键因素对矿柱临界安全尺寸的影响规律,确定实现矿柱承载稳定条件下矿柱的最优布置参数,最后通过数值模拟和工程实践,验证提出的矿柱布置参数方案的可行性和合理性。

1 工程概况

贵州云峰铝土矿位于贵州省清镇市境内,开采铝土矿为缓倾斜薄-中厚矿体,矿体形态呈层状、类层状,分布较为连续,平均厚度4.12 m,向西倾斜,倾角12°～28°,平均20°;开拓工程采用脉内布置,选用主平巷+斜坡道+轨道运输的开拓运输方案;根据矿层特征,采用房柱法采矿,采用浅孔凿岩爆破崩落矿石,采场内留设矿柱支撑顶板。

图1 采掘矿房布置平面示意图

图2 采掘矿房截面布置示意图

该矿井下将矿体划分为各个中段,中段垂高20～30 m,每中段沿矿体走向划分多个矿房。矿房沿矿体走向布置,走向长80m,斜长50～70 m,矿房之间留连续的隔离间柱,目前开采范围为二采区,标高为+1050 m～+930 m。在铝土矿房柱式开采过程中,矿柱承载稳定性对确保地下矿安全高效开采尤为重要,若矿柱留设尺寸过小,则不利于地下采场承载安全稳定;矿柱留设尺寸过大,则会降低采出率,经济效益欠佳,所以合理的矿柱布置参数是实现该矿山安全高效开采的关键。

2 房柱式开采矿柱稳定理论分析

2.1 矿柱临界安全尺寸方程

为合理优化设计房柱式开采条件矿柱布置参数,从地下金属矿房柱式开采的空间布置特征分析,当以单个矿房空间为研究对象时,矿房空间由四个矿柱承载其顶板地应力荷载,当以单个矿柱为研究对象时,每个矿柱承载周围四个矿房的一部分地应力荷载;根据力平衡原理,设矿柱布置间排距为D,矿柱自身截面尺寸为d,对单个矿柱的承载压应力进行分析得:

(1)

式中:Pkz——矿柱承载应力,MPa;

P——矿柱顶板原岩应力,MPa;

D——矿柱布置间排距,m;

d——矿柱自身截面尺寸,m。

采用应用较为广泛的Bieniawski矿柱强度公式[10]估算矿柱承载强度,即:

(2)

式中:PF——矿柱承载强度,MPa;

σc——矿岩强度参数,MPa;

h——矿柱高度,m;

k——形状效应经验常数;

η——形状效应经验指数。

进而得房柱式开采条件下矿柱承载稳定性的安全条件为:

Pkz≤PF

(3)

将式(1～2)代入得:

(4)

根据文献[9]可知,当矿柱的宽高比大于5时,η=1.4,当矿柱的宽高比小于5时,η=1.0,故本此力学解析取η=1.0,上式进一步整理得:

(5)

解得房柱式开采条件矿柱临界安全尺寸条件方程为:

(6)

其中:

至此,由式(6)可估算房柱式开采条件矿柱临界安全尺寸。

2.2 矿柱承载稳定性影响规律分析

以贵州云峰铝土矿试验矿房11号矿房为工程研究对象进行算例分析,初始假设条件如下:矿体开采的矿房高度h=5 m,所处埋深的垂直应力P=5 MPa,矿柱的单轴抗压强度σc=35 MPa,矿房内矿柱间跨度D=15 m,k=0.7;以上参数代入式(6)进行计算分析,计算结果见图3～图6。

图3 原岩应力对矿柱临界安全尺寸影响

图4 矿体开采高度对矿柱临界安全尺寸影响

图5 矿柱间跨度矿柱临界安全尺寸影响

图6 矿柱抗压强度对矿柱临界安全尺寸影响

见图3,矿体所处原岩应力每增加2 MPa(大约埋深增加80 m),矿柱的临界安全尺寸增大1 m,地下矿体的埋藏深度越大,其承载的原岩应力越大,相应地矿柱的临界安全尺寸就越大。见图4,开采高度每增加1 m,矿柱的临界安全尺寸增加0.1～0.4 m,根据岩石的尺寸效应分析认为,高宽尺寸比增加,矿柱的矿压稳定性降低,相应地地下矿体的开采高度越大,就越不利于其自身承载稳定,矿柱的临界安全尺寸有一定程度增加。

在矿体房柱式开采过程中,矿房内矿柱间跨度越大,矿柱的承载负担压力就越大,致使矿柱的安全临界尺寸明显增加,见图5,矿房内矿柱间跨度每增加2 m,矿柱的临界安全尺寸增加0.6～0.7 m;此外,矿房内矿柱间的跨度越大,矿房的采出率有明显提高,但柱间的跨度过大则不利于矿柱的承载稳定。见图6,矿房内矿柱抗压强度每增加10 MPa,矿柱的临界安全尺寸减小0.5～1.0 m,矿柱自身的抗压强度越大,承载能力越大,相应地矿柱的临界安全尺寸可以明显减小,有助于提高矿房的采出率。

综述分析,矿体原岩应力等因素无法实现有效的人工改造和优化,但可以结合矿柱自身的抗压承载条件,通过优化设计矿柱高度及其柱间跨度,实现矿房的安全高效开采。

3 贵州云峰铝土矿矿柱布置参数优化

3.1 矿柱参数优化计算

根据贵州云峰铝土矿试验矿房11号矿房的工程现场条件,矿体所处埋深的垂直应力P=6 MPa,矿房开采高度h=5 m,矿柱的单轴抗压强度σc=76.4 MPa,根据经验取形状效应经验常数k=0.64,拟设计跨度D=12 m,以上参数代入式(2)和式(6)进行计算得出:

矿柱临界安全尺寸:

矿柱承载强度:

取矿柱截面尺寸为长4 m×宽4 m,代入式(1)和式(2)进行计算得出:

矿柱承载应力:

矿柱承载强度:

矿柱承载稳定性安全系数:

综上可知,当矿柱临界安全尺寸为3.55 m时,矿柱承压能力达68.5 MPa。结合工程现场条件及其施工安全考虑,确定房柱式开采条件下矿柱临界安全尺寸为4.0 m,该尺寸矿柱的理论承载应力为54 MPa、临界承压强度为71 MPa、承载稳定性安全系数Kkz为1.31。因此,从理论角度来看,该铝土矿的矿柱参数为长4 m×宽4 m×高5 m,矿柱间距12 m。

3.2 试验矿房数值模拟分析

为了证实理论计算的矿柱参数的合理性,采用数值模拟软件,对贵州云峰铝土矿试验矿房11号矿房开采条件的矿柱承载及塑性区情况进行分析。根据该矿地质资料建立FLAC3D数值计算模型,见图7和图8,其中11号矿房模型尺寸为长240 m×宽160 m×高160 m,矿体所处埋深200 m,原岩应力6 MPa(平均岩重2500 kg/m3),矿房开采高度h=5 m,矿柱尺寸长4 m×宽4 m×高5 m,矿柱间距12 m,边界矿柱长30 m×宽4 m×高5 m,采取从矿房两边逐次向中央开挖的开采方式,数值模拟岩层参数见表1,模拟结果见图5。

表1 模拟岩层介质力学参数表

图7 数值计算模型

图8 房柱式开采布置

在铝土矿体房柱式开采过程中,采取从矿房两边逐次向中央开挖的开采方式,1区段回采完成后(每区段分为3段次进行回采),当2区段1/3完成回采时,见图9a,矿柱承载应力峰值近30 MPa,边界矿柱承载应力峰值近14 MPa;当2区段2/3完成回采时,见图9b,矿柱承载应力峰值近31 MPa,边界矿柱承载应力峰值近14 MPa;当2区段完成回采时,见图9c,矿柱承载应力峰值近32.5 MPa,边界矿柱承载应力峰值近14 MPa;当3区段完成回采时,见图9d,矿柱的承载应力峰值近39.5 MPa,边界矿柱承载应力峰值近14 MPa;当4区段完成段回采时, 见图9e,矿柱承载应力峰值近45.5 MPa,边界矿柱承载应力峰值近14 MPa;当5区段完成回采时,见图9f,矿柱承载应力峰值近48 MPa,边界矿柱承载应力峰值近14 MPa;从房柱式开采过程中矿柱承载应力分布模拟结果来看,边界矿柱承载应力状态无明显变化,矿房内矿柱承载应力状态从30 MPa增加至48 MPa,尽管矿柱承载应力状态显著,但尚未超过理论估算的54 MPa的承载极限。

图9 房柱式开采过程中矿柱承载应力分布(俯视图)

见图10,矿柱(长4 m×宽4 m×高5 m)无明显破坏现象,仅顶板下边界浅部显现不同程度的局部拉伸破坏,这说明留设的矿柱尺寸合理,仅需要在现场采取一定的锚杆索主动支护,就能实现矿房的安全开采。

图10 房柱式开采过程中矿柱及其承载顶板破坏分布(仰视图)

4 工程实践分析

4.1 矿柱承载应力分析

为了进一步验证理论计算确定的矿柱参数的合理性与可行性,通过现场矿房顶板及其矿柱的承载应力进行实时监测。见图11、图12和图13,矿房开采期间矿柱承载应力均未发生较明显异常现象,这表明试验采场矿柱在矿房开采过程中是处于稳定状态的,其布置参数是合理和可行的。

图11 现场试验矿房矿柱承载应力变化规律

图12 井下矿柱现场效果图

图13 井下采场顶板检撬

4.2 经济效益分析

将提出的矿柱参数优化方案与现场实际方案矿柱参数长5 m×宽5 m,跨度D=10 m对比分析,见表2。

由表2可知,优化方案与现场实际方案均能实现矿房开采过程中安全的,但由于实际方案中的矿柱截面尺寸更大,导致矿房回采率低,经济效益差。

表2 设计方案同实际方案理论计算参数对比

根据现场采矿量统计显示,采取优化方案后,矿房采出矿量1.79万吨,累计出矿1.79万吨,其中副产矿石量为0.32万吨,主要回采时间共计26天,累计回采出矿石量1.37万吨,回采率76.8%。与原方案矿房平均回采率69.5%相比,矿柱参数优化方案的矿房回采率提高了11%,显著的提升了矿山的经济效益。

5 结 论

(1)地下矿体承载的原岩应力越大,则矿柱临界安全尺寸变大;地下矿开采高度越大,越不利于其自身承载稳定,则矿柱临界安全尺寸随之增加;矿柱间跨度越大,则矿柱承载压力变大,致使矿柱的安全临界尺寸显著增加;矿柱抗压强度越大,相应地承载能力变大,则矿柱临界安全尺寸减小。

(2)基于Bieniawski 矿柱强度理论,确定了矿柱的最优布置参数为长4 m×宽4 m×高5 m,矿柱间距12 m,并从理论角度阐明该矿柱布置参数的安全可靠性。

(3)通过数值模拟和工程实践,证实了提出的最优矿柱布置参数是安全与合理的,能够有效的实现矿柱的承载稳定和矿房的高效开采,可为同类型矿山的安全高效回采提供理论参考。