断层影响下境界矿柱稳定性数值分析.pdf

Series No. 345 March 2005 金 属 矿 山 METAL MINE 总第345期 2005年第3期 南世卿1958 - ,男,东北大学岩石破裂与失稳研究中心,在职博士 生,唐钢石人沟铁矿副矿长,教授级高级工程师,联系地址064200 河北省遵化县唐钢石人沟铁矿。 断层影响下境界矿柱稳定性数值分析 南世卿1 ,2 赵兴东1 1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心;2.唐钢矿业有限公司石人沟铁矿 摘 要 露天转地下开采的矿山,其露天坑底境界矿柱厚度的确定,对于金属矿山地下开采安全生产极其重 要。针对石人沟铁矿露天转地下设计资料和地质资料,运用RFPA进行建模,研究了地下开采对露天境界顶柱受 力和变形情况,分析了境界顶柱的稳定性,为矿山设计提出的境界顶柱厚度进行了验证和补充,同时也为矿山设计 施工提供依据和指导。 关键词 境界矿柱 露天转地下 稳定性 Instability Numerical Analysis of Boundary Pillar Affected by Fault Nan Shiqing1 ,2 Zhao Xingdong1 1. Center f or Rock Instability and Seismicity Research , Northeastern University ; 2. Shirengou Iron Mine , Mining Co. , Ltd ofTang Steel Abstract The determination of the thickness of boundary pillar under open2pit bottom is extremely important for the safe production of underground mining of metallic mines that have shifted from open2pit to underground. Based on the design and geological data of shirengou Iron Mine’s shifting from open2casting to underground mining , model was established using RFPA to study the stress and deation of open2pit boundary pillars during under2 ground excavation and analyse their stability , verifying and complementing the designed pillar thickness and provi2 ding the basis and guidance for mine design and construction. Keywords Boundary pillar , Transition from open pit to underground , Stability 露天转地下开采方案很多,境界矿柱留设与否, 主要根据露天开采现状与地表情况,地下采矿方法、 回采技术等要求来确定[1]。留设境界矿柱可以在露 天底板不受破坏的情况下进行地下开采,在一定时 期内保证露天和地下开采同时进行,稳定矿山生产。 但境界矿柱留设也会影响地下开采的安全,如果境 界矿柱留的过薄,易造成境界矿柱突然间崩落,会对 地下采空区产生强动力空气冲击,对井下设施及人 员有很大危害,甚至可使矿井报废。境界矿柱如留 的过厚又会造成矿产资源的浪费,矿柱回采率低目 前在国内只有40 左右,甚至更少 , 贫化率大。因 此,境界矿柱厚度的确定是一项非常重要而又复杂 的科研课题[1～ 2] 。 1 工程概况 唐钢矿业公司石人沟铁矿是1975年7月建成 投产的露天铁矿山,是唐钢的主要原料供应单位。 其露天开采境界南北长2. 8 km ,由南向北分为3个 采区,28～18线为南区,18～8线为中区,8线以北 为北区。经过近30年的开采,其露天部分即将结 束。矿区在20线和25线附近分别有F8、 和F18两 个大的断层出露。南区和中区露天开采已经结束, 作为矿山内部排土场,露天坑底的标高范围为0～ 25 m ,排土场最高标高为 140 m。北区露天部 分作为大型机械开采已经结束,目前进行残矿回收。 石人沟铁矿从2000年开始着手进行露天转地 下开采设计及施工工作。地下工程建设分两期进 行,并将地下部分以16线为界划分为南北两个区, 一期工程南区从2001年7月开始,地下开采设计 60万t/ a ,二期工程北区从2003年11月开始,地 下开采设计70万t ,设计地下开采规模合计130万 t。一期工程为中央竖井开拓,共建设3个井,主、 付 井两 个 井 口 相 距77. 7 m ,井 口 标高 分 别 为 94. 9 m和 99 m ,井深分别为274. 9 m和291 m 82 在16～18线之间,风井在28线以南、30线附近。 在0 m水平开凿通风巷, - 6 m为矿柱的下边界,0 m为矿柱的上边界,境界矿柱从0 m向上至露天坑 底。首采区在南区16～30线- 60 m中段,矿体走 向长1 400 m ,平均厚度9. 7 m。矿块布置从16线 向南沿矿体走向布置,每50 m作为一个矿房,矿块 尺寸为50 m60 m。采用浅孔留矿法进行采矿。 为了保证在露天转地下开采过程中,防止境界 矿柱发生突冒,运用RFPA进行建模,研究了地下 开采对露天境界矿柱受力和变形情况,分析了境界 矿柱的稳定性,针对断层影响比较严重的20线和 25线的剖面境界矿柱的稳定性进行了数值计算分 析。 2 RFPA简介 RFPA是东北大学岩石破裂与失稳研究中心自 主开发和研制的基于模拟岩石渐进破坏的数值模拟 程序。为了反映岩石材料性质的细观非均匀性,程 序中把岩石材料看作是由大小相同的四边形单元组 成,假定其材料性质满足Weibull分布。同时,这些 组成材料的单元也作为有限元分析的单元,当其应 力状态满足最大拉应力准则和摩尔库仑准则时单元 开始损伤,满足弹性损伤的本构关系。在考虑材料 力学性质非均匀性的前提下,用细观上简单的本构 模型研究材料在宏观层次上复杂的破坏过程。 3 计算模型及方案 以整个矿山中最危险的20和25断面为基本模 型进行模拟。模型包括回填物、 围岩、 矿体、 断层。 模型宽350 m ,高220 m ,境界矿柱底预留在标 高为- 6 m的位置,按每步18 m高度开挖,只考虑 上覆岩体自重应力场。着重研究开挖过程中硐室围 岩和顶柱的受力、 变形及破坏情况。模型示意如图 1和图2所示。 图1 20断面岩体弹性模量分布 4 矿岩物理力学性质试验与确定 东北大学岩石力学试验室在石人沟铁矿现场进 行了取样,经过试验与分析计算,确定石人沟铁矿的 矿岩物理力学性质参数如表1。 图2 25断面岩体弹性模量分布 表1 石人沟铁矿矿岩物理力学性质参数 岩石名称 块体 密度 / gcm- 3 抗压 强度 / MPa 抗剪参数变形参数 内聚力 C / MPa 内摩 擦角 φ / 弹性 模量 / 104MPa 泊松比 M1矿体3. 0010. 002. 2038. 004. 800. 21 M2矿体3. 0013. 002. 4038. 004. 800. 21 角闪斜长片麻岩2. 719. 001. 536. 004. 310. 22 回填土2. 000. 20. 0132. 000. 100. 32 断层2. 000. 80. 2231. 000. 200. 30 5 计算结果及分析 通过对最危险的20断面和25断面建立模型并 进行计算,得到了这2个断面的剪应力图、 声发射 图,弹模变化图以及破坏情况图。其中剪应力图中 亮度越高,应力越集中。通过对这些图的分析,选取 合理的回采方案。 20断面见图3a～3b所示 , 表明顶柱较为稳 定,没有在顶柱局部和矿岩的不整合面发生屈服破 坏,破坏区没有和露天坑底的破坏区相互贯通,稳定 性较好,顶板不会发生突冒灾害。M2矿体上盘围 岩以及孔区的间柱破坏区面积较大,必须加强支护。 图3 20断面剪应力场和破坏区分布 a -第3步开挖;b -断面岩体破坏声发射分布 25断面见图4a～4c所示 , 由于空区截穿断 92 南世卿等断层影响下境界矿柱稳定性数值分析 2005年第3期 层带,所以引起断层破坏,并引发顶柱破坏,形成顶 柱冒落。考虑矿岩长期强度后的计算所得的塑性 区、 垂直位移和应力向量场分布图。由于断层的存 在,采空区与断层相邻,开采引起断层的破坏,造成 沿断层带的冒落,进而引发顶板冒落。 图4 25断面剪应力场和破坏区分布 a -第4步开挖;b -断面岩体破坏声发射分布; c -断面岩体弹性模量分布 6 结 论 计算结果表明①20断面顶柱稳定性较好,破 坏区没有和露天坑底的破坏区相互贯通,顶板不会 发生突冒灾害。M2矿体上盘围岩以及孔区的间柱 破坏区面积较大,必须加强支护。②25断面由于空 区截穿断层带,所以引起断层破坏,并引发顶柱破 坏,形成顶柱冒落。 考虑矿岩长期强度后计算所得的塑性区、 垂直 位移和应力向量场分布图。顶柱比间柱的支撑作用 更大,间柱变薄和即使不考虑间柱的作用,能够确保 顶柱围岩稳定,但是不能确保顶柱的长期稳定;顶柱 厚度减小2 m ,基本上还能保证所有断面顶柱围岩 稳定,但顶柱处于极限稳定状态;只有按照设计提出 的境界顶柱0 m水平位置,同时考虑8 m间柱的支 撑作用,能够确保20断面和25断面顶柱围岩的长 期稳定,目前此方案正应用于石人沟铁矿开采设计。 参考文献 1 徐长佑.露天转地下开采1 武汉武汉工业大学出版社,1989 2 李鼎权.论露天转地下开采的若干特点.金属矿山,1994 2 9 ～12 3 唐春安1 岩石破裂过程声发射规律的数值模拟初探1 岩石力学 与工程学报,1997 , 164 368～374 4 王泳嘉,邢纪波1 离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中 的应用1 岩土力学,19956 1～14 5 杨天鸿,唐春安,郑雨天,等. FLAC程序在抚顺西露天矿边坡变 形治理工程中的应用.地质灾害与环境保护,1999 ,103 6～ 11 6 蔡美峰,何满朝,刘东燕1 岩石力学与工程1 北京科学出版社, 2002 7 钱鸣高,刘听成主编1 矿山压力及其控制1 北京煤炭工业出版 社,1992 收稿日期 20042122 15 上接第27页 F剖面边坡垂直高度为336 m ,台阶倾角35, 总体边坡角30,组成未来终了边坡的岩层主要为 P41、P1 - 31、O1d。根据临界滑动场计算结果,F剖面在 坡顶顺着软弱面滑动,在坡底主要剪切岩体发生破 坏,并把和经典极限平衡法计算结果进行比较如下 表 2 。 表2 边坡最小安全系数计算结果 计算方法 临界滑动场经典极限平衡 Janbu法Sarma法余推力法Sarma法 Kc 0. 0251. 2401. 2841. 251. 27 Kc 0. 041. 1831. 2251. 201. 21 3 结 论 临界滑动场能很好地解决极限平衡分析方法中 不事先假定滑动面形状而自动寻找最危险滑动面的 难题,本文把简化简布法与萨尔玛法应用于临界滑 动场法,处理了岩体中的软弱结构面,很好地搜索出 危险滑动面并计算出安全系数,其计算结果与经典 极限平衡法计算结果非常接近。 参考文献 1 朱大勇,姜弘道1 边坡临界滑动场方法与应用Ⅱ - 数值模拟1 水利水电科技进展,19996 66～72 2 朱大勇,姜弘道1 边坡临界滑动场方法与应用Ⅱ - 数值模拟1 水利水电科技进展,20008 65～68 3 钱家欢,殷宗泽1 土工原理及计算第二版1 北京中国水利水 电出版社,1996 收稿日期 20042122 15 03 总第345期 金 属 矿 山 2005年第3期