露天地下聯(lián)合開采人工境界保安礦柱可靠性分析*

張長鎖 王海軍,2 趙旭林3

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

隨著礦山開采技術(shù)條件的不斷變化，尤其是礦體開采深度不斷加深，露天剝離量不斷增大，為提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，越來越多的露天礦山不得不轉(zhuǎn)入地下開采。在露天開采轉(zhuǎn)地下開采的過渡期內(nèi)，必須減小或避免露天采場與地下采場之間的相互影響，目前主要通過設(shè)置空間上的隔離保護(hù)層。隔離層可分為2種，一是在露天坑底留置一定厚度的礦體作為境界保安礦柱，將露天生產(chǎn)與地下生產(chǎn)隔離，如河北鋼鐵石人溝鐵礦預(yù)留16 m厚的境界保安礦柱，大冶銅綠山銅鐵礦預(yù)留17 m厚的境界保安礦柱等。二是開采完礦體后，再造人工境界保安礦柱［1-2］，來隔離露天與地下生產(chǎn)，如遼寧北票鐵蛋山礦、鞍鋼眼前山鐵礦等。露天地下聯(lián)合開采礦山的境界保安礦柱是礦山生產(chǎn)至關(guān)重要的安全保障［3-4］。

1 礦山概況

某金礦上部采用露天開采，設(shè)計(jì)露采坑底境界標(biāo)高為213 m，平面最大尺寸為881 m×168 m，最大垂直深度為57 m；金礦深部采用地下開采，采礦方法為高分段空場嗣后充填采礦法，采用斜坡道開拓方案，回采順序?yàn)橛上露稀楸ＷC地下開采與露天坑尾砂堆積的相互獨(dú)立性，保證地下開采和尾砂排棄的安全性，需要留設(shè)人工境界保安礦柱。該礦礦體品位較高，如果采用第一種方式設(shè)置隔離保護(hù)層，則保安礦柱內(nèi)的礦石將永久損失，因此選用人工境界保安礦柱。同時(shí)，礦山計(jì)劃使用露天坑作為尾礦庫，人工境界保安礦柱不僅要保障地下采區(qū)的正常生產(chǎn)，還需要肩負(fù)露天坑尾砂的安全堆存。

2 人工境界保安礦柱設(shè)計(jì)及施工方案

考慮礦山開采技術(shù)條件、人工境界保安礦柱寬度、露天采場邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)、礦井水文地質(zhì)等因素，對人工境界保安礦柱的施工工藝進(jìn)行整體規(guī)劃。

露天開采結(jié)束后，在露天礦坑坑底采取淺孔微差爆破的方式，為下一步保安礦柱的施工提供平整的場地。保安礦柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并使用錨桿將人工礦柱與圍巖形成一體。由于露天坑底范圍較大，人工礦柱施工采用分步分層的開挖、施工工藝，最終形成整體式露天坑人工境界保安礦柱。這樣既可提高境界礦柱的整體穩(wěn)定性，同時(shí)也能盡早采出一部分礦石，保證露天轉(zhuǎn)地下開采產(chǎn)能的平穩(wěn)過渡。人工礦柱采用C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，礦柱底部受力部位設(shè)置在礦脈兩側(cè)的上下盤巖體中，形成一個(gè)完整的嵌入式人工礦柱，保證地下開采的安全。

由于礦體寬度的變化，對人工礦柱的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇及承載力均有較大的不同。因此，將礦柱分為A、B、C、D、E 5個(gè)區(qū)域，設(shè)計(jì)礦柱頂面標(biāo)高（露天坑底標(biāo)高）為213 m。各區(qū)域分布情況見表1和圖1，礦柱典型剖面如圖2所示。

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相對天然礦柱，采用人工境界保安礦柱結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）提前回收境界保安礦柱的礦石，尤其是品位較高的礦石，不僅可實(shí)現(xiàn)礦山露天轉(zhuǎn)地下開采資源和產(chǎn)量有序銜接，還可帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）人工境界保安礦柱結(jié)構(gòu)整體性較好，強(qiáng)度和穩(wěn)定性相較于天然礦柱提高2～3倍，對露天開采遺留的邊坡實(shí)現(xiàn)更好的支撐作用。

（3）提高回采效率，進(jìn)一步降低回采礦石的貧化。

（4）采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，整體性好，有較高的承載能力。

（5）防滲、防漏風(fēng)性能優(yōu)于天然保安礦柱。

3 人工境界保安礦柱穩(wěn)定性分析

人工境界保安礦柱的穩(wěn)定性分析工作需要結(jié)合其施工特點(diǎn)以及不同階段的狀態(tài)來進(jìn)行［5-6］。保安礦柱從施工到開始起作用分為4個(gè)階段：①原始狀態(tài)（露天開采后）；②人工境界保安礦柱施工；③地下開采及廢石回填；④露天坑底施加尾砂荷載（相當(dāng)于對礦柱施加1 MPa均布壓應(yīng)力）。

3.1 模型建立

原巖場三維模型能夠清晰地反映被研究地質(zhì)體的主要構(gòu)成及相互關(guān)系［7-8］。構(gòu)建露天地下聯(lián)合開采的物理三維模型，模型由原巖場、人工境界保安礦柱、礦體、廢石充填體構(gòu)成，模型剖面如圖3所示。

3.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)報(bào)告，將礦區(qū)巖性分為花崗巖、流紋巖、廢石充填體、混凝土和礦體5類，各材料物理力學(xué)參數(shù)見表2，基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算分析。

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3.3 模型網(wǎng)格劃分

本礦山礦區(qū)的地形、礦體的幾何特征差別明顯，為保證數(shù)值模擬分析結(jié)果的可靠性，必須采用耦合的有限元網(wǎng)格。本次有限元網(wǎng)格劃分整體采用微觀到宏觀、宏觀整體驗(yàn)證的劃分原則，首先劃分地表、露天開采境界、人工境界保安礦柱、地下開采礦體等部分，然后將各部分網(wǎng)格進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到具有耦合的節(jié)點(diǎn)及單元，要進(jìn)行布爾減運(yùn)算的實(shí)體模型見圖4。生成網(wǎng)格后利用檢查自由面的方式來確認(rèn)是否存在節(jié)點(diǎn)不耦合的情況。經(jīng)檢查，模型內(nèi)部空區(qū)邊界處與圍巖之間不存在自由面的情況。

3.4 數(shù)值模擬分析計(jì)算

對模型中各巖性材料添加物理力學(xué)參數(shù)、邊界約束以及尾砂堆積荷載，之后便可進(jìn)入計(jì)算階段。模型計(jì)算結(jié)束后，借助三維可視化的功能對人工境界保安礦柱的應(yīng)力、應(yīng)變、位移及塑性區(qū)進(jìn)行觀察，進(jìn)而分析人工境界保安礦柱的穩(wěn)定性狀態(tài)。

4 模擬結(jié)果分析

為了便于觀察人工境界保安礦柱及附近圍巖的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在Z=213 m處切取水平剖面（圖5），同時(shí)對人工境界保安礦柱實(shí)體進(jìn)行透明帶邊線顯示，獲得水平剖面上X向、Y向、Z向的最大主應(yīng)力分布云圖（圖6）。

由圖6可知，剖切圖中X方向應(yīng)力的數(shù)值范圍為+1.136×103～-9.168×103kPa；Y方向?yàn)?5.493×102～-3.605×103kPa；Z方向?yàn)?2.115×103～-8.77×103kPa。人工境界保安礦柱在承受來自上部尾砂的壓力和地下開采空區(qū)的擾動后，X、Y、Z向所受到的拉應(yīng)力均小于人工礦柱本身的抗拉強(qiáng)度（+2.0×103kPa），其壓應(yīng)力值均小于抗壓強(qiáng)度（40×103kPa），整體較穩(wěn)定，但由于拉應(yīng)力區(qū)的存在，后期需要加強(qiáng)對人工礦柱的穩(wěn)定性監(jiān)測。

由圖7可知，地下開采壽命期結(jié)束后，人工礦柱附近區(qū)域最大總位移為1.5 cm，不會造成地下開采與尾砂堆的聯(lián)通，保證地下開采與尾砂堆互相影響在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

本研究介紹了大型人工礦柱的設(shè)置及施工工藝，為同類型礦山提供參考；同時(shí)對具有復(fù)雜地表且內(nèi)部嵌有復(fù)雜人工礦柱的實(shí)體模型進(jìn)行科學(xué)、合理的仿真模擬，可靠地分析了人工境界保安礦柱的穩(wěn)定性。