嚴(yán)振湘 張文東

（首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司）

杏山鐵礦露天開采于2005 年閉坑，2011 年露天轉(zhuǎn)地下開采正式進(jìn)行。開采礦體整體向東南方向傾伏，地下開采一期采用無底柱分段崩落法，購置的地界內(nèi)允許塌落，但隨著開采深度的延伸，-330 m 水平至-480 m 水平少部分礦體塌落范圍已經(jīng)超出地界，-480 m 水平以下大部分礦體塌落范圍超出地界范圍。考慮杏山鐵礦為已成型的地下礦山，深部開采時需要同時考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性。由于地下采礦會在礦石采出后的原礦石部位形成采空區(qū)，周圍巖層也會因此失去受力平衡而發(fā)生變形和破壞，使地表發(fā)生變形、塌陷［1］。受具體條件限制，部分礦山的井筒、選廠等構(gòu)（建）筑物布置在地表移動帶內(nèi)，需要留設(shè)足夠的保安礦柱對其加以保護(hù)。同時由于深部礦體產(chǎn)狀的變化，地表移動帶隨之發(fā)生變化，地表重要構(gòu)（建）筑物由原來的地表移動帶之外進(jìn)入地表移動帶以內(nèi)，也需要留設(shè)保安礦柱加以保護(hù)［2］。同時因地壓管理方式不同，不同的采礦方法之間也需要預(yù)留保安礦柱確保回采安全［3］。開展聯(lián)合開采條件下的隔離礦柱穩(wěn)定性研究是杏山鐵礦的一項(xiàng)重要工作，也為其他類似礦山深部開采時礦柱的穩(wěn)定性分析提供參考。

1 地質(zhì)概況

杏山鐵礦礦區(qū)出露的地層以太古界遷西群三屯營變質(zhì)巖為主，屬于鞍山式沉積變質(zhì)貧鐵礦床。杏山鐵礦礦體總體上呈向斜形態(tài)，向斜軸面陡立，傾向偏西，向斜走向350°，樞紐向南傾伏，傾伏角在40°左右。被正斷層F9 切割，礦床在東西上分為大杏山和小杏山兩部分，具體如圖1。

F9 斷層以西礦體稱為大杏山礦體，礦體賦存主要在-330～-600 m 水平，-607 m 水平以下逐漸尖滅。小杏山礦體被斷層F10 破壞，在垂向上分為2 個礦層，上層礦層傾角45°～70°，平均厚度68.09 m；下層礦層傾角為40°～55°，總體上按C18～C26 線由大變小，小杏山礦體平均厚度23.09 m。

礦床礦體上盤圍巖為石榴石黑云變粒巖、黑云淺粒巖、斜長角閃巖等，下盤圍巖為黑云變粒巖、角閃麻粒巖夾矽線石榴石英巖。夾石TFe 品位為11.52%，mFe品位為8.49%，圍巖TFe品位為5.50%。

2 工程概況

隔離礦柱的厚度不僅關(guān)系著井下開采的安全性，同時也影響礦山的整體效益。隔離礦柱布置形式和厚度的合理性，既保證開采安全又能減少礦石的損失［4］。-330～-480 m 階段存在崩落法和充填法同時開采的情況，考慮在2種采礦方法交界處預(yù)留礦柱，兩種采礦方法在開采靠近礦柱的礦體時，不能同時進(jìn)行爆破、回采作業(yè)，且采用微差爆破，嚴(yán)格控制單段起爆藥量，不要破壞礦柱的完整性。

露天轉(zhuǎn)地下開采延伸工程留設(shè)的保安礦柱主要有以下3 個部分：①附近鐵礦井筒保安礦柱，②礦體中段保安礦柱，③采礦方法交界保安礦柱。圖2為主要礦柱示意圖。

（1）附近鐵礦井筒保安礦柱。礦山東側(cè)有其他公司鐵礦，該鐵礦的西北角布置有主井，為了保護(hù)該鐵礦主井工業(yè)場地，在小杏山礦體東部留有部分井筒保安礦柱。保安礦柱保護(hù)以該鐵礦主井為中心、半徑50 m范圍的工業(yè)場地。

（2）礦體中段保安礦柱。延伸工程共劃分為-330～-480 m 和-500～-660 m 兩個階段，其中-330～-480 m階段采用崩落法和充填法混合開采，-500～-660 m 階段全部采用充填法，2 個階段同時開采。為保證下階段開采不影響上階段的生產(chǎn)安全，將-480～-500 m 的礦體留作隔離保安礦柱，礦柱為水平連續(xù)礦柱，礦柱厚度20 m。

（3）采礦方法交界保安礦柱。-330～-480 m 階段采用充填法和崩落法2種采礦方法聯(lián)合開采，前者自下而上開采，后者自上而下開采，為保證生產(chǎn)安全，需要在2種采礦方法交界處留設(shè)保安礦柱，礦柱厚度為30 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 力學(xué)參數(shù)

本次模擬主要參考了《河北省遷安市遷安鐵礦接替資源（杏山區(qū)）勘探報(bào)告》中對圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果。詳細(xì)參數(shù)見表1。

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3.2 理論公式與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

基于各類經(jīng)驗(yàn)公式及理論公式計(jì)算的杏山鐵礦分段隔離礦柱厚度如表2所示。

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基于以上計(jì)算結(jié)果，考慮計(jì)算參數(shù)的誤差，選用20 m 作為中段隔離礦柱的厚度是安全、經(jīng)濟(jì)的。為進(jìn)一步分析上述結(jié)果的可靠性，采用數(shù)值模擬方法對中段隔離礦柱的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值分析基于國際先進(jìn)的巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3d進(jìn)行礦房開采過程模擬，以分析中段隔離礦柱的穩(wěn)定性。假設(shè)模型中礦巖體均為理想彈塑性連續(xù)介質(zhì)，且采用摩爾—庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，其物理力學(xué)模型采用彈塑性力學(xué)模型，僅考慮自重應(yīng)力。數(shù)值模型初始邊界條件為前后左右面及底面采用位移約束，即前后左右面限制水平方向位移，底面限制垂直方向位移［5-7］，上部為自由邊界面。建立數(shù)值模型如圖3（a）所示，礦塊及礦柱劃分如圖3（b）所示。

圖4為-480 m以上礦體開采完畢塑性區(qū)分布，可知-480 m 以上礦體開采對下部中段隔離礦柱不會造成大的損傷區(qū)。

隨著-500～-560 m 分段礦房一步回采，中段隔離礦柱底部出現(xiàn)塑性區(qū)，如圖5 所示，但塑性區(qū)僅存在于空區(qū)頂部局部范圍，厚度較小，塑性區(qū)未貫通中段隔離礦柱。

隨著-500～-560 m 分段礦房回采結(jié)束，礦柱底部出現(xiàn)塑性區(qū)仍未貫通，如圖6 所示，說明-461.25 ～-500 m之間的中段隔離礦柱能夠保持穩(wěn)定。

-480 m 以上礦體開采完畢中段隔離礦柱主應(yīng)力變化如圖7 所示。由圖可知，上部階段開采完畢后，頂柱應(yīng)力集中較大，拉應(yīng)力主要集中在充填體局部，影響范圍較小。中段隔離礦柱上部存在壓應(yīng)力集中，但是范圍有限。

隨著-500～-560 m 分段礦房回采結(jié)束，中段隔離礦柱出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，如圖8所示。最大拉應(yīng)力區(qū)范圍較小，拉應(yīng)力值小于巖體抗拉強(qiáng)度，應(yīng)力場分析說明-461.25～-500 m 之間的中段隔離礦柱能夠保持穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

模擬結(jié)果表明，中段礦柱受開采影響有限，僅局部礦房空區(qū)上部有塑性破壞，破壞范圍未貫穿礦柱，加之采用充填采礦法，空區(qū)冒落時間短，礦柱完全冒落破壞可能性較小，因此中段水平保安礦柱厚度設(shè)置為20 m是安全可靠的。