露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究_刘恒亮

－ 144 m水平往下开始预留。
（ 2） 露天转地下开采设计采用上向水平分层充
填采矿法，所 以 模 型 中 采 空 区 高 度 取 最 大 控 顶 高 度
刘恒亮等: 露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究
2015 年第 10 期
6. 6 m。 （ 3） 露天坑底部矿体倾角多为 45° ～ 60°，平均倾
角 55°，模型中矿体倾角取矿体平均倾角 55°。 （ 4） 计算区域的表面载荷的大小为其上覆岩体
的重力之和。 （ 5） 计算模型中不考虑地质构造、地下水、爆破
振动对岩体的影响，同时认为岩体为连续介质，岩体 内部不存在结构面和弱面。
（ 6） 为了满足计算需要和保证计算精度，本次模 拟采用的模型尺寸取为空区范围的 3 ～ 5 倍。 3. 2 模型参数确定
析，得到了不同采空区跨度下的境界顶柱安全厚度。根据分析结果可以有效地确定矿山的境界顶柱厚度，为露天转
地下安全生产提供可靠的指导。根据矿山 30 m 的实际开采跨度，推荐新桥矿的境界顶柱安全厚度为 24 m。
关键词 露天转地下 境界顶柱 理论计算 数值模拟
中图分类号 TD853
文献标志码 A
文章编号 1001-1250（ 2015） -10-041-05
因素，运用 ANSYS 对新桥矿不同跨度下的境界顶柱
厚度进行数值模拟，以保证境界顶柱厚度更为合理。
3. 1 模型优化
由于矿山实际情况比较复杂，为了方便建模和计
算分析，必须对数值模型进行适当的简化，需作出如 下假设［14-15］。
（ 1） 考虑到矿山将来露天开采可能开采到 － 144
m 水平（ 按设计边坡角靠帮） ，模型中的境界顶柱从
表 2 矿岩和充填体的物理力学参数 Table 2 Mechanical parameters of ore rock and backfill
摘 要 境界顶柱是露天开采和地下开采有序进行的保证，其合理的厚度对露天转地下具有重要意义。为确定
新桥矿露天转地下境界顶柱安全厚度，运用厚跨比法、荷载传递线交汇法和结构力学方法对境界顶柱安全厚度进行
理论分析与计算，并用 ANSYS 对不同跨度和不同境界顶柱厚度进行数值模拟。通过对理论计算和数值模拟结果的分
K 为安全系数，取 K = 1. 2。
分别运用以上 3 种方法对不同跨度下的境界顶
柱厚度进行理论计算，其理论计算结果见表 1。
表 1 境界顶柱厚度理论计算结果
Table 1 The boundary pillar thickness from
theoretical calculations
m
境界顶柱厚度 采空区跨度
会引起境界顶柱的冒落，甚至坍塌，会给矿山生产带 来不可估量的损失，因此，境界顶柱必须能保证人员、 设备和材料的安全性； 如果境界顶柱过厚，虽然能保 证地下开 采 的 安 全 性，但 是 会 浪 费 大 量 的 资 源［4-6］。 因此，合理的境界顶柱厚度是露天转地下开采过程中 亟待解决的问题。
为了确定境界顶柱的安全厚度，很多专家运用不 同的方法进行了许多研究。如陆广等［7］运用二维有 限元软件 Phase2D 进行数值模拟，确定露天转地下开 采隔层的厚度； 周科平等［8］通过建立未确知测度模
Series No. 472 October 2015
金属矿山
METAL MINE
总 第 472 期 2015年第 10 期
露天转地下开采境界顶柱安全厚度研究
刘恒亮1 张钦礼2 卞继伟2
( 1. 铜陵化工集团新桥矿业有限公司，安徽 铜陵 244132; 2. 中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)
Ｒesearch on Safety Thickness of Boundary Pillar during the Transition from Open Pit to Underground Mining
Liu Hengliang1 Zhang Qinli2 Bian Jiwei2
（ 1． TCIGCL Xinqiao Mining Co． ，Ltd． ，Tongling 244132，China； 2． School of Ｒesources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）
收稿日期 2015-06-22 作者简介 刘恒亮（ 1964—） ，男，高级工程师。
·41·
总第 472 期
金属矿山
2015 年第 10 期
型对 境 界 顶 柱 安 全 进 行 评 价； 马 田 辉 等［9］ 运 用
MSC. PATＲAN 和 MSC. NASTＲAN 构建模型，得出合
理的境 界 顶 柱 厚 度。 本 研 究 以 新 桥 矿 业 有 限 公 司
标，根据材料力学与结构力学理论，可得到境界顶柱
厚度与采空区跨度之间的关系。
为确保安全，另行引入安全系数 K，得到在一定
安全条件下的境界顶柱厚度与采空区跨度之间的关
系，3 种计算方法的计算公式分别如下：
H = 2tKaBnβ，
（ 1）
·42·
H KB
=
0. 5，
（ 2）
H
=
KB 4
×
γB
+
槡γ2 B2
理论计算目前仍处于探索和完善阶段，国内外学者提
出了许多经验公式，此次选用荷载传递线交汇法、厚
跨比法和结构力学方法进行境界顶柱厚度的理论计 算［10-11］。
（ 1） 荷载传递线交汇法： 假定荷载按照 30° ～ 35°
扩散角由顶板中心向下传递，此传递线交于顶板与洞
壁的交点以外时，即认为洞壁直接支承顶板上的外载
荷与自重，顶板是安全的。
（ 2） 厚跨比法： 当采空区顶板为完整顶板时，顶
板的厚度 H 与采空区跨度 B 之比不小于 0. 5 时，认
为采空区是安全的。
（ 3） 结构力学方法： 假定采空区顶板岩体是一个
两端固定的平板梁结构，上部岩体自重及其附加载荷
作为上覆 岩 层 载 荷，以 岩 层 的 抗 拉 强 度 作 为 控 制 指
Keywords Transition from open pit to underground mining，Boundary pillar，Theoretical calculation，Numerical simulation
随着露天矿开采深度的逐步增加，其开采难度越 来越大，露天开采越来越不能满足生产的要求［1-2］，许 多矿山实现了从露天开采到地下开采的过渡，如铜官 山铁矿、石人 沟 铁 矿、大 宝 山 铜 铁、首 钢 大 石 河 铁 矿 等。在露天开采转为地下开采的过程中，面临选择合 理的采矿方法，保证露天边坡的稳定，确定合理的境 界顶柱等诸多问题，其中合理的境界顶柱可以有效地 保证露天转地下开采的安全性［3］。露天生产均为大 型设备和大孔径爆破，如果境界顶柱过薄，爆破作用 加之重型设备反复碾压会削弱境界顶柱稳定性，可能
Abstract Boundary pillar is an guarantee for ensuring the safety of underground mining and open pit and the stability of open pit slope，and the reasonable thickness of boundary pillar is essential to realize the transition from open pit to underground． To determine the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine，such measure as ratio of span and thickness equation，load transfer method and structural mechanics method，are adopted to calculate and analyze the safety thickness of boundary pillar． Numerical simulation on different spans and different boundary pillar thickness is carried out by ANSYS． By analyzing the theoretical calculations and numerical simulation results，the safety depth of boundary pillar under different goaf span is obtained． The results can effectively determine the thickness of boundary pillar of mine design，and have important implications for guiding safety production in transition from open pit to underground mining． Based on the actual mining span （ 30 m） in the mine，the safety thickness of boundary pillar in Xinqiao mine is recommended as 24 m．
岩石的弱化作用会严重影响露天边坡和境界顶柱的
稳定性，同时考虑到闭坑之后露天坑回填和境界顶柱
隔水防渗的要求，为使得新桥露天矿顺利转入地下生
产，必须确定境界顶柱的安全厚度。
2 境界顶柱厚度的理论计算
影响境界顶柱稳定性的因素有很多，主要包括回
采顺序、露天爆破影响、地下水的影响、矿岩的物理力
学性质以及地下采空区的面积等。境界顶柱厚度的
荷载传递线交汇法 厚跨比法 结构力学方法
10
8. 6
6
8. 2
15
12. 9
9
13. 1
20
17. 1
12
18. 5
25
21. 4
15
24. 5
30
25. 7
18
31. 1
35
30. 0
21
38. 3
40
34. 3
24
46. 2
45
38. 6
27
54. 7
பைடு நூலகம்
50
42. 8
30
64. 0
55
47. 1
33
74. 0
3 境界顶柱厚度的数值模拟
在实际运用中，境界顶柱厚度的影响因素主要包
括采空区跨度、矿岩的物理力学参数、回采顺序、岩体
的工程地质和水文地质以及原岩应力状况等。而理
论计算只考虑了采空区跨度对境界顶柱的影响，其计 算结果必然与实际情况存在一定的差距［12-13］。为使
计算结果更贴近实际，综合考虑影响境界顶柱的各个
σ许
+ 8σ许
q ，
（ 3）
式中，H 为境界顶柱厚度，m； B 为采空区跨度，m； β
为荷载传递线与顶板中心竖直线之间的夹角，（ °） ，
取 β = 35°； γ 为境界顶柱岩石容重，γ = 9. 8 × 3 828
N / m3 = 37. 5 kN / m3 ； σ许 为境界顶柱岩体抗拉强度， 取 1 310 kPa； q 为附加荷载，q = 0. 98 MPa = 980 kPa；
平均宽度为 50 m。露天坑底部矿体水平厚度多为 20
m ～ 60 m，只在 20 线 ～ 23 线之间水平厚度达 140 m，
平均水平厚度 37 m； 矿体倾角多为 45° ～ 60°，平均倾
角 55°。新桥露天开采的设计要求，露天坑开采结束
后用松散碎石将露天坑回填至 － 108 m 水平。由于
新桥矿属于大水岩溶矿山，水文地质条件复杂，水对
矿岩的物理力学参数是数值模拟的基础参数，其 准确性决定了数值模拟结果的准确性。物理力学参 数是通过在理想条件下的室内岩石力学试验（ 主要 包括单轴抗压强度试验、抗拉强度试验、单轴压缩变 形试验） 测得的，所得数据经 Hoek － Brown 准则折减 后得到可以用于数值模拟的矿岩和充填体物理力学 参数，如表 2 所示。
（ 下称“新桥矿”） 露天转地下开采工程为对象，釆用
理论分析和数值模拟相结合的方法，以实现预留境界
顶柱的优化。
1 工程概况
新桥矿露天开采设计最终境界最低开采水平为
－ 156 m 水平，上盘最终边坡角 43°，下盘最终边坡角
39° ～ 41°； 露天坑底长度约 900 m，宽度为 25 ～ 65 m，