1、基于多方法联合的露天转地下矿山合理覆岩层厚度研究 张永达 许洪亮 吴鹏 张建勇 马二辉 刘晓玲 中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司 摘 要: 在露天转地下过程中需人工强制形成覆盖岩层, 其对无底柱分段崩落法至关重要, 不仅影响矿石回采安全, 而且影响矿石回收。因此, 研究覆盖岩层厚度对矿山生产具有重要意义。采用理论分析计算及 PFC2D 数值模拟的手段, 对新疆诺尔湖铁矿露天转地下采场覆岩层厚度进行分析研究, 确定该矿采场的合理覆盖岩层厚度为 40m。关键词: 露天转地下; 无底柱分段崩落法; 覆盖岩层厚度; PFC2D 数值模拟; 作者简介:张永达 (1988-) , 男, 助理工程师,
2、 硕士, 矿业工程专业, 主要从事金属矿床开采理论与工艺、放矿理论研究。Thickness of covering layer during turning open-pit into underground mining based on multi-method joint applicationZHANG Yongda XU Hongliang WU Peng ZHANG Jianyong MA Erhui LIU Xiaoling ShenKan Qinhuangdao Engineering Design Abstract: It is necessary to manually f
3、orcibly form the cover rock during the process of the open-pit to underground.However the overburden thickness is very import for the sublevel caving method, which not only affects the safety of ore recovery, but also affects the recovery of ore.Therefore, it is important for mine production to rese
4、arch the reasonable overburden thickness.In this paper, the theoretical analysis and PFC2 D numerical simulation are used to analyze the thickness of the overburden layer of transition from open-pit to underground mining in Nuoerhu iron mine, the reasonable thickness of the overburden is 40 m.Keywor
5、d: transition from open-pit to underground mining; sublevel caving method; overburden thickness; theoretical analysis; PFC2Dnumerical simulation; 新疆诺尔湖铁矿是露天转地下的矿山, 地下采用无底柱分段崩落法。为形成无底柱分段崩落法正常回采条件和防止围岩大量崩落造成安全事故, 在崩落矿石层上面必须覆盖以岩石层。岩层厚度须满足以下要求1:第一, 放矿后岩石能够埋没分段矿石, 否则形不成挤压爆破条件, 崩下的矿石将有一部分落在岩石层之上, 增大矿石损失贫化
6、;第二, 一旦大量围岩突然冒落时, 能起到缓冲的作用, 以保证安全。所以研究覆岩层的合理厚度对矿山生产具有重要意义。本文将通过利用理论分析与数值模拟相结合的方法, 对新疆诺尔湖铁矿合理覆盖层厚度进行研究。1 覆岩层合理厚度理论分析研究1.1 按松动体对覆盖岩层的影响计算厚度根据松动体影响覆岩层厚度函数关系式3:式中:h覆盖层厚度;h j放出体高度;h d分段高度;k系数, 取值 1.2。将该矿采场结构参数代入式 (1) 中得松动体影响的覆盖岩层厚度 h36m。1.2 按矿石层可承受冲击地压计算覆盖层合理厚度根据该矿现场实际可知, 露天开采形成最终边帮高度大约为 195m, 最终帮坡角约为 45
7、, 转为地下开采后露天边坡受到采动和地压影响, 可能会发生边坡失稳进而造成滑坡现象, 对露天坑底产生冲击作用, 严重影响生产, 为保证地下采矿生产作业安全, 从防冲击地压角度对覆盖岩层厚度进行研究。表 1 诺尔湖铁矿无底柱采场结构参数表 Table 1 Structural parameters of non pillar mining field of Nuoerhu iron mine 下载原表 由于露天边坡滑坡体的形状、大小、岩量及连带下一坡面滑落等众多不确定因素, 所以只能根据该矿现场具体情况对滑坡体进行简化处理计算冲击力4-5。通过对该矿露天边帮分析计算得极限塌方量约为 250 万
8、t, 冲击到露天坑底部, 冲击范围近似为半径 50m 半圆弧。为便于计算研究提出以下假设:滑落体与覆盖层在碰撞过程中不发生分离, 且该过程是准静态的, 并且碰撞冲量垂直于覆岩层表面6。1) 滑落体滑落到覆盖层位置时的速度根据物理动力学理论, 滑落体受重力下滑同时受到边坡摩擦阻力 f, 忽略空气阻力。式中:m 1滑落体质量;h滑落高度;f边坡摩擦阻力, f=u 0m1gcos;u 0接触面间摩擦因数, 闪长岩取 0.77; 最终边坡角;l滑落距离, l=h/sin;v 1滑落到底部时速度。将新疆诺尔湖铁矿实际参数代入上式 (2) 中得到 v1=42.33m/s。2) 滑落体与覆盖岩层碰撞时的最大
9、挤压应力当滑落体与覆盖岩层发生碰撞时, 利用 Hertz 静力挤压理论及牛顿第二定律得:由于地面介质初速度 v2趋于零, 所以两者的相对速度 v=v2。当相对运动速度v=0 时, 相对位移到达了极大值 Xmax, 利用在静力条件下的 Hertz 定律:通过上述公式知当滑落体与覆盖岩层碰撞过程中相对位移达到最大值时, 碰撞压力也达到最大。经公式 (4) 、 (5) 化简得最大冲击压力计算公式:根据该矿地质资料可知围岩弹性模量 E 为 56 000 MPa, 泊松比 u=0.23。将各参数代入公式 (6) 计算得滑落体与覆盖岩层碰撞时最大挤压应力为 41.73 MPa。3) 经覆盖岩层缓冲后的冲击
10、压力覆盖层厚度可以影响压缩波在覆盖层中的传播和反射波的动力作用, 从而影响到整个覆盖层及下部岩石的受力情况8。随着传播距离增加, 覆盖岩层中压缩波峰值近似按照指数规律衰减, 在深度 h 处, 覆盖岩层中压缩波最大应力值 Ph为:式中:系数, 取 0.06;h埋深, 即覆盖岩层厚度。4) 覆盖岩层下部矿石层所承受的最大应力假设滑坡产生的冲击力经由覆盖岩层的减缓, 均匀作用在矿石层上, 应用鲁别尼依塔公式, 可计算出联络巷道上的矿石层所承受的最大应力。式中:P b矿石层所能承受的最大应力;H矿石层厚度;k安全系数, 取1.52;巷道顶板矿体容重;b顶板宽度;岩体抗拉强度, 取闪长岩抗拉强度 512
11、.5MPa。将该矿采场结构及矿岩力学参数, 代入公式 (8) 中计算得出矿石层所能承受最大的应力值 Pb为 4.55 MPa。为保证露天边坡塌方产生的冲击应力经覆盖岩层缓冲后, 冲击压力不能够对矿石层造成破坏, 覆盖层厚度需满足:P h4.55, 即 41.73e4.55, 计算得h36.93m。说明当覆盖层厚度为 36.93m 时, 滑落体产生的冲击应力经覆盖层缓冲后的应力不足以对矿石层产生破坏。2 覆岩层厚度数值模拟优化研究根据理论计算得覆岩层厚度 h36.93m 满足矿山安全生产要求, 但由于覆岩层厚度对放出体形态影响也较大, 所以在满足安全生产要求前提下, 利用 PFC 数值模拟软件从
12、矿石损失贫化角度进行模拟试验研究, 以矿石回收率为基本原则, 以回贫差最大者为最优方案, 优选出新疆诺尔湖铁矿合理覆岩层厚度。2.1 模拟材料参数选择PFC 数值模拟试验法是研究放矿理论重要手段之一。它具有简单、形象、便于操作的特点, 得到了广泛应用。数值模拟运算的成功与否和模型构建息息相关, 而模型构建时参数选择是至关重要的。针对放矿理论研究主要涉及到的参数指标有粒径、颗粒容重、颗粒间孔隙度、摩擦系数及刚度等9-10。表 2 模型参数指标值 Table 2 Model parameter index value 下载原表 2.2 模拟试验过程1) 方案设计根据矿山现场实际情况及数值模拟试验的
13、特点, 模拟试验方案共设计了 6 种覆岩层厚度, 分别为 36m、38m、40m、42m、44m、46m, 具体参数如表 1 所示。2) 模拟试验首先, 生成单元 wall 建立矿岩边界;然后在边界圈定范围内利用半径扩展法生成覆盖岩层黄色废石单元 ball;最后生成红色矿体单元 ball 完成模型构建, 然后在自重应力条件下达到应力平衡。模型初始状态以 40m 方案为例, 如图 1 所示。图 1 覆岩层 40m 模型初始状态图 Fig.1 Model initial state diagram of overburden thickness 40m 下载原图开始出矿, 将上述初始模型中出矿口处
14、挡墙用 delete 命令删除, 然后利用 set命令施加重力, 此时颗粒球在自身重力作用下开始发生移动, 颗粒慢慢地到达铲运机铲装范围内, 每循环 10 0000 次将铲运机铲装区域内的颗粒球删除一次, 并记录删除球的 ID 号。然后进行判断是否达到截止品位, 如果已达到截止品位, 停止出矿;否则, 继续出矿直到达到截止品位为止。经过数十万步循环操作达到出矿截止品位。模型截止状态以 40m 方案为例, 如下图 2 所示。图 2 覆岩层 40m 模型截止状态图 Fig.2 Model cutoff state diagram of overburden thickness 40m 下载原图2.
15、3 数值模拟结果分析出矿达到截止品位后统计放出矿石量及废石量, 并计算矿石回收率及废石混入率, 得到各个方案回收指标值, 根据不同覆岩层厚度下回收指标值, 绘制随覆岩层厚度不断变化, 各方案矿废指标值的变化趋势, 如图 3、4 及 5 所示。根据上述覆岩层厚度与矿废指标变化关系图可知:1) 从矿石回收率角度分析, 随着覆层厚度逐渐增大, 回收率基本呈现先逐渐减小后趋于稳定的趋势, 即存在一定边际效应, 也就是单位厚度的覆岩层对矿石回收率影响越来越小, 覆岩层厚度为 36 m 时, 矿石回收率最高为 82.35%。图 3 覆层厚度与矿石回收率变化关系图 Fig.3 Relation betwee
16、n overburden thickness and ore recovery 下载原图图 4 覆岩厚度与废石混入率变化关系图 Fig.4 Relation between overburden thickness and waste rock mixing rate 下载原图图 5 覆岩厚度与回贫差变化关系图 Fig.5 Relation between overburden thickness and return to poverty 下载原图2) 从废石混入率角度分析, 随着覆岩层厚度逐渐增大, 废石混入率呈现先逐渐减小后趋于稳定的趋势, 同样存在着边际效应, 单位厚度的覆岩层对废石混
17、入率影响越来越小。3) 从回贫差角度分析, 随着覆岩层厚度逐渐增大, 回贫差呈现先增大后减小的趋势。当覆岩层厚度为 40m 时, 回贫差最大为 62.91%, 矿石回收率为 79.95%, 废石混入率为 17.04%。当对模拟试验方案进行优选时, 以矿石回收率为基本原则, 以回贫差最大者为最优方案。所以得出方案 3 为最优方案, 回贫差最大为 62.91%, 矿石回收率为79.95%, 即当覆岩层厚度为 40m 是最合理的。3 结论1) 根据新疆诺尔湖铁矿现场地质资料, 从松散体对覆岩层的影响、防冲击地压及矿井防风等安全角度, 运用椭球体理论、物理动力学理论及 Hertz 静力挤压理论进行理论
18、分析, 得到满足矿山安全生产要求的覆盖岩层厚度 h36.93m。2) PFC 数值模拟试验研究表明覆岩层厚度对矿石回收率、废石混入率及回贫差的影响较大。随着覆岩层厚度逐渐不断增大, 矿石回收率及废石混入率呈现先减小后趋于稳定的趋势, 而回贫差则呈现先增大后减小的趋势, 且覆岩层厚度为 40m 时, 回贫差取得最大值为 62.91%, 矿石回收率为 79.95%。3) 基于理论分析及 PFC 数值模拟试验的覆岩层合理厚度研究, 得到满足新疆诺尔湖铁矿采矿工艺、井下安全及经济合理等条件的最佳覆岩层厚度为 40m。参考文献1解世俊.金属矿床地下开采M.北京:冶金工业出版社, 2011:172-244
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