大冶铁矿同阶段崩落法转充填法开采隔离间柱合理宽度确定_王刘宝.pdf

收稿日期2020-01-18 基金项目国家自然科学基金面上项目 （编号 51974206， 51574183） ， 国家自然科学基金 （联合基金） 重点项目 （编号 U1802243） 。 作者简介王刘宝 （1993） ， 男， 硕士研究生。通讯作者刘艳章 （1969） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 大冶铁矿同阶段崩落法转充填法开采隔离间柱 合理宽度确定 王刘宝 1 刘艳章 1， 2 尹东 1 姜维 3 张国权 3 蔡原田 11 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081； 3. 武钢资源集团大冶铁矿有限公司， 湖北 黄石 435006） 摘要为保障同阶段崩落法转充填法开采顺利过渡， 过渡段处须设置竖向隔离间柱。以大冶铁矿龙洞采 区-170 m同阶段崩落法转充填法梯形隔离间柱为研究对象， 将其简化为变惯性矩固支梁， 并以间柱的水平应变量允 许值为判据， 初步确定梯形隔离间柱上端的初始宽度。以梯形隔离间柱上端的初始宽度为基础， 采用数值模拟方法， 计算了不同梯形隔离间柱上端宽度与不同充填体灰砂比协同作用下的充填采场顶板围岩沉降量， 并对不同灰砂比下 梯形隔离间柱上端宽度与顶板围岩最大沉降量进行了数据拟合， 由顶板围岩允许沉降值得到与不同充填体灰砂比协 同匹配下的梯形隔离间柱上端的合理宽度。数值计算结果表明 与充填体灰砂比分别为1 ∶ 4、 1 ∶ 6、 1 ∶ 8、 1 ∶ 10、 1 ∶ 12协 同匹配的梯形隔离间柱上端合理宽度分别为16、 19、 21、 25、 29 m。研究成果可为合理确定矿山同阶段崩落法转充填法 开采过渡段隔离间柱宽度提供参考。 关键词隔离间柱崩落法转充填法灰砂比顶板围岩沉降 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-089-06 DOI10.19614/ki.jsks.202005013 Determination of Reasonable Width of Isolation Pillar between Caving and Filling in Same Level Mining Areas of Daye Iron Mine Wang Liubao1Liu Yanzhang1， 2Yin Dong1Jiang Wei3Zhang Guoquan3Cai Yuantian12 （1. College of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China； 3. Daye Iron Mine Limited Corporation， WISCO Resources Group， Huangshi 435006， China） AbstractIn order to ensure the smooth transition of mining from caving to filling in the same level，a vertical isolation pillar shall be set at the transition section． Taking the trapezoidal isolation pillar of -170 m in Longdong mining area of Daye Iron Mine as the study object，it is simplified as a fixed beam with variable moment of inertia，and the initial width of the upper end of the trapezoidal isolation pillar is preliminarily determined based on the allowable value of horizontal strain of the pillar． Based on the initial width of the upper end of the trapezoidal isolation pillar， numerical simula- tion is used to calculate the settlement of roof surrounding rock of the filling stope under the synergistic effect of the different width of upper end of the trapezoidal isolation pillar and the different cement-sand ratio of backfill，and data fitting between the upper end width of the trapezoidal isolation pillar and the maximum settlement of the roof surrounding rock un- der the different cement-sand ratio is carried out． From the allowable settlement of roof surrounding rock，a reasonable width of the upper end of the trapezoidal isolation pillar was obtained，which was matched with the cement-sand ratio of the back- fill． The numerical calculation results show that the reasonable width of the upper end of the trapezoid isolation pillar match- ing backfill with the cement-sand ratio of 1 ∶4， 1 ∶6， 1 ∶8， 1 ∶10 and 1 ∶12 is 16 m， 19 m， 21 m， 25 m and 29 m respectively． The above study results can provide a reference for the determination of reasonable width of the transition isolation pillar in the same horizontal caving to filling ． Series No． 527 May 2020 89 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 KeywordsIsolation pillar， Transition from caving to filling ， Cement-sand ratio， Settlement of roof sur- rounding rock 大冶铁矿龙洞采区一直采用崩落法开采， 目前 正在进行-170 m阶段矿体回采， 随着开采工作的推 进， 回采对象逐渐转移至阶段内边界残留矿体。为 保证该部分矿体安全开采， 矿山拟由崩落法向充填 法过渡。当矿山由崩落法向充填法过渡时， 通常需 要结合生产实际， 在两种采矿方法开采的过渡段留 设一定尺寸的隔离间柱， 以保证两种采矿方法的顺 利过渡及两种采矿法在过渡段的开采安全 ［1-3］。过渡 段隔离间柱作为地下矿山生产的重要组成部分， 其 尺寸关系到充填采场的安全及两种采矿方法开采的 顺利过渡。 随着绿色矿山建设的推进， 矿山生产环境约束 条件愈加严格， 许多前期采用崩落法开采的矿山， 开 始逐渐采用充填法开采 ［4-6］。近年来， 崩落法转充填 法隔离间柱尺寸不仅成为矿山企业关心的问题， 也 成为学者们研究的热点 ［7-9］。李玉飞等［10］基于突变理 论建立了矿柱失稳的尖点突变模型， 通过分析矿柱 失稳的条件， 建立了隔离矿柱安全厚度计算模型， 并 求解了某矿山崩落法转充填法开采充填采场顶柱的 安全厚度。刘艳章等 ［11］基于π定理建立了崩落法转 充填法过渡段充填采场厚跨比和顶柱稳定性关系模 型， 以顶柱的许用应变为判据， 计算了程潮铁矿过渡 段充填采场顶柱厚度。裴明松等 ［12］以程潮铁矿垂直 方向崩落法转充填法开采过渡段隔离间柱为研究对 象， 采用数值模拟方法对不同充填采场顶柱厚度下 地表沉降情况及充填采场的安全性进行了分析， 确 定了顶柱合理厚度。上述研究多集中在空间位置呈 上下分布的两种采矿方法过渡段的隔离间柱及其尺 寸等方面， 同阶段不同采矿方法之间竖向隔离间柱 及其尺寸的研究涉及较少。 本研究以大冶铁矿龙洞采区-170 m 同阶段崩 落法转充填法开采过渡段竖向隔离间柱为研究对 象， 将梯形隔离间柱简化为固支梁， 以梯形隔离间 柱水平应变量允许值为判据， 求解梯形隔离间柱上 端初始宽度； 保持梯形隔离间柱竖直高度和底角度 数不变， 将梯形隔离间柱上端宽度作为其尺寸表征 参数， 以梯形隔离间柱上端初始宽度为基础， 计算 不同梯形隔离间柱尺寸与不同充填体灰砂比协同 作用下的充填采场顶板围岩沉降量， 由顶板围岩允 许沉降值得到不同灰砂比下梯形隔离间柱上端的 合理宽度。 1工程概况 大冶铁矿龙洞采区以12-1勘探线为界线， 该线 以西矿体采用无底柱分段崩落法开采， 该线以东矿 体作为保安矿柱， 属残留矿体， 暂未开采； 保安矿柱 赋存标高为-230～-110 m， 其中， -170～-110 m水平矿 体储量约31万t。目前， 龙洞采区回采工作主要集中 在保安矿柱西侧的-158 m水平， 按照目前大冶铁矿 的生产能力计算， 龙洞采区-170 m阶段的开采工作 将会很快转向-170 m阶段的保安矿柱。矿山计划采 用上向水平分层胶结充填法回采龙洞保安矿柱， 阶 段高度为60 m， 设计分层高度为10 m； 该阶段矿体平 均厚度为22 m， 矿体上盘为大理岩， 下盘为闪长岩。 龙洞采区典型地质剖面如图1所示。 龙洞采区水平方向崩落法转充填法过渡段留设 的隔离间柱尺寸与充填采场工艺参数关系紧密。在 大冶铁矿龙洞采区开拓系统、 现有生产装备等开采 技术条件一定的情况下， 隔离间柱尺寸与充填采场 工艺参数的协同匹配关系研究演变为隔离间柱尺寸 与充填采场充填体灰砂比协同匹配关系的研究。由 图1可知 龙洞采区留设的隔离间柱， 一方面要承载 保安矿柱西侧崩落法开采所产生的崩落覆岩； 另一 面还要与充填体协同承载保安矿柱采空后的围岩应 力， 其形状及尺寸对保障充填采场顶板围岩安全稳 定具有重要影响。根据生产工艺的不同， 隔离间柱 的形状及尺寸往往会发生改变 ［13-15］， 考虑到龙洞采区 保安矿柱及其西侧矿体所采用的采矿方法， 若采用 矩形结构隔离间柱， 极有可能由于保安矿柱西侧崩 落法开采作业而破坏隔离间柱的稳定性， 降低矩形 隔离间柱与充填体对围岩的协同承载能力， 不利于 保安矿柱充填采场的安全稳定。为保证同阶段开采 崩落法向充填法的顺利过渡， 须在隔离间柱靠近崩 落覆岩一侧， 按照岩石移动角设置保护斜坡 ［16］。根 据大冶铁矿龙洞采区矿岩条件， 选定底角α为65， 此 时隔离间柱形状近似呈上窄下宽的直角梯形。 90 ChaoXing 2020年第5期王刘宝等 大冶铁矿同阶段崩落法转充填法开采隔离间柱合理宽度确定 2梯形隔离间柱上端初始宽度计算 2. 1力学模型构建 龙洞采区同阶段崩落法转充填法开采过渡段留 设的梯形隔离间柱竖直高度为矿山阶段高度60 m， 由于梯形隔离间柱高度相对于整个崩落围岩高度较 小， 可认为崩落围岩均匀作用于梯形隔离间柱斜面， 其力学模型如图2所示。图中，q为崩落围岩应力， Pa；b0为梯形隔离间柱上端初始宽度， m；l1为梯形隔 离间柱护坡长度， m； l为梯形隔离间柱竖直高度， m；α 为底角，（） 。 2. 2初始宽度计算 由文献 ［16］ 分析可知， 保安矿柱一侧崩落围岩 是梯形隔离间柱产生变形失稳破坏的重要受力来 源， 为防止梯形隔离间柱变形过大发生失稳破坏而 影响临近充填采场的安全和稳定， 需对梯形隔离间 柱进行受力分析， 计算梯形隔离间柱的安全尺寸。 根据图2可知， 保安矿柱西侧崩落围岩均匀作用 于间柱侧面， 崩落围岩应力表达式为 q λρgh，（1） 式中，λ为侧压系数；ρ为崩落岩体密度， kg/m3；g为重 力加速度， m/s2；h为覆岩高度， m。 以梯形隔离间柱直角边下端点为坐标原点， 间 柱垂直直角边为X轴建立坐标系， 如图2所示， 根据 几何关系， 间柱任一截面宽度为 b x b0 l1cosα - x tanα， （2） 式中，b x为距离原点为 x的梯形隔离间柱截面宽 度， m。 将梯形隔离间柱厚度取单位长度1， 可求得间柱 抗弯截面系数， 公式为 W x 1 6 b2 x，（3） 式中，W x为距离原点为x的梯形隔离间柱截面抗 弯截面系数， m2。 由于崩落法开采区域上盘围岩为大理岩， 岩性 较好， 岩石移动角很大， 护坡斜面近似为竖直平面， 隔离间柱各截面宽度近似相等， 故在隔离间柱应变 分布解析式运算过程中， 可将梯形隔离间柱简化为 长度为l的变惯性矩梁， 求解变惯性矩梁截面弯矩， 则变惯性矩梁任意截面的弯矩为 M x - 1 2 qx2 1 2 qlx - 1 12 ql2，（4） 式中，M x为距离原点为x的梯形隔离间柱截面弯 矩， N m。 崩落的围岩均匀作用在梁上， 会引起梁发生弯 曲变形， 梁任意截面的弯曲变形可表示为 εc M x EW x， （5） 式中，εc为梁截面弯曲变形； E为梯形隔离间柱弹性 模量， Pa。 将式 （1） 至式 （4） 代入式 （5） ， 可求得隔离间柱任 意截面的弯曲应变为 εc - 1 E 3λρghx2- 3λρglx 1 2 λρghl2 b0 l1cosα - x tanα 2 .（6） 通过分析可知， 间柱顶部位置宽度较窄， 且隔离 间柱上端与围岩固定约束距离较短， 间柱上部截面 为最危险截面。故本研究侧压系数λ取0.3 ［17］， 崩落 岩体密度ρ取1.86 g/cm3， 重力加速度g取10 m/s2， 崩 落散体高度h取273 m， E15.6109Pa， x60 m， l60 m， sinα0.906， cosα0.423，tanα2.145，l1l/sinα， 将 上述参数代入式 （6） ， 可得 εc - 1 15 600 2 736 b2 0 .（7） 因此， 只需隔离间柱上部危险截面弯矩小于隔 离间柱允许拉应变即可， 即[]εc＜[]ε0。参考文献 ［18］ 并根据隔离间柱岩性， 确定本研究隔离间柱最 大允许拉应变ε00.001 3， 则间柱上端初始宽度b0＞ 11．62m， 从工程应用角度出发， 最终确定梯形隔离间 柱上端初始宽度为12 m。 3梯形隔离间柱上端合理宽度确定 前文采用理论研究方法， 计算了在保证梯形隔 离间柱变形安全情况下的上端初始宽度， 未考虑充 填采场顶板围岩对其尺寸的要求。如需保证充填采 场安全， 还需考虑充填采场工艺参数与隔离间柱尺 寸的匹配关系， 确定隔离间柱合理尺寸。在大冶铁 91 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 矿隔离间柱底角 （α） 、 竖直高度 （h） 及其他工艺参数 一定的情况下， 隔离间柱上端宽度仅与充填体灰砂 比相关。由于隔离间柱与充填体灰砂比协同匹配计 算较为复杂， 故本研究采用数值模拟方法， 对不同梯 形隔离间柱尺寸与充填体灰砂比的协同匹配关系进 行研究。 3. 1研究方案设计 目前大冶铁矿所采用的充填采矿方法主要为胶 结充填采矿法， 根据大冶铁矿胶结充填体灰砂比及 前文得到的梯形隔离间柱上端初始宽度， 保持梯形 隔离间柱竖直高度和底角度数不变， 设计了1 ∶4、 1 ∶ 6、 1 ∶ 8、 1 ∶ 10、 1 ∶ 12 5种灰砂比与12、 16、 20、 24、 28、 32 m 6种梯形隔离间柱上端宽度协同作用的研究方案， 如表1所示。对不同方案下充填体灰砂比与隔离间 柱上端宽度协同作用的充填采场顶板围岩的沉降量 进行数值计算， 探寻不同充填体灰砂比下梯形隔离 间柱上端的合理宽度。 3. 2数值模型建立 根据大冶铁矿地质及生产资料， 本研究数值计 算采用的矿岩及充填体物理力学性质参数取值如表 2所示。 目前， 矿山计划采用上向水平分层胶结充填采 矿法回采保安矿柱， 为能够模拟不同灰砂比充填开 采时充填采场顶板围岩的最大沉降量， 根据矿山回 采工艺， 计算最上一层空区未充填时顶板围岩沉降。 以龙洞采区典型地质剖面图为有限元计算模型， 划 分网格， 施加边界约束和重力场， 数值计算模型尺寸 为1 300 m564 m （长宽） ； 模型上部边界为自由边 界， 下部边界条件为全约束， 左右边界为水平约束。 最上一层空区未充填时的数值计算模型如图3所示。 3. 3数值计算结果及分析 数值模拟过程中， 提取不同方案下充填采场顶 板围岩的沉降量， 并选取每一方案下充填采场顶板 围岩的最大沉降量进行对比， 不同方案下充填采场 顶板围岩的最大沉降量如表3所示。 金属矿山地下开采过程中采场顶板围岩允许沉 降值的确定较为复杂， 常与围岩物理力学性质、 采矿 方法、 支护方案等密切相关 ［19-20］。参考文献 ［21］ ， 以 大冶铁矿围岩特性及开采工艺为依据， 并结合矿山 生产经验， 确定大冶铁矿龙洞采区充填开采顶板围 岩允许沉降值为70 mm。 根据表3绘制的顶板围岩最大沉降量折线图如 图4所示， 对图4中顶板围岩最大沉降量进行了数据 拟合， 结果如表4所示。 由图4可知 同一梯形隔离间柱上端宽度下， 随 着充填体灰砂比增大， 采场顶板围岩最大沉降量呈 逐渐递减趋势， 灰砂比为1 ∶ 4时， 采场顶板围岩最大 沉降量最小， 为40.34 mm； 同一灰砂比下， 随着梯形 隔离间柱上端宽度增大， 充填采场顶板围岩的最大 沉降量逐渐减小。研究结果呈现上述变化特征的原 因可能为 随着充填体灰砂比增大， 胶结充填体的强 92 ChaoXing 2020年第5期王刘宝等 大冶铁矿同阶段崩落法转充填法开采隔离间柱合理宽度确定 度随之逐渐增大， 充填体与隔离间柱协同承载围岩 变形的能力逐渐增强， 采场顶板围岩的沉降量逐渐 减小； 随着梯形隔离间柱上端宽度增大， 梯形隔离间 柱占有的矿石量逐渐增加， 充填体充填空区的占有 量逐渐减小， 梯形隔离间柱与充填体协同承载顶板 围岩变形作用的能力逐渐增强， 顶板围岩沉降量逐 渐减小。 以灰砂比为1 ∶4时不同梯形隔离间柱上端宽度 下充填采场顶板围岩的沉降量为例， 由梯形隔离间 柱上端宽度与顶板围岩最大沉降量的变化趋势可 知， 梯形隔离间柱上端宽度为12 m时， 顶板围岩最大 沉降量为78.24 mm， 超过顶板围岩允许沉降值， 围岩 变形较大， 表明此宽度下的梯形隔离间柱与充填体 协同匹配关系不能满足围岩变形要求； 当梯形隔离 间柱上端宽度增大至16 m时， 顶板围岩最大沉降值 为67.79 mm， 小于顶板围岩允许沉降值70 mm， 围岩 变形较小， 此宽度下梯形隔离间柱与充填体协同匹 配关系可以满足围岩变形要求； 当梯形隔离间柱上 端宽度继续增大时， 顶板围岩最大沉降量将继续减 小， 且该值小于顶板围岩允许沉降值； 然而， 当梯形隔 离间柱上端宽度超过16 m时， 会由于间柱占用过多矿 石量， 造成矿石资源浪费， 降低了矿石资源利用率。 为得到灰砂比1 ∶4充填开采保安矿柱时梯形隔 离间柱上端的安全经济宽度， 将顶板围岩允许沉降 值代入拟合方程， 得到梯形隔离间柱上端合理宽度b 为15.11 m， 从工程实际应用角度出发， b取16 m。经 过类比分析采用灰砂比分别为1 ∶ 6、 1 ∶ 8、 1 ∶ 10和1 ∶ 12 充填开采保安矿柱时， 将顶板围岩允许沉降值代入 拟合方程， 并考虑工程实际， 得到梯形隔离间柱上端 合理宽度b分别19、 21、 25、 29 m。 4结论 以大冶铁矿龙洞采区同阶段崩落法转充填法开 采过渡段梯形隔离间柱为研究对象， 选取典型地质 剖面图， 将梯形隔离间柱简化为变惯性矩固支梁， 以 梯形隔离间柱水平应变量允许值为判据， 计算了梯 形隔离间柱上端初始宽度； 保持梯形隔离间柱竖直 高度和底角度数不变， 将梯形隔离间柱上端宽度作 为其尺寸表征参数， 以梯形隔离间柱上端宽度为基 础， 对不同梯形隔离间柱上端宽度与不同充填体灰 砂比协同作用下充填采场顶板围岩的沉降量进行了 计算， 并对不同灰砂比下梯形隔离间柱上端宽度与 顶板围岩最大沉降量进行了数据拟合； 通过将顶板 围岩允许沉降值代入拟合方程， 对不同灰砂比下梯 形隔离间柱上端的合理宽度进行了计算。研究取得 如下结论 （1） 大冶铁矿龙洞采区-170 m阶段同水平崩落 法转充填法开采过渡段隔离间柱近似为上窄下宽的 梯形， 梯形隔离间柱竖直高度为60 m， 底角为65， 将 梯形隔离间柱简化为变惯性矩固支梁， 求解的梯形 隔离间柱上端初始宽度为12 m。 （2） 采用灰砂比分别为1 ∶ 4、 1 ∶ 6、 1 ∶ 8、 1 ∶ 10和1 ∶ 12充填开采保安矿柱时， 与之协同匹配的梯形隔离 间柱上端安全经济宽度 （即隔离间柱合理宽度） 分别 为16、 19、 21、 25、 29 m。 参 考 文 献 李腾， 付建新， 宋卫东．厚大铁矿体崩落法开采围岩移动规律 研究 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2018， 35 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