備戰(zhàn)鐵礦露天礦與掛幫礦同時(shí)開采穩(wěn)定性研究

1、- PAGE 6 - PAGE 1 -備戰(zhàn)鐵礦露天礦與掛幫礦同時(shí)開采穩(wěn)定性研究任從坡（礦冶科技集團(tuán)有限公司 北京100160）摘要：備戰(zhàn)鐵礦是正在由露天轉(zhuǎn)井下生產(chǎn)的大型鐵礦，掛幫礦采用分段空?qǐng)龇ɑ夭?，地下礦體擬采用無底柱分段崩落法回采。掛幫礦必須與露天礦同時(shí)開采，才能在地下開拓工程建成前完成回采任務(wù)并形成覆蓋層。掛幫礦采用分段空?qǐng)龇ɑ夭?，地表不可避免?huì)產(chǎn)生連續(xù)移動(dòng)和變形，進(jìn)而影響露天邊坡的穩(wěn)定性。利用FLAC軟件建立過渡期備戰(zhàn)鐵礦露天邊坡與掛幫礦同時(shí)開采的模型，選擇合理的采場(chǎng)尺寸并模擬掛幫礦開采對(duì)露天邊坡安全穩(wěn)定性的影響。模擬結(jié)果表明，掛幫礦開采不會(huì)造成露天邊坡大面積拉伸破壞，露天邊坡基本穩(wěn)定

2、。關(guān)鍵詞：掛幫礦；備戰(zhàn)鐵礦；露天邊坡；安全穩(wěn)定性；FLACStudy on simultaneous mining stability of open pit orebody and hanging one for Beizhan Iron MineREN Cong-po(BGRIMM Technology Group , Beijing 100160, China)Abstract:The Beizhan iron mine is a large one which is being produced from open pit to underground. The hanging ore

3、body is exploited with the sublevel open field method. The underground orebody is planned to exploited with the sublevel caving method without bottom pillars. The hanging orebody must be exploited at the same time as the openpit one, so that the mining task can be completed and the overburden can be

4、 formed before the development project underground completed. The ground will be in continuous movement and deformation which will affect the stability of the open slope, because of the hanging orebody is carried out by the method of sublevel open field. A model was conducted by FLAC software to sim

5、ulate the case when the hanging orebody was exploited at the same time as the openpit one. The reasonable stope sizes were selected to simulate the influence of hanging orebody mining on the safety and stability of open slope. The simulation results showed that the mining of hanging orebody will not

6、 cause large-scale tensile damage of open slope, and the open slope will basically stable.Keywords: Hanging orebody; Beizhan iron mine; open slope; safety and stability; FLAC備戰(zhàn)鐵礦是正在由露天轉(zhuǎn)井下生產(chǎn)的大型鐵礦，目前上部為露天開采，臺(tái)階高度12 m，露天回采標(biāo)高3596m3390 m，掛幫礦開采標(biāo)高為3512m3392 m。掛幫礦體采用分段空?qǐng)龇ɑ夭?，地下礦體采用豎井開拓，無底柱分段崩落法采礦方法回采。按計(jì)劃，露天開采

7、還可以生產(chǎn)約4年，掛幫礦需與露天開采同時(shí)生產(chǎn)才能在地下開采開拓工程建成前完成回采任務(wù)并形成覆蓋層1。掛幫礦采用分段空?qǐng)霾傻V方法，不可避免的會(huì)引起露天邊坡、上覆巖層及地表產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)和變形，進(jìn)而影響露天邊坡的穩(wěn)定2。因此，如何保證掛幫礦和露天礦同時(shí)生產(chǎn)的安全成為備戰(zhàn)鐵礦亟需解決的迫切問題。1 基本概況1.1礦巖物理力學(xué)參數(shù)備戰(zhàn)鐵礦巖石主要為矽卡巖組，礦體頂、底板巖性主要以綠簾石化矽卡巖、磁鐵礦化矽卡巖、晶屑凝灰?guī)r為主，次為大理巖、凝灰?guī)r等。主要結(jié)構(gòu)體形式為薄層狀、碎塊狀，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，頂?shù)装鍘r石多為軟弱巖石，內(nèi)部聚合力偏小，層間結(jié)合力較弱，抗拉抗剪斷能力弱中等；磁鐵礦體位于矽卡巖組之間，主要由

8、角礫狀磁鐵礦、浸染狀磁鐵礦、塊狀磁鐵礦組成，呈致密狀，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，其穩(wěn)固性較好。礦體及頂?shù)装鍍?nèi)摩擦角與經(jīng)驗(yàn)值偏低，凝聚力與經(jīng)驗(yàn)值相當(dāng)3。具體參數(shù)見表1。表1 礦巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表Table 1 Physical and mechanical properties of ore and rock工程編號(hào)層位巖石顆粒密度(g/cm3)巖石塊體密度(g/cm3)孔隙率(%)吸水率（%）含水率（%）單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)天然狀態(tài)抗拉強(qiáng)度(MPa)內(nèi)摩擦角（）凝聚力（MPa）軟化系數(shù)天然狀態(tài)飽和狀態(tài)干燥狀態(tài)ZK202頂板2.552.501.961.030.4580.8/19.2/ZK309頂板2

9、.402.371.250.820.1333.015.834.216.331.07.30.46ZK309頂板2.862.840.700.540.0679.655.888.924.228.318.20.63ZK704頂板2.442.411.230.850.1246.321.247.116.329.611.10.45ZK704頂板2.502.480.800.750.0839.722.749.210.837.93.20.46ZK704頂板2.942.920.680.560.12125.891.0138.013.433.317.70.66ZK202礦體2.582.531.940.560.30155.1/

10、12.4/露天采礦礦體2.442.420.800.470.1038.522.739.26.0835.14.50.58ZK202底板2.422.381.651.130.2875.9/5.6/ZK309底板2.742.720.730.710.1276.148.382.813.130.411.10.58ZK309底板2.662.640.750.620.1859.346.760.310.231.09.00.77ZK704底板2.732.701.100.760.1366.245.067.712.433.012.30.66ZK704底板2.992.961.000.770.24133.457.8134.39

11、.3032.28.50.43- PAGE 7 -1.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)掛幫礦回采采礦方法為分段空?qǐng)龇?，垂直礦體走向布置，礦房寬度12 m，礦柱寬度8 m，中段高度60 m，鑿巖分段高度24/18 m，礦塊長(zhǎng)度40 m，頂柱高度6 m。厚度大于40 m的礦體，按照上下盤劃分盤區(qū)，盤區(qū)間柱8 m，由上盤向下盤后退式開采。為了保護(hù)露天邊坡，在露天邊坡和掛幫礦布置的礦塊之間留設(shè)了厚度為12 m的邊坡保安礦柱。2 三維數(shù)值模擬與分析數(shù)值模擬是采礦方法研究的重要手段。FLAC3D軟件是成熟完善的一種數(shù)值分析軟件，它用顯式拉格朗日差分法來進(jìn)行數(shù)值模擬，能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或

12、塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)，特別適用于模擬大范圍變形。為準(zhǔn)確反映備戰(zhàn)鐵礦的掛幫礦開采狀態(tài)，建立備戰(zhàn)鐵礦的礦體模型和地表模型，并根據(jù)采礦方法和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。為減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在礦體的上下盤和縱深方向分別取足夠大的長(zhǎng)度4。首先，根據(jù)礦巖自重和重力加速度形成初始的應(yīng)力場(chǎng)，分析初始情況下巖體的穩(wěn)定性；其次，為準(zhǔn)確模擬地表變形，在初始條件的基礎(chǔ)上，位移清零，對(duì)礦體進(jìn)行開挖，通過計(jì)算使模型達(dá)到應(yīng)力平衡5。2.1材料類型及參數(shù)（1）材料類型礦體、圍巖材料采用了巖土力學(xué)通用的莫爾-庫(kù)侖模型，采空區(qū)采用空模型。強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并選取大變形計(jì)算模式。摩

13、爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則：fs = (1 - 3 ) - 2ccos - (1+3 ) sin式中：1、3分別是最大和最小主應(yīng)力；c、分別為巖體的粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs 0時(shí)，巖體將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)材料達(dá)到屈服極限后，在穩(wěn)定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形；在拉應(yīng)力狀態(tài)下，若拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度，巖體將發(fā)生拉伸破壞5。（2）材料參數(shù)模擬材料礦巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表2。表2 模擬材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters for simulating materials項(xiàng)目剪切模量G(GPa)體積模量Kv(GPa)抗拉強(qiáng)度(MPa)內(nèi)聚力（MPa）內(nèi)摩擦角（）礦體11.2015.8

14、06.083.5035.10圍巖13.6018.708.705.0031.602.2物理模型與約束邊界經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，中段開采對(duì)地表的影響由上及下越來越大，即3392 m中段完全開采后上部露天邊坡的變形是最大的。為確保上部露天邊坡的安全，以開采產(chǎn)生的最大位移為出發(fā)點(diǎn)分析上部露天邊坡的穩(wěn)定性，按3392 m中段以上礦體均已被開采完畢考慮。力學(xué)分析的模型根據(jù)礦體的賦存特點(diǎn)及空間位置建立，礦體之間的薄夾石及其薄礦體不單獨(dú)建模。數(shù)值計(jì)算假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)無構(gòu)造應(yīng)力的影響，認(rèn)為研究區(qū)域全部處于均勻分布的應(yīng)力場(chǎng)中，不考慮水的影響。約束邊界包括：（1）模型前后和左右邊界施加水平約束，邊界水平初始

15、位移為零；（2）模型底部邊界水平、垂直初始位移均為零；（3）模型頂部為自由邊界。做了必要的簡(jiǎn)化后，給對(duì)應(yīng)的不同巖體賦予正確的礦巖物理力學(xué)參數(shù)。模型單元組劃分有圍巖、礦體1、礦體2單元組，共3組，建立三維計(jì)算模型，如圖1-4所示。模型場(chǎng)沿礦體走向取610 m，垂直礦體走向取570 m，模型高度取300 m。模型上表面依據(jù)露天終了境界邊坡建立，模型共有156321個(gè)節(jié)點(diǎn)，有115123個(gè)網(wǎng)格。模型網(wǎng)格采用不等分方式劃分模型單元。采動(dòng)范圍內(nèi)的單元采用細(xì)劃分，母單元尺寸為10m10m10m，子單元尺寸為5m5m5m；采動(dòng)范圍向外的其它單元做放大處理。 圖1 三維計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖 圖2 掛幫礦礦體賦存

16、狀態(tài)圖Fig. 1 Mesh division of 3D computing model Fig. 2 Occurrence state of hanging orebody 圖3 3452 m中段開采結(jié)束空區(qū)形態(tài)圖 圖4 3392 m中段開采結(jié)束空區(qū)形態(tài)圖Fig.3 Shape of goaf at the end of mining at 3452 m level Fig.4 Shape of goaf at the end of mining at 3392 m level 2.3 模擬結(jié)果分析FLAC3D計(jì)算結(jié)果信息量非常大，模擬主要對(duì)掛幫礦開采區(qū)域?qū)β短爝吰碌挠绊戇M(jìn)行分析，即345

17、2 m中段和3392 m中段開采時(shí)對(duì)上部露天邊坡變形大小、范圍、水平位移、垂直位移大小的影響及規(guī)律。各計(jì)算均運(yùn)行至應(yīng)力平衡狀態(tài)進(jìn)行結(jié)果保存，應(yīng)力平衡狀態(tài)如圖5所示。由圖5可知Z方向各區(qū)段上的應(yīng)力均處于均勻分布的狀態(tài)，模擬亦處于平衡狀態(tài)。3392m中段開采對(duì)露天邊坡影響的模擬結(jié)果如圖68所示。 圖5 過渡期結(jié)束后Z方向應(yīng)力云圖 圖6 3392 m開采結(jié)束露天邊坡X方向位移分布圖Fig.5 Stress nephogram of Z direction after the end of transition period Fig.6 Displacement distribution of X d

18、irection of open-pit slope at the end of 3392 m level 圖7 3392 m開采結(jié)束露天邊坡Y方向位移分布圖 圖8 3392 m開采結(jié)束露天邊坡Z方向位移分布圖Fig.7 Displacement distribution of Y direction of open-pit slope at the end of 3392 m level Fig.8 Displacement distribution of Z direction of open-pit slope at the end of 3392 m level備戰(zhàn)鐵礦掛幫礦開采對(duì)露天

19、邊坡的影響主要位于露天邊坡的中上部，開采3452m中段時(shí)由于采空區(qū)較小，對(duì)邊坡的影響較小，該階段造成露天邊坡X、Y、Z方向最大位移為4.0mm、2.5mm、7.5mm；其中Z方向位移下沉量自中間向四周逐漸變小，直到下沉量變?yōu)榱恪ｉ_采3392m中段時(shí)采空區(qū)體積較開采3452m中段增大，故其對(duì)邊坡的影響比上一階段更大，該階段造成露天邊坡X、Y、Z方向最大位移為5.0mm、4.0mm、15.0mm；其中Z方向位移下沉量自中間向四周逐漸變小，直到下沉量變?yōu)榱恪? 結(jié)語(yǔ)備戰(zhàn)鐵礦在露天轉(zhuǎn)井下開采過程中，為提高掛幫礦資源的回采率，采取露天礦與掛幫礦同時(shí)開采的方案。為確保露天邊坡在掛幫礦開采時(shí)的安全穩(wěn)定，采用

20、FLAC3D三維模擬軟件分析了過渡時(shí)期露天礦與掛幫礦同時(shí)開采的過程。（1）備戰(zhàn)鐵礦掛幫礦開采對(duì)露天邊坡的影響主要位于露天邊坡的中上部，開采3452m中段時(shí)由于采空區(qū)較小，對(duì)邊坡的影響較小，該階段造成露天邊坡X、Y、Z方向最大位移為4.0mm、2.5mm、7.5mm；其中Z方向位移下沉量自中間向四周逐漸變小，直到下沉量變?yōu)榱?。?）開采3392m中段時(shí)采空區(qū)體積較開采3452m中段增大，故其對(duì)邊坡的影響比上一階段更大，該階段造成露天邊坡X、Y、Z方向最大位移為5.0mm、4.0mm、15.0mm；其中Z方向位移下沉量自中間向四周逐漸變小，直到下沉量變?yōu)榱?。?）本次分析是露天邊坡在地下采空的影響

21、下產(chǎn)生的位移變形，通過模擬分析備戰(zhàn)鐵礦掛幫礦開采對(duì)露天邊坡的穩(wěn)定性有一定程度和范圍的影響，但未造成嚴(yán)重的大面積拉伸破壞，故認(rèn)為在進(jìn)行掛幫礦開采時(shí)露天邊坡基本穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)何佳峰,陳星明,雷 剛,等.某鐵礦無底柱分段崩落法礦石覆蓋層形成模擬研究J.有色金屬(礦山部分),2016,68(3):5-8.1 He Jiafeng, Chen Xingming, Lei Gang, et al. Simulation study on ore overburden process by sublevel caving methodJ. Nonferrous Metals (Mine Section),2016,68(3):5-8. 姜仁義. 露天轉(zhuǎn)地下規(guī)模化開采采礦方法的研究J. 現(xiàn)代礦業(yè), 2016(5): 41-42.JIANG Renyi. Study on mining method of large-scale mining from open-pit to underground J. Modern Mining, 2