露天转地下开采中顶柱稳定性分析

【前言】露天转地下开采中顶柱稳定性分析由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。其中在设计范围内对矿体破坏较大的有F8，F18，F9，Fa，F5，Fc断层，使岩体破碎，降低岩体力学强度。如在20线附近F8断层带内充有煌斑岩脉，在19线附近有一条闪长岩脉横穿M2矿体。本文分析的范围为1628线（重点是20线），长约1400m，主要为M2矿体，次为M1矿体。M1矿体分...

【摘 要】对影响安全生产的问题―突冒危险性，结合唐山石人沟铁矿的具体地质条件、采矿体条件、岩体的结构特征及力学性质测试，本文采用数值模拟的方法，分析了九种境界顶柱留设方案，直观的展现出不同方案下各个层面的受力分布情况，从中选择合理的分析方案，指导矿山开采。从而为矿石的安全回采提供保证。

【关键词】露天转地下；顶柱；稳定性；数值分析；突冒

随着采掘深度不断增加，露天开采方案越来越不适合矿山生产要求。近些年来，一些矿山开始着手露天转地下开采，如：板石沟铁矿，铜官山铁矿等。由露天转入地下开采的过渡期间，为了矿石产量持续，回采安全，多采用分段空场法（留矿柱）留境界顶柱的方案。而要解决的主要问题是境界矿柱留设尺寸，究竟留多少可以保证开采围岩稳定、生产安全又有更高的产量？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冲击，当境界矿柱塌落时，对采空区内空气压缩，会形成破坏性很大的气浪，对井下设施及人员有很大危害，甚至可使矿井报废。境界矿柱如果留的过厚又会造成矿产资源的浪费，矿柱回采率低，贫化率大。在传统的工程设计中，一般采用工程类比法确定，此方法造成尺寸过大或者不足情况比较普遍。随着计算机技术的发展，数值模拟的方法被认为是目前最先进的技术。因此，本文采用数值模拟的方法，分析了九种境界顶柱留设方案，直观的展现出不同方案下各个层面的受力分布情况，从中选择合理的分析方案，指导矿山开采。从而为矿石的安全回采提供保证。

1 工程概况

唐钢矿业公司石人沟铁矿是唐钢的主要供矿单位，其露天开采已经进入末期。以16线为界，将采区划分为南、北两个采区。目前，南区露天开采已经结束，并作为内部排土场。井下开采拟采用分段空场法留顶柱的方案。采用前进式采矿，后退式回采。矿区为一单斜构造，断裂构造发育，对矿体影响较大。

其中在设计范围内对矿体破坏较大的有F8，F18，F9，Fa，F5，Fc断层，使岩体破碎，降低岩体力学强度。如在20线附近F8断层带内充有煌斑岩脉，在19线附近有一条闪长岩脉横穿M2矿体。本文分析的范围为1628线（重点是20线），长约1400m，主要为M2矿体，次为M1矿体。M1矿体分布在1026线间，全长2200m。矿体内夹层为黑云角闪斜长片麻岩，围岩材料基本上是角闪斜长片麻岩。

2 顶柱留设方案

根据顶柱的位置不同，矿柱尺寸的不同，矿房大小不同，共分成9个方案，本文只研究其中最为危险的断面20剖线。根据软件的特点矿房一步完成，其结果应该比分步开挖应力稍大一些。各方案模型结点和单元数目不等。最少的是3万左右单元，最多的10万个单元。

3 计算结果及分析

由于篇幅原因不能把各个方案的最大剪应力和最小主应力的主要断面图一一列举出来。下面以方案1为例，简要说明所表达的内容。

方案1：境界顶柱在0m位置，不留矿柱，20线剖面最大剪应力位于采空区的两侧，标高为-120m处，其值为0.63MPa，顶板处的剪力为0.27MPa，最小主应力位于采空区的两侧，标高为-120m处，其值为-1.41MPa，顶板处的拉应力值为-0.65MPa，表明该断面采空区的两侧将产生破坏，顶柱围岩没有破坏。

方案2：境界顶柱在4m位置，不留矿柱，20线剖面最大剪应力和最小主应力位于M1矿体采空区的两侧，标高为-120m处，剪应力值为0.66MPa，拉应力值为-1.47MPa，顶柱围岩的剪应力值为0.38MPa，拉应力值为-0.74MPa，表明该断面采空区的两侧将产生拉破坏，顶柱围岩也将破坏，可见减小4m的顶柱厚度将引起顶柱破坏。

方案3：境界顶柱在-4m位置，不留矿柱，20线剖面最大剪应力和最小主应力位于M1矿体采空区的两侧，标高为-120m处，剪应力值为0.60MPa，拉应力值为-1.40MPa，顶柱围岩的剪应力值为0.24MPa，拉应力值为-0.61MPa，表明该断面采空区的两侧拉应力接近抗拉强度，顶柱围岩不会破坏，可见增加4m的顶柱厚度顶柱是安全的，当考虑长期强度时（强度衰减70%），顶柱围岩破坏。

方案4：境界顶柱在-6m位置，不留矿柱，20线剖面最大剪应力和最小主应力位于M1矿体采空区的两侧，标高为-120m处，剪应力值为0.58MPa， 拉应力值为-1.42MPa， 顶柱围岩的剪应力值为0.20MPa，拉应力值为-0.58MPa，表明该断面采空区的两侧拉应力接近抗拉强度，顶柱围岩不会破坏，可见增加6m的顶柱厚度顶柱是安全的，当考虑长期强度时（强度衰减70%），顶柱围岩破坏。

方案5：境界顶柱在0m位置，留8m矿柱，42m矿房，该模型考虑了间柱的支撑作用，20线剖面最大剪应力和最小主应力位于采空区的两侧，标高为-120m处，其值为0.45MPa，小于不考虑间柱情况下（模型1）的最大剪应力（0.63MPa），拉应力值为-1.11MPa，也小于考虑间柱情况下（模型1）的拉应力（1.41MPa）；顶板处的剪力为0.15MPa，拉应力值为-0.47 MPa，和不考虑间柱情况下（模型1）对比，表明该断面采空区围岩应力集中程度减小，两侧将产生破坏，顶柱围岩没有破坏，当考虑长期强度时（强度衰减70%），顶柱围岩没有破坏。

方案6：境界顶柱在2m位置，留8m矿柱，42m矿房，该方案顶柱减小2m，考虑8m的间柱支撑，20线剖面最大剪应力位于采空区的两侧，标高为-120m处，其值为0.48MPa，顶板处的剪力为0.18MPa，最小主应力位于采空区的两侧，标高为-120m处，其值为-1.24MPa，顶板处的拉应力值为-0.50 MPa，表明该断面采空区顶柱围岩没有破坏，稳定性较好，当考虑长期强度时（强度衰减70%），顶柱围岩破坏。

方案7：境界顶柱在4m位置，留8m矿柱，42m矿房，该模型和方案2相比，顶柱厚度一致，但考虑了间柱的作用；和模型6相比，顶柱厚度减小2m。计算得到20线剖面最大剪应力和最小主应力位于M1矿体采空区的两侧，标高为-120m处，剪应力值为0.50MPa， 拉应力值为-1.35MPa，顶柱围岩的剪应力值为0.22MPa，拉应力值为-0.55MPa，表明该断面采空区的两侧将产生拉破坏，顶柱围岩没有破坏，当考虑长期强度时（强度衰减70%），顶柱围岩破坏。

方案8：境界顶柱在-4m位置，留8m矿柱，42m矿房，该模型顶柱厚度增加4m，顶柱围岩的剪应力0.13MPa，最小主应力0.40MPa，稳定性较好，当考虑长期强度时（强度衰减70%），顶柱围岩不会破坏。

在方案9（顶柱在-6m位置，留8m矿柱，42m矿房）下进一步模拟分析整个矿床和F8断层的最小主应力和最大剪应力情况。可以看出位于断层附近的20线剖面位置是应力比较集中的地方，但是还不至于达到冒落的危险。

4 结论

通过对这九个设计方案的三维数值模拟分析，表明顶柱的位置设置在-6米水平（方案9）基本可以稳定。但是不能确保顶柱长期稳定，期限在1～3年以内；分析结果同时表明，顶柱比间柱的支撑作用更大，顶柱厚度减小2米（方案8），基本上还能保证20断面顶柱围岩稳定，但处于极限稳定状态，也不能确保断面顶柱长期稳定；因此，只有按照设计提出的顶柱-6米水平位置，同时考虑8米间柱的支撑作用，能够确保20断面顶柱围岩长期稳定，从而使所有断面顶柱围岩的长期稳定。

综合来看，方案9为最为合理可行的方案，由于地质条件的复杂性，采区不同位置的稳定性差别较大，这就需要给出一个稳定性分区，不同区段在采矿设计中作相应调整，这样就能够保证露天向地下开采工作的平稳过渡以及整个矿山长期稳定发展。