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某矿露天转地下顶柱安全厚度研究

文档作者：闭进忠王平陈聪文档来源： 1．广西北山矿业发展有限责任公司 2．东北大学		点击数：	更新时间： 2022年04月28日
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第65卷第4期 有 色 金 属(矿山部分) 2013年7月
doi：10．3969·／J．issn．1671-4172．2013．04．003
某矿露天转地下顶柱安全厚度研究
闭进忠，王平 ，陈聪
(1．广西北山矿业发展有限责任公司，广西河池547000；2．东北大学，沈阳110004)
摘要：以某矿为工程实例，根据矿区的水文地质情况、矿岩的物理力学性质等，运用鲁佩涅伊特理论计算法、
结构力学梁法、厚跨比法等进行顶柱安全厚度计算，并对计算结果和三维数值模拟的结果进行对比分析，得出该矿
露天转地下时境界顶柱安全厚度与采空区跨度之间的关系，这对指导该露天矿的生产以及维护作业人员和设备的
安全具有十分重要的意义。
关键词：露天转地下；顶柱安全厚度；数值模拟；有限元
中图分类号：TD853．391 文献标志码：A 文章编号：1671—4172(2013)04—0008—04
Study onsafety thickness of top—pillar in transferring from
open pit to underground mining
BI Jinzhong ，WANG Ping ，CHEN Cong。
(1． Guangxi Beishan M ining Developm ent Co．，Ltd．，Hechi Guangxi 547000，China；
2．Northeastern University，Shenyang 1 10004，China)
Abstract：Take a mine as engineering example，structure mechanics of girder，ratio of thickness and span equa—
tion and K．B．Lu Peinie equation are adapted tO calculate the safety thickness of top—pillar in this article，according
tO the hydroge0l0gical conditions of the mine and the physical and mechanical properties of the ore and rock． By
comparing the result with three dimensional numerical simulation analysis results，the relationship between the safe—
ty thickness of the goaf roof and goal span in transferring from open pit tO underground mining was gained，which
has extremely vital significance for production of open pit mine and maintenance safety of operating personal and the
equipments．
Key words：transferring from open pit tO underground mining；safety thickness of top—pillar；numerical simula—
tion；finite element
在露天转地下开采过程中，境界顶柱安全厚度
的确定一直是个难题，顶柱过厚会造成资源浪费，顶
柱过薄则会影响安全生产。通常在露天转地下开采
过程中，矿山为了使矿石产量波动不大，一般都使用
不停产过渡，这样可以合理衔接产量。此时，为了处
理好露天与地下开采相互影响的问题，最有效的解
决办法就是使用在露天坑的底部、地下开采第一中
段的顶部留一定厚度顶柱的空场法l1]。空场法之所
以广泛应用于露天转地下开采的矿山，首先，主要是
该法在露天转地下过渡时需要的技术简单。其次，
该法可保证露天和地下同时开采时地下采场内风流
畅通，排水方便，同时可保证露天边坡的稳定性。在
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BABO7B02)
作者简介：闭进忠(1969一)，男，副总工程师，采矿工程专业，主要从
事采矿技术和生产管理工作
此过程中要在露天坑底部到地下采场之间留有一定
厚度的顶柱。顶柱厚度的计算在理论上方法较多，
但是目前国内矿山比较习惯采用工程类比法，而工
程类比法在工程实际应用中有很多局限性。在使用
类比法时如果顶柱厚度选取偏大，会降低矿石的回
收率，这样必然会造成资源浪费；如果顶柱厚度选取
偏小，将不利于安全生产。所以，在露天转地下开采
的过程中，顶柱厚度的选取是一项十分重要的工作。
因此，本文开展了某矿关于顶柱安全厚度的研究，目
的在于指导该矿在露天转地下开采的过程中既能实
现安全有效地生产，又能获得较好的经济收益。
1 矿区概述及其矿岩的物理力学性质
矿区在大地构造位置上处于中朝准地台内蒙地
轴，建平台拱宁城断凹中段。区域内太古宙变质杂
第4期 闭进忠等：某矿露天转地下顶柱安全厚度研究 9
岩广布，构成了最古老的结晶基底。前人将变质构
造面理视为层理，建立了建平群小塔子沟组。1991
年，经辽宁地质矿产勘查局区域地质调查队二分队
工作，建立了变质杂岩体系。该体系主要由变质表
壳岩、变质深成岩和变质脉岩组成。杂岩体为各种
片麻岩、变质脉岩，后者主要为斜长片麻岩和二长片
麻岩。矿区主矿体呈厚大似层状，走向260。～290。，
倾向南西，倾角7。～14。，走向长度820 m，沿倾向长
度610 m，厚度8O～150 m。矿区底部有许多早期
民采留下的采空区。随着露天坑底日益接近地下采
空区，矿山为保障安全生产必须及时确定露天坑底
与地下采空区的合理隔层厚度 ]。根据现场测量以
及矿方提供的不完全统计资料显示，该矿区内采空
区数目达50多个，采空区跨度8～50 m，但是多数
为30~40 m。
矿岩物理力学性质：矿体为磁铁石英岩矿层，矿
体顶柱围岩主要为混合岩夹黑云斜长角闪片麻岩，
为太古界建平群中深变质岩系，属坚硬和半坚硬岩
石，稳定性较好。矿石硬度系数，一lO～14，顶底板
围岩f一7～12。矿石密度3．30 t／m。，围岩密度
2．70 t／m。。矿岩松散系数1．6。经现场取样做室
内岩石力学指标测试，并查阅相关资料对该矿露天
采场的岩石力学参数进行调整，得到本次理论分析
与计算中使用的主要岩体力学参数，如表1所示。
表1 矿岩力学参数
Table 1 Themechanical parameters of ore and rock
2 顶柱安全厚度的计算方法
1)鲁佩涅伊特理论计算法_4 ]
计算公式：H — K[-0．25× rb。+ (r。b。+
800aBg) ／98aB] (1)
B一 3／k0k"d 3一(7～ 10) ，g— G／2b
(2)
式中：H一安全顶柱的厚度，m；6一采空区的跨
度，m；K～ 安全系数，本文取1．3；r一顶柱岩石的密
度，t／m。；g一电铲及其他设备对顶柱的压力，MPa；
6，一电铲履带的宽度，m；O'B一弯曲条件下考虑强度
安全系数k。和结构削弱系数k。条件下顶柱强度极
限，MPa； 。一弯曲条件下的岩石强度极限，MPa；
志。一2～3，k。一7～10 一岩石单轴抗压强度，MPa；
G一电铲或者设备的质量，kg。
根据该理论估算公式带人数据计算，得到采空
区跨度和顶柱安全厚度的推荐值，见表2。
表2 使用鲁佩涅伊特理论计算法得出的采空区跨度
和顶柱安全厚度推荐值
Table 2 Goaf span and safe thickness of top‘pillar using
K．B． Lu Peinie method
采空区跨度／m
顶柱的厚度／m
2)平板梁理论计算法 卜。
该理论是由徐长佑提出的顶柱合理厚度计算方
法。该理论认为，顶柱可以看作一个两端固定的平
板梁结构。该理论基于两个基本观点：① 矿房长度
远远大于其宽度；② 矿房数量多时，可以消除边界跨
度的影响。在此观点之下，建立了顶柱简化模型，如
图1所示。
图1 在自重作用下平板梁模型
Fig．1 The flat beam model under its own weight
从该模型可以清楚地看到，该理论计算方法将
极其复杂的三维问题简化成了二维的平面问题。近
年来一些学者在此理论基础之上根据材料力学的公
式，推导出了顶柱安全厚度计算的简化公式 ]：
H — KR6 ／2a (3)
其中： 一顶柱岩石的抗拉强度，MPa；6一采空
区的跨度，m；R一为爆破源的距离，m；K一安全系
数，本文取1．3；H一安全顶柱的厚度，m。
使用该简化公式计算得到顶柱安全厚度和采空
区跨度之间的关系，如表3所示。
有 色 金 属(矿山部分) 第65卷
表3 平板梁理论下采空区跨度和顶柱安全厚度推荐值
Table 3 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar using flat beam theory
采空区的跨度／m 10 20 3O 40 50
顶柱的厚度／m 5．83 11．00 15．62 24．68 36．14
3)空场长宽比法_7 ]
当采空区的长度与宽度之比>2时，假定采空
区顶柱至露天工作平盘之间为一块嵌固梁，受均布
连续载荷作用；当空区长度与宽度之比≤2时，假定
空场顶柱为板结构，且同时受自重均布载荷和电铲
作业载荷的作用，其四边支撑情况简化为四边简支。
由于岩石的抗拉强度低，所以可运用材料力学公式
(4)确定顶柱的最小安全厚度。
== = M⋯ ／W (4)
式中： 一岩石的抗拉强度，MPa；M 一顶柱
内最大弯矩，kN ·m；w一抗弯截面系数，m。。
由许用最大拉应力来确定顶柱安全厚度，结果
如表4所示。
表4 使用空场长宽比法得到采空区跨度和
顶柱安全厚度推荐值
Table 4 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar using length‘width ratio method
采空区的跨度／m 10 20 30 40 50
顶柱的厚度／1fIl 5．3 11．5 18．0 20．0 23．5
4)普氏拱理论计算法[7 ]
采空区未坍塌时，处于自然平衡状态，如岩石发
生变形与位移形成压力拱，其拱高计算见式(5)。
H 一垒±垒 !皇 5二业 (5)
式中：H一压力拱的拱高，m；． 岩石内摩擦
角，o)；6一空场半宽度，m； 一空场最大高度，ITI；
厂一岩石强度系数。
普氏压力拱理论计算的基本前提是硐室上方的
岩石能够形成自然压力拱，这就要求硐室上方有足
够的厚度且有相当稳定的岩体，以承受岩体自重和
其上部的载荷。因此，计算出压力拱的拱高H 之
后，还要加上一定的稳定岩层厚度才为最终的安全
顶柱厚度。本文在计算中取稳定岩层厚度等于压力
拱拱高，则顶柱安全厚度为压力拱拱高的2倍，计算
结果如表5所示。
5)三维数值模拟[10-13]
近年来数值模拟方法广泛应用于工程实践中。
本文在使用该法计算顶柱安全厚度时，首先根据该
矿的矿岩物理力学性质建模(由于建模以及分析过
程过于复杂，本文不再详细叙述)，然后对模拟结果
进行有限元分析，从而得出顶柱安全厚度。不同采
空区跨度、不同厚度顶柱岩体中出现的最大拉应力
如图2所示。
表5 普氏压力拱理论计算得到采空区跨度和
顶柱安全厚度推荐值
Table 5 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar us ing Protodyakonov’S
mountain rock pressure theory
采空区跨度／m 10 2O 3O 40 50
顶柱的厚度／m 6．0 12．0 16．7 19．6 26．0
恻
堪
5 l0 15 20
顶板厚度／m
图2 最大拉应力和最大剪应力计算结果
Fig．2 The results of maximum tensile stress and
the maximum shear stress
使用有限元分析结果表明，最大拉应力出现在
顶柱的中央，最大压应力出现在采空区的下部角点
处。由图2可以看出，随着顶柱厚度的增大，顶柱内
拉应力逐渐减小。根据不同顶柱厚度计算得出的最
大拉应力结果及岩体抗拉强度，可确定一定采空区
跨度下所要求的顶柱安全厚度。采空区的顶柱岩体
为矿体，其抗压强度为160 MPa，安全系数为1．3，
岩体内的最大拉应力应该小于1．49 MPa。由此得
到不同采空区跨度下顶柱的安全厚度如表6所示。
表6 有限元分析得出采空区跨度和顶柱安全厚度推荐值
Table 6 The recommended value of goaf span and safe
thickness of top-pillar using finite element analysis
采空区跨度／m 10 20 30 40 50
顶柱的厚度／m 7．2 11．2 14．0 19．0 28．0
6)厚跨比法 ]
该法认为，当采空区顶柱为完整顶柱时，其顶柱
的厚度H 与其跨越采空区的跨度W 之比满足
H／KW~O．5，此时则认为顶柱是安全的。其中K
0 5 0 5 蛐0 5 0 5 0㈣
第4期 闭进忠等：某矿露天转地下顶柱安全厚度研究 11
为安全系数，本文取值为1．3。
本文主要运用该经验公式验证以上五种方法计
算得到的顶柱安全厚度是否合理。
3 不同计算结果的分析比较
本文使用以上六种方法计算在不同的采空区跨
度下应留安全顶柱的厚度，以便使得到的结果更加
精确。图3反应了不同的计算方法中采空区跨度和
顶柱安全厚度的对应关系。从图3可见，对于采空
区顶柱安全厚度，各种计算方法的计算结果与数值
模拟计算的结果基本趋于相同，并且经前五种方法
计算得到的结果与厚跨比法的原理吻合。
l—K．B．鲁佩涅伊特法
2一厚跨比法
3一平板梁理论计算法
4一空场法
5一普氏压力拱
6一数值模拟
0 lO 20 30 40 50 60 70
采空区跨度
图3 采空区跨度和顶柱安全厚度之间的关系
Fig．3 The relationship between goaf span and
safe thickness of top-pillar
针对某矿的开采技术条件，经综合研究分析最
终确定其采空区跨度与顶柱岩层的最小安全厚度的
对应关系如表7所示。
表7 某矿采空区跨度与安全厚度推荐值
Table 7 The recommended value of goaf span and
safe thickness of top-pillar
经空区测量，采空区跨度一般为3O～40 m，该
矿露天与地下联合开采的境界顶柱的安全厚度为
16．5～23．5 m 比较合理。
4 结论
根据计算推荐值，结合现场实际，可确定目前开
采的台阶露采作业是安全的。矿山生产实践证明，
按照推荐的顶柱安全厚度组织施工是合理的。而对
于即将开采的+310 m 台阶，由于地下采空区与露
天台阶之间的距离减小，如果继续按推荐的最小顶
柱安全厚度值组织施工，在有些地段可能存在安全
隐患，矿山应对采空区进行处理并采取相应的安全
措施 ]。
在矿山生产中，由于爆破震动、地压、设备静压
和动压等的作用，局部矿体和岩体可能会比较破碎，
所以建议矿山在采矿过程中根据揭露岩体的工程地
质特征对顶柱的安全厚度进行适当的调整[1引。此
外，为了确保整个矿山的安全生产，建议对露天边坡
及其坑底进行监测。
参 考 文 献
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