露地聯采采場結構參數優化研究

付玉華，占 飛，李 勇

(1. 江西理工大學應用科學學院，江西 贛州 341000；2. 紫金礦業集團股份有限公司， 褔建 上杭 364200)

露地聯采采場結構參數優化研究

付玉華1,2，占 飛1，李 勇1

(1. 江西理工大學應用科學學院，江西 贛州 341000；2. 紫金礦業集團股份有限公司， 褔建 上杭 364200)

境界頂柱和采場結構參數設置關系到露天和地下聯合開采礦山的安全和資源回收率，科學設置采場結構參數具有重要的工程價值。本文以某礦露天地下聯合開采工程為背景，在理論分析法計算礦房寬度基礎上，結合有關研究成果和礦山開采實際，設計12種境界頂柱和礦房寬度組合方案，采用FLAC3D數值計算軟件模擬分析分步開采過程中關鍵監測點的位移、剪應變增量和塑性區變化規律，探索最佳頂柱厚度和礦房寬度組合。結果表明，隨境界頂柱厚度增加，礦房寬度可相應增大，但增大程度有限，礦房極限寬度為18m；礦山最佳方案為境界頂柱50m和礦房寬度15m，30m頂柱15m礦房寬方案次之。

境界頂柱；礦房寬度；理論分析；數值模擬

露天和地下聯合開采的礦山，采場或空區上覆巖體受到兩個開采體系的共同作用，巖體應力變化規律和巖體工程穩定性變的更加復雜[1-2]，為礦山安全生產和資源充分回收在技術和開采工藝上形成挑戰。境界頂柱和采場結構參數是影響復雜開采體系巖體穩定性和資源回收率的關鍵參數，合理確定此類參數意義重大。

與單一開采體系相比，露天轉地下開采境界頂柱和采場結構參數方面的研究成果并不多見。于世波等采用多種理論解析方法和數值模擬方法，對不同條件下的采場境界頂柱、礦柱及采場頂板穩定性進行了綜合優化分析，提出境界頂柱厚度大于32m采場寬度為15m，反之則用12m或更小[3]；劉恒亮等運用理論法計算境界頂柱安全厚度，并用ANSYS對不同跨度和境界頂柱厚度組合進行模擬，推薦境界頂柱安全厚度為24m[4]；秦健春等運用ANSYS對充填法兩步回采的采場結構參數進行了優化，最優參數為礦柱20m+30m礦房[5]；李占金等研究了石人溝鐵礦露轉坑過渡期的采場結構參數[6]；許宏亮等采用FLAC3D模擬分析某礦露轉坑境界頂柱的合理厚度[7]。以上研究成果對露天轉地下開采體系的理論研究和生產實踐具有很好參考價值。然而，由于兩個開采體系的共存和相互干擾，地壓顯現、礦山地質以及工程開采條件的復雜性，使得合理確定境界頂柱和采場結構參數變得更加困難，科學設置境界頂柱和采場結構參數始終是工程界和學術界關心的熱點問題。某礦采、選生產能力10000t/d，從1982年采用露天方法開采至今已有30多年歷史，為充分回收露天境界外的金屬資源，盡可能延長礦山壽命，維持10000t/d生產規模，確保礦山持續穩定發展，設計實施了露天轉地下工程建設，即維持5000t/d露采規模，新增地下開采5000t/d生產規模。設計地下開采從上往下，露天開采從上往下，分區分期交替過渡，地下開采先從南坑底開始，向北坑過渡，最后回采邊幫殘留礦體。開拓中段有150m、100m、50m、0m、-50m、-100m、-150m、-200m，首采中段為-100m、-50m為回風中段。本文以上述礦山露天和地下聯合開采為工程背景，在理論分析礦房寬度基礎上，結合現有研究成果和礦山開采實際，設計12種方案，采用FLAC3D分析最優境界頂柱厚度和礦房寬度。研究成果為礦山安全生產和資源高回收提供借鑒。

1 礦房寬度預計

計算礦房寬度常用的方法有工程類比、理論分析和數值模擬。本文采用式(1)預計礦房開采跨度[8]。

(1)

式中：w為礦房跨度，m；γ為礦體容重，KN/m3；λ為側壓系數；σT為頂柱巖體抗拉強度，MPa；H為礦體開采深度，m。

根據礦山實際開采情況和礦巖參數實測數據，地下開采深度H=250～400m；巖體容重取γ=31.2 KN/m3；礦體抗拉強度σT=2.36MPa；側壓系數λ=0.7。將以上數據代入式(1)得礦房寬度w=13.86～22.79 m。

2 數據計算方案

2.1 境界頂柱和礦房寬度方案

礦山露天和地下同時開采，分區分期交替過渡，初步設計采用房柱嗣后充填法和分段空場嗣后充填法，設計礦房長100m，沿走向布置，高50m，為階段高度，寬15m，間柱直徑為5m。

數值模擬中，保持礦房長度100m、高度50m和間柱直徑不變，參考眾多研究成果[9-12]和礦山開采實際，取境界頂柱厚為30m、50m和80m 3個級別，礦房寬度為12m、15m、18m和21m等4個水平，組合得到12個境界頂柱+礦房寬度方案用于數值計算，如表1所示。

2.2 數值計算

采用SRRPAC和MIDAS軟件，根據現場境界圖和地質培面等圖件，制作礦山三維地質網格模型，如圖1所示。該模型導入FLAC3D可用作模擬分析[13]。

表1 境界頂柱和礦房寬度組合方案

圖1 三維實體網格模型

采用摩爾-庫侖模型，邊界條件為：底部邊界約束位移，側面邊界約束水平位移，上邊界為自由面。數值計算參數如表2所示。每個方案的計算都包括5步，即模擬露天開采部分的開挖，開挖左礦房，開挖中間礦房并充填左礦房，開挖右礦房并充填中間礦房，充右填礦房。在模型中設置了一系列監測點，記錄模擬計算過程中產生的位移、應力等信息，用作比選參考。

表2 數值計算參數賦值表

3 境界頂柱和礦房參數優化

針對12類境界頂柱+礦房寬度方案，首先分析同一境界頂柱厚度水平下首選的礦房寬度，得三組優選方案，然后對此三組方案進行比較，得出礦山最優采場結構參數。分析過程中選取了第12號、34號、44號、49號、50號和51號等6個監測點的相應記錄數據作為參照，其中12號和34號點對應境界頂柱頂部和露采最終境界底部相交部分，44號、50號、51號和49號點分別對應礦房三個棱面中點和底部邊角點位置。

3.1 30 m厚頂柱的礦房寬度分析

由圖2和圖3可知，隨著礦房寬度的增加，各點的位移相應增大。12m礦房方案的各測點位移和剪應變增量最小且比較集中，各點位移都在20mm以內；除44號點外各點剪應變增量都非常小，屬于開采最安全穩定的方案。15m和18m方案開采完成后對應測點位移和剪 應變增量都有所增大，但增幅小。21m寬礦房方案開采完成后，第50號點的位移達到了109mm，是礦房頂第44點位移31.8mm的3.4倍，說明采空區已經失穩。

圖2 30m頂柱測點最終位移

圖3 30m頂柱測點最終剪應變增量

圖4 30m+15m方案塑性區分布圖

圖5 30m+18m方案塑性區分布圖

圖4和圖5是15m和18m方案的塑性區分布圖，第五步完全充填后塑性區分布有所改善，15m方案的礦房、采場圍巖和頂柱是穩固的，而18m方案的頂柱塑性區幾乎從礦房頂板貫通到地表，不能保障開采過程的穩定。因此，30m厚頂柱15m礦房寬度方案為佳。

3.2 50m厚頂柱的礦房寬度分析

由圖6和圖7可知，開采完成后，12m寬礦房方案的各測點位移依然最小，最大位移為14.6mm，位于礦房頂部中間44號點，最小位移為4.15mm，在礦房腳點處，隨礦房寬度增大，除第49號點外，其它各點位移跟著增大，15m和18m方案的最大位移分別達到18.3mm和21.8mm，同上一方案相比分別增加了3.7mm和3.5mm，漲幅相當，當21m方案開挖完成后，位移曲線變陡，最大位移達到了27.3mm，比18m方案增大5.5mm，幅度有所提高。從各測點剪應變增量變化情況看，44號點的記錄值最大，四種方案對應的值分別為0.0147、0.0239、0.0258、0.0353，前三種方案的增量變化曲線比較平緩，第三到第四方案的曲線突然變陡?？梢?，12m、15m、18m三種方案間的變化趨勢不明顯，而21 m方案的位移和剪應變增量發生了較大的變化，下面結合四種方案的塑性區分布選擇最佳的礦房寬度。

圖6 50m頂柱測點最終位移

圖7 50m頂柱最終剪應變增量

圖8和圖9是18m和21m方案開采到第四步的塑性區分布圖，塑性區主要分布在境界頂柱內，處于礦房頂板以上和露采邊坡坡腳以下部位，是露天開采和地下開采共同作用的結果。隨著礦房寬度的增大，塑性區分布的范圍逐漸擴大，18m方案的分布還呈現出零星的狀態，21m方案的塑性區分布則連成了面，中間高兩邊低。這種大面積的塑性區說明該方案在開采過程中的穩定性不能得到有效保證。因此，認為50m+18m方案為佳。

圖8 50m+18m方案塑性區分布圖

圖9 50m+21m方案塑性區分布圖

3.3 80m厚頂柱的礦房寬度分析

80m厚頂柱方案和50m厚頂柱方案相比，四種礦房寬度方案模擬開采，測點的位移和剪應變增量的變化趨勢幾乎是一樣的，其記錄值僅有微小的下降。如80m頂柱測點44對應四種方案的位移分別為14.3mm、17.9mm、21.5mm和26.1mm，而50m頂柱的相應值分別為14.6mm、18.3mm、21.8mm和27.3mm。剪應變增量如同位移一樣，與50m頂柱有同樣的規律。塑性區的分布具有和前面同樣的規律，12m、15m、18m礦房方案的分布總體上呈現零星的特征，而21m方案的塑性區在頂柱底部呈現出面的特征。因此，80m頂柱條件下的礦房寬度也以18m為佳。

3.4 最優頂柱厚度和礦房寬度分析

由上述分析可知，30m厚度頂柱條件下，礦房寬度最大可達到15m,而50m和80m厚度頂柱條件下的礦房寬度最大都只能達到18m，說明隨頂柱厚度的增加，礦房寬度可適當增大，但不能持續增大，當礦房寬達到18m后，再增加頂柱的厚度對于礦房寬度沒有意義，因此，選擇80m厚度頂柱沒有實際意義。

圖10表示了第44點和第12點在50m和30m頂柱四種礦房寬度開采的位移對比關系，50m頂柱條件下，隨礦房寬度的增加，位移變化的趨勢比較平緩，而30m頂柱的位移變化曲線更陡，說明留設30m頂柱的開采體系受采礦擾動比50m頂柱的靈敏；另外，從兩種厚度頂柱開采的塑性區分布變化也可得到同樣的結論。30m頂柱15m礦房寬方案開采完成后的最大位移和剪應變增量都位于第44點，分別為19mm和2.54×10-2；50m頂柱18m礦房寬方案開采完成后的最大位移和剪應變增量同樣位于第44點，分別為21.8mm和2.58×10-2，相應差值非常小，基本上在同一級別。因此從安全起見，認為50m頂柱的開采體系比30m頂柱的開采體系抗干擾能力強。因此，從保證生產安全和提高生產率層面，最優方案為境界頂柱50m和礦房寬度18m，30m頂柱15m礦房寬度方案次之。

圖10 50m和30m頂柱測點位移對比

4 結論

1)露天和地下聯合開休的礦山，境界頂柱不變，隨礦房寬度增加，對應的位移、剪應變增量和塑性區范圍也隨之增大，30m厚頂柱最大礦房寬度為15m，50m和80m厚頂柱最大礦房寬度為18m。

2)增大境界頂柱厚度，有利于露天和地下開采體系的穩定性，然而當頂柱厚度大于50m后，礦房的最大寬度最高達到18m，因此一味提升頂柱厚度除浪費資源外沒有安全意義。

3)從生產安全和提高開采效率考慮，該礦山露天和地下聯合開采的最優結構參數為50m境界頂柱+18m礦房寬度，30m境界頂柱+15m礦房寬度方案次之。礦山設計頂柱厚度大于46m，礦房寬度為15m，可結合開采實際條件，部分采場寬度可調整到18m，以提高開采效率。

[1] 周前祥.露天與地下聯合開采工藝特點分析[J].煤炭科學技術,1995,23(1):33-36.

[2] 王龑明,任鳳玉,張永亮.大型深凹露天轉井下深部開采技術研究[J].中國礦業,2005,14(7):57-59.

[3] 于世波,解聯庫,王賀.復雜條件下大規模開采采場結構參數優化研究[J]. 有色金屬工程,2015,5(S1):13-16.

[4] 劉恒亮,張欽禮,卞繼偉.露天轉地下開采境界頂柱安全厚度研究[J].金屬礦山,2015(10):41-45.

[5] 秦健春,王新民,駱小芳, 等.充填法兩步回采采場結構參數優化[J].礦冶工程,2012,32(4):1-4.

[6] 李占金,韓現民,甘德清,等.石人溝鐵礦露天轉地下過渡期采場結構參數研究[J].礦業研究與開發,2008,28(3):1-2.

[7] 許宏亮,楊天鴻,朱立凱.司家營鐵礦Ⅲ采場露天轉地下境界頂柱合理厚度研究[J].中國礦業,2007,16(4):74-77.

[8] 曹帥,杜翠鳳,譚玉葉, 等.金屬礦山階段嗣后充填膠結充填體礦柱力學模型分析[J].巖土力學,2015,36(8):2370-2376.

[9] 張海波,李示波,張揚, 等.金屬礦山嗣后充填采場頂板合理跨度參數研究及建議[J].金屬礦山,2014 (6):21-24.

[10] 徐帥,安龍,李元輝, 等.基于SOM的深埋厚大礦體采場結構參數優化研究[J]. 采礦與安全工程學報,2015,32(6):883-888.

[11] 楊蕾,邱景平,邢軍等.充填體與巖體強度合理匹配下的采場結構參數優化[J]. 金屬礦山,2016(3):10-14.

[12] 吳雪莉,鄭建明,任鳳玉.Surda銅礦無底柱分段崩落法結構參數優化[J]. 中國礦業,2016,25(6):88-90.

[13] 付玉華.露天轉地下開采巖體穩定性及巖層移動規律研究[D]. 贛州:江西理工大學, 2010.

Study on structural parameter optimization in the stope combination of open pit and underground mining

FU Yuhua1，2,ZHAN Fei1, LI Yong1

(1.College of Applied Science, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 2.Zijin Mining Group Co., Ltd., Shanghang 364200, China)

The parameters setting of the top pillar and stope structure is related to the safety and resource recovery rate of the combined mining of open pit and underground mining, setting of stope structure parameters with scientific method has important engineering value. With the engineering background of a mine open pit and underground combined mining, this article is based on the theoretical analysis calculation stope width of foundation, combined with the relevant research results and mining practice, gives design of 12 kinds of boundary roof column and stope width combination scheme, using the FLAC3D data calculation software to simulate and analyze the displacement, shear strain increment and plastic zone change of the key monitoring points in the process of stepwise mining.. The results show that with the boundary pillar thickness increasing, the width of stope can be increased, but increases to a limited extent, stope limit width of 18m, mine optimum plan of the pillar 50m and stope width of 15m, the second plan follows with 30m pillar and 15m wide stope.

boundary pillar; the width of room; theoretical analysis; numerical simulation

2016-08-10

國家自然科學基金項目資助(編號：51464015)；江西省教育廳科學技術研究重點項目資助(編號：GJJ151519)

付玉華(1968-)，男，江西上饒人，博士，副教授，主要從事礦山開采與巖體損傷方面的教學和研究，E-mail：yhfu@jxust.edu.cn。

TD803；TD804

A

1004-4051(2017)01-0083-05