姑山铁矿露天转地下开采境界顶柱合理厚度研究
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（１．中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 ２２１１１６； ２．中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州 ２２１１１６）
摘 要： 以姑山铁矿为工程背景，针对采用进路充填采矿法的露天转地下开采矿山，提出将露天转地下开采留设的境界顶柱简化
为“ 梯度荷载作用下的悬臂梁超静定” 平面应变力学模型，采用弹性力学半逆解法求解出境界顶柱各应力分量的解析解，并以抗拉
随着露天矿山开采深度的增加，剥采比也随之增 加，开采难度逐步增大，达到临界深度后，就需要转入 地下开采［１］ 。 由于露天采场已形成较高的陡峭边坡， 在其下部进行大规模采矿时，地下采场与深凹露天采 场形成一体，相互影响，给露天转地下开采带来一系列 安全问题［２－４］ ，如：地下开采形成的采空区围岩失稳， 引发露天边坡连贯失稳滑坡，又进而破坏地下采场围 岩稳定；露天采场坑底汇水涌入地下矿井，造成淹井事 故等。 为避免露天转地下采矿安全事故的发生，一般
ＬＯＮＧ Ｚｈｏｕ⁃ｂｉａｏ１，２， ＨＡＮ Ｌｉ⁃ｊｕｎ１，２， ＭＥＮＧ Ｑｉｎｇ⁃ｂｉｎ１， ＬＩ Ｘｉｎｇ⁃ｑｕａｎ１，２， ＬＩＵ Ｘｉａｏ⁃ｓｈｕａｉ１，２， ＴＡＯ Ｌｕ１，２ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ＆ Ｄｅｅｐ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ）
中图分类号： ＴＤ８５３
文献标识码： Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１９．０２．００６
Baidu Nhomakorabea
文章编号： ０２５３－６０９９（２０１９）０２－００２４－０６
Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｃｒｏｗｎ Ｐｉｌｌａｒ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｏｐｅｎ⁃ｐｉｔ ｔｏ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ
第 ３９ 卷第 ２ 期 ２０１９ 年 ０４ 月
矿 冶 工 程
ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．３９ №２ Ａｐｒｉｌ ２０１９
姑山铁矿露天转地下开采境界顶柱合理厚度研究①
龙周彪１，２ ， 韩立军１，２ ， 孟庆彬１ ， 李兴权１，２ ， 刘晓帅１，２ ， 陶 陆１，２
强度为破坏指标，计算出境界顶柱合理厚度的理论值。 运用此方法计算出姑山铁矿露天转地下开采境界顶柱合理厚度的理论值，
并以此为基础数据，结合 ＦＬＡＣ３Ｄ 数值模拟获得了该矿境界顶柱合理厚度范围为 ２３ ～ ２５ ｍ。
关键词： 露天转地下开采； 进路充填采矿法； 境界顶柱； 顶柱厚度； 姑山铁矿； 力学模型； 数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ， ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｆｔ ａｎｄ ｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｏｐｅｎ ｐｉｔ ｔｏ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ， ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｓｈａｌｌ ｂｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ “ ｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｌｏａｄ ” ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｓｅｍｉ⁃ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ， ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｓ ａ ｄａｍａｇｅ ｉｎｄｅｘ， ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ， ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｗ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ２３ ～ ２５ ｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＬＡＣ３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｏｐｅｎ⁃ｐｉｔ ｔｏ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ； ｄｒｉｆｔ ａｎｄ ｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ； ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ； ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ； Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ； ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
要求从露天采场坑底到地下采场之间留有一定厚度的 境界顶柱（ 隔离矿柱） ［１］ 。 境界顶柱厚度因矿岩稳定 程度、矿体开采条件、矿体形态变化等不同而不同［５］ ， 如果顶柱厚度偏大，会降低矿石回收率，造成资源浪 费；如果 顶 柱 厚 度 偏 小， 又 不 利 于 安 全 生 产［６－７］ 。 所 以，在露天转地下开采的过程中，境界顶柱厚度的选取 是一项十分重要的工作。
摘 要： 以姑山铁矿为工程背景，针对采用进路充填采矿法的露天转地下开采矿山，提出将露天转地下开采留设的境界顶柱简化
为“ 梯度荷载作用下的悬臂梁超静定” 平面应变力学模型，采用弹性力学半逆解法求解出境界顶柱各应力分量的解析解，并以抗拉
随着露天矿山开采深度的增加，剥采比也随之增 加，开采难度逐步增大，达到临界深度后，就需要转入 地下开采［１］ 。 由于露天采场已形成较高的陡峭边坡， 在其下部进行大规模采矿时，地下采场与深凹露天采 场形成一体，相互影响，给露天转地下开采带来一系列 安全问题［２－４］ ，如：地下开采形成的采空区围岩失稳， 引发露天边坡连贯失稳滑坡，又进而破坏地下采场围 岩稳定；露天采场坑底汇水涌入地下矿井，造成淹井事 故等。 为避免露天转地下采矿安全事故的发生，一般
ＬＯＮＧ Ｚｈｏｕ⁃ｂｉａｏ１，２， ＨＡＮ Ｌｉ⁃ｊｕｎ１，２， ＭＥＮＧ Ｑｉｎｇ⁃ｂｉｎ１， ＬＩ Ｘｉｎｇ⁃ｑｕａｎ１，２， ＬＩＵ Ｘｉａｏ⁃ｓｈｕａｉ１，２， ＴＡＯ Ｌｕ１，２ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ＆ Ｄｅｅｐ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ）
中图分类号： ＴＤ８５３
文献标识码： Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１９．０２．００６
Baidu Nhomakorabea
文章编号： ０２５３－６０９９（２０１９）０２－００２４－０６
Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ Ｃｒｏｗｎ Ｐｉｌｌａｒ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｏｐｅｎ⁃ｐｉｔ ｔｏ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ
第 ３９ 卷第 ２ 期 ２０１９ 年 ０４ 月
矿 冶 工 程
ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．３９ №２ Ａｐｒｉｌ ２０１９
姑山铁矿露天转地下开采境界顶柱合理厚度研究①
龙周彪１，２ ， 韩立军１，２ ， 孟庆彬１ ， 李兴权１，２ ， 刘晓帅１，２ ， 陶 陆１，２
强度为破坏指标，计算出境界顶柱合理厚度的理论值。 运用此方法计算出姑山铁矿露天转地下开采境界顶柱合理厚度的理论值，
并以此为基础数据，结合 ＦＬＡＣ３Ｄ 数值模拟获得了该矿境界顶柱合理厚度范围为 ２３ ～ ２５ ｍ。
关键词： 露天转地下开采； 进路充填采矿法； 境界顶柱； 顶柱厚度； 姑山铁矿； 力学模型； 数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｏｒ Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ， ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｆｔ ａｎｄ ｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｏｐｅｎ ｐｉｔ ｔｏ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ， ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｓｈａｌｌ ｂｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ “ ｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｌｏａｄ ” ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｓｅｍｉ⁃ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ， ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｓ ａ ｄａｍａｇｅ ｉｎｄｅｘ， ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ， ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｗ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ２３ ～ ２５ ｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＬＡＣ３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｏｐｅｎ⁃ｐｉｔ ｔｏ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ； ｄｒｉｆｔ ａｎｄ ｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ； ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ； ｃｒｏｗｎ ｐｉｌｌａｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ； Ｇｕｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ； ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
要求从露天采场坑底到地下采场之间留有一定厚度的 境界顶柱（ 隔离矿柱） ［１］ 。 境界顶柱厚度因矿岩稳定 程度、矿体开采条件、矿体形态变化等不同而不同［５］ ， 如果顶柱厚度偏大，会降低矿石回收率，造成资源浪 费；如果 顶 柱 厚 度 偏 小， 又 不 利 于 安 全 生 产［６－７］ 。 所 以，在露天转地下开采的过程中，境界顶柱厚度的选取 是一项十分重要的工作。