鄭彥濤,周虎生,劉德峰,杜文華,高玉寶

(1.貴州息烽磷礦有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001;2.武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖北 武漢 430073;3.青龍滿族自治縣天興礦業(yè)有限公司,河北 秦皇島 066500;4.貴州云峰礦業(yè)公司,貴州 貴陽 550001)

鋁土礦地質(zhì)賦存條件復(fù)雜,我國大多數(shù)鋁土礦為沉積型礦床,礦體強度較好,但頂、底板巖性較差,且礦層多為緩傾斜、傾斜礦層,礦層變化大;隨著淺部鋁土資源開采的日益減少,鋁土礦逐步轉(zhuǎn)入地下深部,但諸多地質(zhì)條件因素致使鋁土礦地下開采難度增加,資源回采率偏低、技術(shù)成本高,極大制約了地下礦產(chǎn)資源的安全高效開采。

近年來,在地下礦山開采工程中,開采布置參數(shù)優(yōu)化研究的重要性日益凸顯,許多研究人員針對地下礦山采場穩(wěn)定性及其開采布置參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析和研究,取得了一些有意義的研究成果。王偉[1]利用RMR分級法和Q系統(tǒng)分級法對各類型巖體進(jìn)行評價分級,對采空區(qū)形成過程及其穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計算和預(yù)測分析。張衛(wèi)中,王維慶[2]等采用層次分析法建立了以采礦方法選擇所涉及因素為指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)分析模型,確定房柱法是最優(yōu)的采礦方法。王永增、王心泉[3]等通過CDEM數(shù)值計算方法對采空區(qū)穩(wěn)定性及臨界頂板厚度進(jìn)行分析。曹英莉[4]基于CRITIC賦權(quán)法對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選模擬研究。賈敬锎,甄利兵[5]等對深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合研究,提出了一種采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的方法。采場礦柱則是采場結(jié)構(gòu)參數(shù)中的主要考慮因素,合理的礦柱參數(shù)可提高礦山效益,降低采場安全風(fēng)險。馬春德、徐家慶[6]等采用有限元軟件ANSYS與有限差分軟件FLAC3D優(yōu)選出深部采場最優(yōu)跨度。李勝輝、王立杰[7]等針對某鐵礦復(fù)雜破碎地質(zhì)條件,開展了采場穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究。賀鋒堅,余超[8]等采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對開采方案進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)計算結(jié)果選出采場結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)方案。張圓堂,朱建軍[9]等利用FLAC3D軟件模擬采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不留護(hù)頂?shù)V層和護(hù)頂?shù)那闆r,得出有必要預(yù)留護(hù)頂?shù)V層的結(jié)論。然而,關(guān)于鋁土礦礦柱穩(wěn)定性及其參數(shù)優(yōu)化研究鮮見報道。

以貴州云峰鋁土礦的房柱式開采為工程背景,通過理論計算對礦柱承載穩(wěn)定性及其布置參數(shù)進(jìn)行分析,揭示關(guān)鍵因素對礦柱臨界安全尺寸的影響規(guī)律,確定實現(xiàn)礦柱承載穩(wěn)定條件下礦柱的最優(yōu)布置參數(shù),最后通過數(shù)值模擬和工程實踐,驗證提出的礦柱布置參數(shù)方案的可行性和合理性。

1 工程概況

貴州云峰鋁土礦位于貴州省清鎮(zhèn)市境內(nèi),開采鋁土礦為緩傾斜薄-中厚礦體,礦體形態(tài)呈層狀、類層狀,分布較為連續(xù),平均厚度4.12 m,向西傾斜,傾角12°～28°,平均20°;開拓工程采用脈內(nèi)布置,選用主平巷+斜坡道+軌道運輸?shù)拈_拓運輸方案;根據(jù)礦層特征,采用房柱法采礦,采用淺孔鑿巖爆破崩落礦石,采場內(nèi)留設(shè)礦柱支撐頂板。

圖1 采掘礦房布置平面示意圖

圖2 采掘礦房截面布置示意圖

該礦井下將礦體劃分為各個中段,中段垂高20～30 m,每中段沿礦體走向劃分多個礦房。礦房沿礦體走向布置,走向長80m,斜長50～70 m,礦房之間留連續(xù)的隔離間柱,目前開采范圍為二采區(qū),標(biāo)高為+1050 m～+930 m。在鋁土礦房柱式開采過程中,礦柱承載穩(wěn)定性對確保地下礦安全高效開采尤為重要,若礦柱留設(shè)尺寸過小,則不利于地下采場承載安全穩(wěn)定;礦柱留設(shè)尺寸過大,則會降低采出率,經(jīng)濟(jì)效益欠佳,所以合理的礦柱布置參數(shù)是實現(xiàn)該礦山安全高效開采的關(guān)鍵。

2 房柱式開采礦柱穩(wěn)定理論分析

2.1 礦柱臨界安全尺寸方程

為合理優(yōu)化設(shè)計房柱式開采條件礦柱布置參數(shù),從地下金屬礦房柱式開采的空間布置特征分析,當(dāng)以單個礦房空間為研究對象時,礦房空間由四個礦柱承載其頂板地應(yīng)力荷載,當(dāng)以單個礦柱為研究對象時,每個礦柱承載周圍四個礦房的一部分地應(yīng)力荷載;根據(jù)力平衡原理,設(shè)礦柱布置間排距為D,礦柱自身截面尺寸為d,對單個礦柱的承載壓應(yīng)力進(jìn)行分析得:

(1)

式中:Pkz——礦柱承載應(yīng)力,MPa;

P——礦柱頂板原巖應(yīng)力,MPa;

D——礦柱布置間排距,m;

d——礦柱自身截面尺寸,m。

采用應(yīng)用較為廣泛的Bieniawski礦柱強度公式[10]估算礦柱承載強度,即:

(2)

式中:PF——礦柱承載強度,MPa;

σc——礦巖強度參數(shù),MPa;

h——礦柱高度,m;

k——形狀效應(yīng)經(jīng)驗常數(shù);

η——形狀效應(yīng)經(jīng)驗指數(shù)。

進(jìn)而得房柱式開采條件下礦柱承載穩(wěn)定性的安全條件為:

Pkz≤PF

(3)

將式(1～2)代入得:

(4)

根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知,當(dāng)?shù)V柱的寬高比大于5時,η=1.4,當(dāng)?shù)V柱的寬高比小于5時,η=1.0,故本此力學(xué)解析取η=1.0,上式進(jìn)一步整理得:

(5)

解得房柱式開采條件礦柱臨界安全尺寸條件方程為:

(6)

其中:

至此,由式(6)可估算房柱式開采條件礦柱臨界安全尺寸。

2.2 礦柱承載穩(wěn)定性影響規(guī)律分析

以貴州云峰鋁土礦試驗礦房11號礦房為工程研究對象進(jìn)行算例分析,初始假設(shè)條件如下:礦體開采的礦房高度h=5 m,所處埋深的垂直應(yīng)力P=5 MPa,礦柱的單軸抗壓強度σc=35 MPa,礦房內(nèi)礦柱間跨度D=15 m,k=0.7;以上參數(shù)代入式(6)進(jìn)行計算分析,計算結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 原巖應(yīng)力對礦柱臨界安全尺寸影響

圖4 礦體開采高度對礦柱臨界安全尺寸影響

圖5 礦柱間跨度礦柱臨界安全尺寸影響

圖6 礦柱抗壓強度對礦柱臨界安全尺寸影響

見圖3,礦體所處原巖應(yīng)力每增加2 MPa(大約埋深增加80 m),礦柱的臨界安全尺寸增大1 m,地下礦體的埋藏深度越大,其承載的原巖應(yīng)力越大,相應(yīng)地礦柱的臨界安全尺寸就越大。見圖4,開采高度每增加1 m,礦柱的臨界安全尺寸增加0.1～0.4 m,根據(jù)巖石的尺寸效應(yīng)分析認(rèn)為,高寬尺寸比增加,礦柱的礦壓穩(wěn)定性降低,相應(yīng)地地下礦體的開采高度越大,就越不利于其自身承載穩(wěn)定,礦柱的臨界安全尺寸有一定程度增加。

在礦體房柱式開采過程中,礦房內(nèi)礦柱間跨度越大,礦柱的承載負(fù)擔(dān)壓力就越大,致使礦柱的安全臨界尺寸明顯增加,見圖5,礦房內(nèi)礦柱間跨度每增加2 m,礦柱的臨界安全尺寸增加0.6～0.7 m;此外,礦房內(nèi)礦柱間的跨度越大,礦房的采出率有明顯提高,但柱間的跨度過大則不利于礦柱的承載穩(wěn)定。見圖6,礦房內(nèi)礦柱抗壓強度每增加10 MPa,礦柱的臨界安全尺寸減小0.5～1.0 m,礦柱自身的抗壓強度越大,承載能力越大,相應(yīng)地礦柱的臨界安全尺寸可以明顯減小,有助于提高礦房的采出率。

綜述分析,礦體原巖應(yīng)力等因素?zé)o法實現(xiàn)有效的人工改造和優(yōu)化,但可以結(jié)合礦柱自身的抗壓承載條件,通過優(yōu)化設(shè)計礦柱高度及其柱間跨度,實現(xiàn)礦房的安全高效開采。

3 貴州云峰鋁土礦礦柱布置參數(shù)優(yōu)化

3.1 礦柱參數(shù)優(yōu)化計算

根據(jù)貴州云峰鋁土礦試驗礦房11號礦房的工程現(xiàn)場條件,礦體所處埋深的垂直應(yīng)力P=6 MPa,礦房開采高度h=5 m,礦柱的單軸抗壓強度σc=76.4 MPa,根據(jù)經(jīng)驗取形狀效應(yīng)經(jīng)驗常數(shù)k=0.64,擬設(shè)計跨度D=12 m,以上參數(shù)代入式(2)和式(6)進(jìn)行計算得出:

礦柱臨界安全尺寸:

礦柱承載強度:

取礦柱截面尺寸為長4 m×寬4 m,代入式(1)和式(2)進(jìn)行計算得出:

礦柱承載應(yīng)力:

礦柱承載強度:

礦柱承載穩(wěn)定性安全系數(shù):

綜上可知,當(dāng)?shù)V柱臨界安全尺寸為3.55 m時,礦柱承壓能力達(dá)68.5 MPa。結(jié)合工程現(xiàn)場條件及其施工安全考慮,確定房柱式開采條件下礦柱臨界安全尺寸為4.0 m,該尺寸礦柱的理論承載應(yīng)力為54 MPa、臨界承壓強度為71 MPa、承載穩(wěn)定性安全系數(shù)Kkz為1.31。因此,從理論角度來看,該鋁土礦的礦柱參數(shù)為長4 m×寬4 m×高5 m,礦柱間距12 m。

3.2 試驗礦房數(shù)值模擬分析

為了證實理論計算的礦柱參數(shù)的合理性,采用數(shù)值模擬軟件,對貴州云峰鋁土礦試驗礦房11號礦房開采條件的礦柱承載及塑性區(qū)情況進(jìn)行分析。根據(jù)該礦地質(zhì)資料建立FLAC3D數(shù)值計算模型,見圖7和圖8,其中11號礦房模型尺寸為長240 m×寬160 m×高160 m,礦體所處埋深200 m,原巖應(yīng)力6 MPa(平均巖重2500 kg/m3),礦房開采高度h=5 m,礦柱尺寸長4 m×寬4 m×高5 m,礦柱間距12 m,邊界礦柱長30 m×寬4 m×高5 m,采取從礦房兩邊逐次向中央開挖的開采方式,數(shù)值模擬巖層參數(shù)見表1,模擬結(jié)果見圖5。

表1 模擬巖層介質(zhì)力學(xué)參數(shù)表

圖7 數(shù)值計算模型

圖8 房柱式開采布置

在鋁土礦體房柱式開采過程中,采取從礦房兩邊逐次向中央開挖的開采方式,1區(qū)段回采完成后(每區(qū)段分為3段次進(jìn)行回采),當(dāng)2區(qū)段1/3完成回采時,見圖9a,礦柱承載應(yīng)力峰值近30 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當(dāng)2區(qū)段2/3完成回采時,見圖9b,礦柱承載應(yīng)力峰值近31 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當(dāng)2區(qū)段完成回采時,見圖9c,礦柱承載應(yīng)力峰值近32.5 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當(dāng)3區(qū)段完成回采時,見圖9d,礦柱的承載應(yīng)力峰值近39.5 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當(dāng)4區(qū)段完成段回采時, 見圖9e,礦柱承載應(yīng)力峰值近45.5 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;當(dāng)5區(qū)段完成回采時,見圖9f,礦柱承載應(yīng)力峰值近48 MPa,邊界礦柱承載應(yīng)力峰值近14 MPa;從房柱式開采過程中礦柱承載應(yīng)力分布模擬結(jié)果來看,邊界礦柱承載應(yīng)力狀態(tài)無明顯變化,礦房內(nèi)礦柱承載應(yīng)力狀態(tài)從30 MPa增加至48 MPa,盡管礦柱承載應(yīng)力狀態(tài)顯著,但尚未超過理論估算的54 MPa的承載極限。

圖9 房柱式開采過程中礦柱承載應(yīng)力分布(俯視圖)

見圖10,礦柱(長4 m×寬4 m×高5 m)無明顯破壞現(xiàn)象,僅頂板下邊界淺部顯現(xiàn)不同程度的局部拉伸破壞,這說明留設(shè)的礦柱尺寸合理,僅需要在現(xiàn)場采取一定的錨桿索主動支護(hù),就能實現(xiàn)礦房的安全開采。

圖10 房柱式開采過程中礦柱及其承載頂板破壞分布(仰視圖)

4 工程實踐分析

4.1 礦柱承載應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步驗證理論計算確定的礦柱參數(shù)的合理性與可行性,通過現(xiàn)場礦房頂板及其礦柱的承載應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測。見圖11、圖12和圖13,礦房開采期間礦柱承載應(yīng)力均未發(fā)生較明顯異?，F(xiàn)象,這表明試驗采場礦柱在礦房開采過程中是處于穩(wěn)定狀態(tài)的,其布置參數(shù)是合理和可行的。

圖11 現(xiàn)場試驗礦房礦柱承載應(yīng)力變化規(guī)律

圖12 井下礦柱現(xiàn)場效果圖

圖13 井下采場頂板檢撬

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

將提出的礦柱參數(shù)優(yōu)化方案與現(xiàn)場實際方案礦柱參數(shù)長5 m×寬5 m,跨度D=10 m對比分析,見表2。

由表2可知,優(yōu)化方案與現(xiàn)場實際方案均能實現(xiàn)礦房開采過程中安全的,但由于實際方案中的礦柱截面尺寸更大,導(dǎo)致礦房回采率低,經(jīng)濟(jì)效益差。

表2 設(shè)計方案同實際方案理論計算參數(shù)對比

根據(jù)現(xiàn)場采礦量統(tǒng)計顯示,采取優(yōu)化方案后,礦房采出礦量1.79萬噸,累計出礦1.79萬噸,其中副產(chǎn)礦石量為0.32萬噸,主要回采時間共計26天,累計回采出礦石量1.37萬噸,回采率76.8%。與原方案礦房平均回采率69.5%相比,礦柱參數(shù)優(yōu)化方案的礦房回采率提高了11%,顯著的提升了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

(1)地下礦體承載的原巖應(yīng)力越大,則礦柱臨界安全尺寸變大;地下礦開采高度越大,越不利于其自身承載穩(wěn)定,則礦柱臨界安全尺寸隨之增加;礦柱間跨度越大,則礦柱承載壓力變大,致使礦柱的安全臨界尺寸顯著增加;礦柱抗壓強度越大,相應(yīng)地承載能力變大,則礦柱臨界安全尺寸減小。

(2)基于Bieniawski 礦柱強度理論,確定了礦柱的最優(yōu)布置參數(shù)為長4 m×寬4 m×高5 m,礦柱間距12 m,并從理論角度闡明該礦柱布置參數(shù)的安全可靠性。

(3)通過數(shù)值模擬和工程實踐,證實了提出的最優(yōu)礦柱布置參數(shù)是安全與合理的,能夠有效的實現(xiàn)礦柱的承載穩(wěn)定和礦房的高效開采,可為同類型礦山的安全高效回采提供理論參考。