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某礦露天轉(zhuǎn)地下頂柱安全厚度研究

文檔作者：閉進(jìn)忠王平陳聰文檔來源： 1．廣西北山礦業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司 2．東北大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月28日
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第65卷第4期 有 色 金 屬(礦山部分) 2013年7月
doi：10．3969·／J．issn．1671-4172．2013．04．003
某礦露天轉(zhuǎn)地下頂柱安全厚度研究
閉進(jìn)忠，王平 ，陳聰
(1．廣西北山礦業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西河池547000；2．東北大學(xué)，沈陽110004)
摘要：以某礦為工程實(shí)例，根據(jù)礦區(qū)的水文地質(zhì)情況、礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)等，運(yùn)用魯佩涅伊特理論計算法、
結(jié)構(gòu)力學(xué)梁法、厚跨比法等進(jìn)行頂柱安全厚度計算，并對計算結(jié)果和三維數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出該礦
露天轉(zhuǎn)地下時境界頂柱安全厚度與采空區(qū)跨度之間的關(guān)系，這對指導(dǎo)該露天礦的生產(chǎn)以及維護(hù)作業(yè)人員和設(shè)備的
安全具有十分重要的意義。
關(guān)鍵詞：露天轉(zhuǎn)地下；頂柱安全厚度；數(shù)值模擬；有限元
中圖分類號：TD853．391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671—4172(2013)04—0008—04
Study onsafety thickness of top—pillar in transferring from
open pit to underground mining
BI Jinzhong ，WANG Ping ，CHEN Cong。
(1． Guangxi Beishan M ining Developm ent Co．，Ltd．，Hechi Guangxi 547000，China；
2．Northeastern University，Shenyang 1 10004，China)
Abstract：Take a mine as engineering example，structure mechanics of girder，ratio of thickness and span equa—
tion and K．B．Lu Peinie equation are adapted tO calculate the safety thickness of top—pillar in this article，according
tO the hydroge0l0gical conditions of the mine and the physical and mechanical properties of the ore and rock． By
comparing the result with three dimensional numerical simulation analysis results，the relationship between the safe—
ty thickness of the goaf roof and goal span in transferring from open pit tO underground mining was gained，which
has extremely vital significance for production of open pit mine and maintenance safety of operating personal and the
equipments．
Key words：transferring from open pit tO underground mining；safety thickness of top—pillar；numerical simula—
tion；finite element
在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中，境界頂柱安全厚度
的確定一直是個難題，頂柱過厚會造成資源浪費(fèi)，頂
柱過薄則會影響安全生產(chǎn)。通常在露天轉(zhuǎn)地下開采
過程中，礦山為了使礦石產(chǎn)量波動不大，一般都使用
不停產(chǎn)過渡，這樣可以合理銜接產(chǎn)量。此時，為了處
理好露天與地下開采相互影響的問題，最有效的解
決辦法就是使用在露天坑的底部、地下開采第一中
段的頂部留一定厚度頂柱的空場法l1]?？請龇ㄖ?
以廣泛應(yīng)用于露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山，首先，主要是
該法在露天轉(zhuǎn)地下過渡時需要的技術(shù)簡單。其次，
該法可保證露天和地下同時開采時地下采場內(nèi)風(fēng)流
暢通，排水方便，同時可保證露天邊坡的穩(wěn)定性。在
基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BABO7B02)
作者簡介：閉進(jìn)忠(1969一)，男，副總工程師，采礦工程專業(yè)，主要從
事采礦技術(shù)和生產(chǎn)管理工作
此過程中要在露天坑底部到地下采場之間留有一定
厚度的頂柱。頂柱厚度的計算在理論上方法較多，
但是目前國內(nèi)礦山比較習(xí)慣采用工程類比法，而工
程類比法在工程實(shí)際應(yīng)用中有很多局限性。在使用
類比法時如果頂柱厚度選取偏大，會降低礦石的回
收率，這樣必然會造成資源浪費(fèi)；如果頂柱厚度選取
偏小，將不利于安全生產(chǎn)。所以，在露天轉(zhuǎn)地下開采
的過程中，頂柱厚度的選取是一項十分重要的工作。
因此，本文開展了某礦關(guān)于頂柱安全厚度的研究，目
的在于指導(dǎo)該礦在露天轉(zhuǎn)地下開采的過程中既能實(shí)
現(xiàn)安全有效地生產(chǎn)，又能獲得較好的經(jīng)濟(jì)收益。
1 礦區(qū)概述及其礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)
礦區(qū)在大地構(gòu)造位置上處于中朝準(zhǔn)地臺內(nèi)蒙地
軸，建平臺拱寧城斷凹中段。區(qū)域內(nèi)太古宙變質(zhì)雜
第4期 閉進(jìn)忠等：某礦露天轉(zhuǎn)地下頂柱安全厚度研究 9
巖廣布，構(gòu)成了最古老的結(jié)晶基底。前人將變質(zhì)構(gòu)
造面理視為層理，建立了建平群小塔子溝組。1991
年，經(jīng)遼寧地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊二分隊
工作，建立了變質(zhì)雜巖體系。該體系主要由變質(zhì)表
殼巖、變質(zhì)深成巖和變質(zhì)脈巖組成。雜巖體為各種
片麻巖、變質(zhì)脈巖，后者主要為斜長片麻巖和二長片
麻巖。礦區(qū)主礦體呈厚大似層狀，走向260?！?90。，
傾向南西，傾角7?！?4。，走向長度820 m，沿傾向長
度610 m，厚度8O～150 m。礦區(qū)底部有許多早期
民采留下的采空區(qū)。隨著露天坑底日益接近地下采
空區(qū)，礦山為保障安全生產(chǎn)必須及時確定露天坑底
與地下采空區(qū)的合理隔層厚度 ]。根據(jù)現(xiàn)場測量以
及礦方提供的不完全統(tǒng)計資料顯示，該礦區(qū)內(nèi)采空
區(qū)數(shù)目達(dá)50多個，采空區(qū)跨度8～50 m，但是多數(shù)
為30~40 m。
礦巖物理力學(xué)性質(zhì)：礦體為磁鐵石英巖礦層，礦
體頂柱圍巖主要為混合巖夾黑云斜長角閃片麻巖，
為太古界建平群中深變質(zhì)巖系，屬堅硬和半堅硬巖
石，穩(wěn)定性較好。礦石硬度系數(shù)，一lO～14，頂?shù)装?
圍巖f一7～12。礦石密度3．30 t／m。，圍巖密度
2．70 t／m。。礦巖松散系數(shù)1．6。經(jīng)現(xiàn)場取樣做室
內(nèi)巖石力學(xué)指標(biāo)測試，并查閱相關(guān)資料對該礦露天
采場的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到本次理論分析
與計算中使用的主要巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。
表1 礦巖力學(xué)參數(shù)
Table 1 Themechanical parameters of ore and rock
2 頂柱安全厚度的計算方法
1)魯佩涅伊特理論計算法_4 ]
計算公式：H — K[-0．25× rb。+ (r。b。+
800aBg) ／98aB] (1)
B一 3／k0k"d 3一(7～ 10) ，g— G／2b
(2)
式中：H一安全頂柱的厚度，m；6一采空區(qū)的跨
度，m；K～ 安全系數(shù)，本文取1．3；r一頂柱巖石的密
度，t／m。；g一電鏟及其他設(shè)備對頂柱的壓力，MPa；
6，一電鏟履帶的寬度，m；O'B一彎曲條件下考慮強(qiáng)度
安全系數(shù)k。和結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)k。條件下頂柱強(qiáng)度極
限，MPa； 。一彎曲條件下的巖石強(qiáng)度極限，MPa；
志。一2～3，k。一7～10 一巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；
G一電鏟或者設(shè)備的質(zhì)量，kg。
根據(jù)該理論估算公式帶人數(shù)據(jù)計算，得到采空
區(qū)跨度和頂柱安全厚度的推薦值，見表2。
表2 使用魯佩涅伊特理論計算法得出的采空區(qū)跨度
和頂柱安全厚度推薦值
Table 2 Goaf span and safe thickness of top‘pillar using
K．B． Lu Peinie method
采空區(qū)跨度／m
頂柱的厚度／m
2)平板梁理論計算法 卜。
該理論是由徐長佑提出的頂柱合理厚度計算方
法。該理論認(rèn)為，頂柱可以看作一個兩端固定的平
板梁結(jié)構(gòu)。該理論基于兩個基本觀點(diǎn)：① 礦房長度
遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其寬度；② 礦房數(shù)量多時，可以消除邊界跨
度的影響。在此觀點(diǎn)之下，建立了頂柱簡化模型，如
圖1所示。
圖1 在自重作用下平板梁模型
Fig．1 The flat beam model under its own weight
從該模型可以清楚地看到，該理論計算方法將
極其復(fù)雜的三維問題簡化成了二維的平面問題。近
年來一些學(xué)者在此理論基礎(chǔ)之上根據(jù)材料力學(xué)的公
式，推導(dǎo)出了頂柱安全厚度計算的簡化公式 ]：
H — KR6 ／2a (3)
其中： 一頂柱巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；6一采空
區(qū)的跨度，m；R一為爆破源的距離，m；K一安全系
數(shù)，本文取1．3；H一安全頂柱的厚度，m。
使用該簡化公式計算得到頂柱安全厚度和采空
區(qū)跨度之間的關(guān)系，如表3所示。
有 色 金 屬(礦山部分) 第65卷
表3 平板梁理論下采空區(qū)跨度和頂柱安全厚度推薦值
Table 3 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar using flat beam theory
采空區(qū)的跨度／m 10 20 3O 40 50
頂柱的厚度／m 5．83 11．00 15．62 24．68 36．14
3)空場長寬比法_7 ]
當(dāng)采空區(qū)的長度與寬度之比>2時，假定采空
區(qū)頂柱至露天工作平盤之間為一塊嵌固梁，受均布
連續(xù)載荷作用；當(dāng)空區(qū)長度與寬度之比≤2時，假定
空場頂柱為板結(jié)構(gòu)，且同時受自重均布載荷和電鏟
作業(yè)載荷的作用，其四邊支撐情況簡化為四邊簡支。
由于巖石的抗拉強(qiáng)度低，所以可運(yùn)用材料力學(xué)公式
(4)確定頂柱的最小安全厚度。
== = M? ／W (4)
式中： 一巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；M 一頂柱
內(nèi)最大彎矩，kN ·m；w一抗彎截面系數(shù)，m。。
由許用最大拉應(yīng)力來確定頂柱安全厚度，結(jié)果
如表4所示。
表4 使用空場長寬比法得到采空區(qū)跨度和
頂柱安全厚度推薦值
Table 4 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar using length‘width ratio method
采空區(qū)的跨度／m 10 20 30 40 50
頂柱的厚度／1fIl 5．3 11．5 18．0 20．0 23．5
4)普氏拱理論計算法[7 ]
采空區(qū)未坍塌時，處于自然平衡狀態(tài)，如巖石發(fā)
生變形與位移形成壓力拱，其拱高計算見式(5)。
H 一壘±壘 !皇 5二業(yè) (5)
式中：H一壓力拱的拱高，m；． 巖石內(nèi)摩擦
角，o)；6一空場半寬度，m； 一空場最大高度，ITI；
廠一巖石強(qiáng)度系數(shù)。
普氏壓力拱理論計算的基本前提是硐室上方的
巖石能夠形成自然壓力拱，這就要求硐室上方有足
夠的厚度且有相當(dāng)穩(wěn)定的巖體，以承受巖體自重和
其上部的載荷。因此，計算出壓力拱的拱高H 之
后，還要加上一定的穩(wěn)定巖層厚度才為最終的安全
頂柱厚度。本文在計算中取穩(wěn)定巖層厚度等于壓力
拱拱高，則頂柱安全厚度為壓力拱拱高的2倍，計算
結(jié)果如表5所示。
5)三維數(shù)值模擬[10-13]
近年來數(shù)值模擬方法廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。
本文在使用該法計算頂柱安全厚度時，首先根據(jù)該
礦的礦巖物理力學(xué)性質(zhì)建模(由于建模以及分析過
程過于復(fù)雜，本文不再詳細(xì)敘述)，然后對模擬結(jié)果
進(jìn)行有限元分析，從而得出頂柱安全厚度。不同采
空區(qū)跨度、不同厚度頂柱巖體中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力
如圖2所示。
表5 普氏壓力拱理論計算得到采空區(qū)跨度和
頂柱安全厚度推薦值
Table 5 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar us ing Protodyakonov’S
mountain rock pressure theory
采空區(qū)跨度／m 10 2O 3O 40 50
頂柱的厚度／m 6．0 12．0 16．7 19．6 26．0
惻
堪
5 l0 15 20
頂板厚度／m
圖2 最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力計算結(jié)果
Fig．2 The results of maximum tensile stress and
the maximum shear stress
使用有限元分析結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在
頂柱的中央，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在采空區(qū)的下部角點(diǎn)
處。由圖2可以看出，隨著頂柱厚度的增大，頂柱內(nèi)
拉應(yīng)力逐漸減小。根據(jù)不同頂柱厚度計算得出的最
大拉應(yīng)力結(jié)果及巖體抗拉強(qiáng)度，可確定一定采空區(qū)
跨度下所要求的頂柱安全厚度。采空區(qū)的頂柱巖體
為礦體，其抗壓強(qiáng)度為160 MPa，安全系數(shù)為1．3，
巖體內(nèi)的最大拉應(yīng)力應(yīng)該小于1．49 MPa。由此得
到不同采空區(qū)跨度下頂柱的安全厚度如表6所示。
表6 有限元分析得出采空區(qū)跨度和頂柱安全厚度推薦值
Table 6 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar using finite element analysis
采空區(qū)跨度／m 10 20 30 40 50
頂柱的厚度／m 7．2 11．2 14．0 19．0 28．0
6)厚跨比法 ]
該法認(rèn)為，當(dāng)采空區(qū)頂柱為完整頂柱時，其頂柱
的厚度H 與其跨越采空區(qū)的跨度W 之比滿足
H／KW~O．5，此時則認(rèn)為頂柱是安全的。其中K
0 5 0 5 蛐0 5 0 5 0㈣
第4期 閉進(jìn)忠等：某礦露天轉(zhuǎn)地下頂柱安全厚度研究 11
為安全系數(shù)，本文取值為1．3。
本文主要運(yùn)用該經(jīng)驗公式驗證以上五種方法計
算得到的頂柱安全厚度是否合理。
3 不同計算結(jié)果的分析比較
本文使用以上六種方法計算在不同的采空區(qū)跨
度下應(yīng)留安全頂柱的厚度，以便使得到的結(jié)果更加
精確。圖3反應(yīng)了不同的計算方法中采空區(qū)跨度和
頂柱安全厚度的對應(yīng)關(guān)系。從圖3可見，對于采空
區(qū)頂柱安全厚度，各種計算方法的計算結(jié)果與數(shù)值
模擬計算的結(jié)果基本趨于相同，并且經(jīng)前五種方法
計算得到的結(jié)果與厚跨比法的原理吻合。
l—K．B．魯佩涅伊特法
2一厚跨比法
3一平板梁理論計算法
4一空場法
5一普氏壓力拱
6一數(shù)值模擬
0 lO 20 30 40 50 60 70
采空區(qū)跨度
圖3 采空區(qū)跨度和頂柱安全厚度之間的關(guān)系
Fig．3 The relationship between goaf span and
safe thickness of top-pillar
針對某礦的開采技術(shù)條件，經(jīng)綜合研究分析最
終確定其采空區(qū)跨度與頂柱巖層的最小安全厚度的
對應(yīng)關(guān)系如表7所示。
表7 某礦采空區(qū)跨度與安全厚度推薦值
Table 7 The recommended value of goaf span and
safe thickness of top-pillar
經(jīng)空區(qū)測量，采空區(qū)跨度一般為3O～40 m，該
礦露天與地下聯(lián)合開采的境界頂柱的安全厚度為
16．5～23．5 m 比較合理。
4 結(jié)論
根據(jù)計算推薦值，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，可確定目前開
采的臺階露采作業(yè)是安全的。礦山生產(chǎn)實(shí)踐證明，
按照推薦的頂柱安全厚度組織施工是合理的。而對
于即將開采的+310 m 臺階，由于地下采空區(qū)與露
天臺階之間的距離減小，如果繼續(xù)按推薦的最小頂
柱安全厚度值組織施工，在有些地段可能存在安全
隱患，礦山應(yīng)對采空區(qū)進(jìn)行處理并采取相應(yīng)的安全
措施 ]。
在礦山生產(chǎn)中，由于爆破震動、地壓、設(shè)備靜壓
和動壓等的作用，局部礦體和巖體可能會比較破碎，
所以建議礦山在采礦過程中根據(jù)揭露巖體的工程地
質(zhì)特征對頂柱的安全厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整[1引。此
外，為了確保整個礦山的安全生產(chǎn)，建議對露天邊坡
及其坑底進(jìn)行監(jiān)測。
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