礦山隔離礦柱回采穩(wěn)定性分析及開采方案研究

劉 濤 唐禮忠 郭生茂

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

礦山隔離礦柱回采穩(wěn)定性分析及開采方案研究

劉 濤1唐禮忠2郭生茂1

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

冬瓜山銅礦在進(jìn)行完大規(guī)模1步驟礦房回采和2步驟礦柱回采后，形成了大量的采空區(qū)和充填采場，致使巖體應(yīng)力分布十分復(fù)雜，盤區(qū)隔離礦柱的回采條件已發(fā)生根本性改變。通過對開采狀態(tài)的調(diào)研分析，以52-54線隔離礦柱為例，提出了2種隔離礦柱回采方案，從開采難度、礦石回收率、采切工程量等方面進(jìn)行了對比分析，并結(jié)合數(shù)值模擬軟件FLAC3D對2種礦柱回采方案進(jìn)行了模擬。模擬分析顯示：方案1隔離礦柱在回采過程中側(cè)壁出現(xiàn)了較大的位移，容易形成側(cè)壁垮塌，并且其塑性區(qū)面積較大；方案2在隔離礦柱回采后，采場側(cè)壁位移很小，對于在回采過程中出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域，減小礦房跨度，避免礦壁受到進(jìn)一步破壞，回采作業(yè)對圍巖的影響最小。通過綜合比較，認(rèn)為方案2較為合理，為可行性較高的方案。

深井開采 隔離礦柱 穩(wěn)定性分析 數(shù)值模擬 回采方案

隨著淺部資源的逐漸消耗，礦床開采逐漸向深部延伸[1]。深部開采由于高地應(yīng)力、高溫和高巖溶水壓力等問題，開采難度增大。在礦體開采過程中，礦體圍巖隨著礦體開挖應(yīng)力重新分布，形成二次應(yīng)力場，圍巖容易形成局部應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致破壞[2-4]。由于高地應(yīng)力和開挖引起的應(yīng)力集中造成巷道圍巖集聚了大量的彈性能，當(dāng)受到爆破振動等動力擾動時，集聚在巖體內(nèi)部的彈性能突然釋放，造成巷道圍巖垮塌、冒落，嚴(yán)重時有碎塊彈射和爆炸聲，對礦體的安全回采造成重大影響[5-10]。深部開采過程中，采用合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序可以有效地改善圍巖應(yīng)力集中和較好地控制因頻繁采動造成的應(yīng)力增高帶的相互重疊[12-14]。

1 開采狀態(tài)調(diào)查與分析

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市獅子山區(qū)，礦體開采條件較為復(fù)雜，礦體埋藏標(biāo)高-670～-1 100 m，礦體厚度為20～100 m，沿走向長度為1 800 m，平均傾角為20°，最大傾角35°，礦體嚴(yán)格受層位控制并呈不完整的馬鞍狀，礦體中部厚大，向兩翼厚度逐漸減小直至尖滅。礦體主要由含銅矽卡巖、含銅磁鐵礦和蛇紋巖等組成，礦體直接頂板為黃龍族大理巖，直接底板為石英閃長巖和粉砂巖。圖1為首采區(qū)開采布置圖。礦體最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E～SW，與礦體走向基本一致，并近似水平方向，最大主應(yīng)力為30～35 MPa。采用無礦柱連續(xù)回采階段空場嗣后充填采礦方法進(jìn)行回采，該方法的主要特點(diǎn)為沿礦體走向每隔100 m劃分1個盤區(qū)，盤區(qū)尺寸為：礦體寬度×100 m×礦體高度，盤區(qū)間留18 m的隔離礦柱，保證礦體的安全回采和盤區(qū)之間開采相互獨(dú)立，不受干擾，隔離礦柱尺寸為：礦體寬度×18 m×礦體高度。在盤區(qū)內(nèi)每隔18 m垂直礦體走向布置采場和礦柱，采場尺寸為82 m×18 m×礦體高度，礦柱尺寸為78 m×18 m×礦體高度。整個盤區(qū)分3步回采，第1步回采礦房，即隔一采一，回采完畢后進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填，第2步回采礦柱，采用全尾砂充填，第3步回采隔離礦柱，采用全尾砂充填。

圖1 首采區(qū)開采布置

冬瓜山銅礦于2007年開始正式投產(chǎn)，到2011年5月已基本完成了首采區(qū)礦房和礦柱的回采，共開辟盤區(qū)6個，共有5個盤區(qū)隔離礦柱，由于5條隔離礦柱兩旁的盤區(qū)開采狀態(tài)不一致，部分采場還在采準(zhǔn)階段，一些采場還在充填階段，故回采方案首先針對兩邊盤區(qū)已基本完成采掘、充填的54#線開始。從冬瓜山礦體賦存的地質(zhì)條件即巖石條件和應(yīng)力條件來看，存在著發(fā)生巖爆的條件。自開采以來，冬瓜山銅礦地壓活動較為穩(wěn)定，只發(fā)生過一些輕微的地壓活動，并未產(chǎn)生較強(qiáng)的巖爆，對生產(chǎn)的影響較小。但隨著大規(guī)模開采，圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象更加突出，巖爆發(fā)生的幾率增大，做好地壓防治工作是保障礦體安全開采的首要條件。為監(jiān)測隨著礦體開采井下地壓活動的實(shí)時變化，冬瓜山銅礦2005年引進(jìn)了南非ISS公司微震監(jiān)測系統(tǒng)，可用于分析礦山地震事件的時空分布以及相對集中區(qū)域，作為礦山地壓實(shí)時監(jiān)測和巖層活動評價的主要依據(jù)。圖2和圖3分別為某時刻微震監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時分析數(shù)據(jù)。

圖2 礦山地震活動區(qū)域的圈定

圖3 54#線隔離礦柱應(yīng)力分布

冬瓜山銅礦自投產(chǎn)以來，一直采用CMS空區(qū)精密探測儀與SURPAC礦業(yè)軟件相結(jié)合的方法對采空區(qū)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從中可以直接獲取礦山各階段單個采空區(qū)的實(shí)際形態(tài)、總體分布情況等信息，并分析各采空區(qū)(礦房采場或間柱采場)超界爆破和空區(qū)跨落情況，為隔離礦柱的回采方案設(shè)計提供更可靠和更直觀的參考依據(jù)。

2 隔離礦柱開采方案

2.1 回采單元的劃分

隔離礦柱的回采基本思路是從礦體厚大一側(cè)逐漸向兩翼退采，這樣回采的優(yōu)勢在于便于底部巷道的通風(fēng)，風(fēng)流從開采區(qū)流向已采區(qū)，同時還可以有效地控制地壓，避免應(yīng)力集中。原設(shè)計的隔離礦柱回采單元尺寸為14 m×36 m×礦體高度，這樣劃分的好處在于每個回采單元對應(yīng)1個盤區(qū)采場和礦柱，布置較為規(guī)則，在回采單元的周圍布置2 m寬的永久礦壁用于支撐采場，原隔離礦柱回采單元布置如圖4所示。這樣布置的缺點(diǎn)在于由于礦體厚度變化很大，統(tǒng)一按照36 m劃分采場長度，造成隔離礦柱不同采場之間礦量差別較大，造成礦石回采效率較低，損失較大。這樣劃分顯然不夠合理，但在保證各個回采單元回采礦量基本相同和回采單元與盤區(qū)采場、礦柱之間保持一定的對應(yīng)關(guān)系的前提下，將54#隔離礦柱回采單元劃分提出2種方案，以保證礦柱的合理、安全回采。

圖4 原隔離礦柱回采單元布置

2.2 回采方案1

表1為方案1隔離礦柱回采單元結(jié)構(gòu)參數(shù)表，圖5為方案1的礦塊布置剖面圖。從表1中可以看出，54-G1和54-G2礦房高度較大，達(dá)到82 m，可能會因?yàn)殚_采長度偏大造成礦壁出現(xiàn)垮塌。

表1 方案1回采單元結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The mining project unit structure parameters of scheme 1

圖5 方案1礦塊布置剖面

2.3 回采方案2

表2為方案2隔離礦柱回采單元結(jié)構(gòu)參數(shù)表，圖6為方案2礦塊布置剖面圖。方案2將方案1中較大的礦房54-G1分上下2層開采，并調(diào)整了其他礦房的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低了礦房的高度。

表2 方案2回采單元結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 The mining project unit structure parameters of scheme 2

圖6 方案2礦塊布置剖面

3 隔離礦柱開采穩(wěn)定性數(shù)值模擬

由于隔離礦柱的回采工作是在1步驟礦房回采和2步驟礦柱回采之后進(jìn)行的，造成隔離礦柱開采條件極為復(fù)雜，隔離礦柱應(yīng)力集中明顯，地壓活動頻繁。因此，需對開采方案1和方案2隔離礦柱回采穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，選擇較為合理安全的回采方案。

由于隔離礦柱的回采是在采場和礦柱回采充填之后進(jìn)行的，因此在模擬隔離礦柱回采之前，因按照實(shí)際開采順序模擬礦體開挖和充填后的隔離礦柱應(yīng)力分布和位移變化情況。圖7為用FLAC建立的54線盤區(qū)和隔離礦柱模型，圖8、圖9分別為54#線隔離礦柱回采前最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖。54#線隔離礦柱在兩邊盤區(qū)回采充填完畢之后，其最大主應(yīng)力在隔離礦柱中部，為47.5 MPa，最小主應(yīng)力為6 MPa，分布于隔離礦柱中部，在隔離礦柱厚大部分出現(xiàn)了不到1 MPa的拉應(yīng)力，小于礦體抗拉強(qiáng)度3.04 MPa，故在1步驟、2步驟回采之后，隔離礦柱不會發(fā)生破壞。

圖7 54#線盤區(qū)及隔離礦柱模型

圖8 54#線隔離礦柱回采前最大主應(yīng)力分布

圖9 54#線隔離礦柱回采前最小主應(yīng)力分布

通過模擬發(fā)現(xiàn)，隨著盤區(qū)礦房礦柱的回采和充填，隔離礦柱的位移也隨之變化，通過數(shù)值模擬分別從礦體走向Y方向和垂直礦體走向X這2個方向分別觀測了隔離礦柱的位移變化情況，圖10、圖11分別為Y=6 m和Y=-6 m隔離礦柱沿Y軸的位移分布云圖。從圖中可以看出，隔離礦柱沿走向Y方向最大位移為8.8 cm，位于隔離礦柱中部靠近下盤部分，向兩翼位移逐漸減小。回采前隔離礦柱位移變化區(qū)域主要分為2個部分，上部分的位移沿Y軸正值方向，指向52#盤區(qū)采場方向，下部分的位移變化沿Y軸負(fù)方向，指向54#盤區(qū)采場方向，可以分析得出，隔離礦柱產(chǎn)生位移的主要原因是由兩側(cè)盤礦體開采造成的。

圖10 Y=6 m剖面隔離礦柱沿Y軸位移分布

圖11 Y=-6 m剖面隔離礦柱沿Y軸位移分布

從上面的分析來看，隔離礦柱在1步驟、2步驟回采之后，其內(nèi)部的應(yīng)力和位移已發(fā)生了改變，應(yīng)力集中更加明顯，隔離礦柱最大位移達(dá)到11.87 cm。因此在隔離礦柱的回采中，對于應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)合理選擇采場結(jié)構(gòu)，確保隔離礦柱的安全高效回采。

按照以上提出的2種的隔離礦柱回采方案分別用FLAC進(jìn)行了開挖模擬，對于方案1，模擬開挖G1礦房之后隔離礦柱兩側(cè)的應(yīng)力、位移和采場壁的塑性區(qū)域，從模擬的結(jié)果來看，G1采場回采后，52#線側(cè)壁最大主應(yīng)力42.9 MPa，應(yīng)力集中主要集中在G1采場上邊界，52#線側(cè)壁最大位移指向52#采場方向最大位移為13.75 cm，52#側(cè)壁的塑性區(qū)域隨著G1采場的開挖，其塑性區(qū)域明顯增大，圖12～圖14分別為G1采場開挖后對52#側(cè)壁的最大主應(yīng)力、位移和塑性區(qū)域分布圖，從圖中可以看出，在G1采場被挖空后，采場側(cè)壁上下部的變形聯(lián)通，采場側(cè)壁呈外凸?fàn)顟B(tài)并出現(xiàn)了較大的塑性區(qū)域，從采場穩(wěn)定性及安全回采方面來講，不建議采用方案1。

圖12 方案1 G1采場開挖后52#線側(cè)壁最大主應(yīng)力

圖13 方案1 G1采場開挖后52#線側(cè)壁位移

圖14 方案1 G1采場開挖后52#線側(cè)壁塑性區(qū)

對于方案2，同樣模擬開挖G1、G2礦房之后隔離礦柱兩側(cè)的應(yīng)力、位移和采場壁的塑性區(qū)域，從模擬的結(jié)果來看，G1、G2采場回采后，52#線側(cè)壁最大主應(yīng)力42.9 MPa，無明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，52#線側(cè)壁最大位移指向54#采場方向最大位移為11.48 cm，位移無明顯增加，52#側(cè)壁的塑性區(qū)域隨著G1、G2采場的開挖，其塑性區(qū)域與開挖前基本系統(tǒng)同，無明顯增加，且采場頂部未出現(xiàn)大面積塑性區(qū)域，圖15～圖20分別為G1、G2采場開挖后對52#側(cè)壁的最大主應(yīng)力、位移和塑性區(qū)域分布圖。

圖15 方案2 G1采場開挖后52#線側(cè)壁最大主應(yīng)力

圖16 方案2 G2采場開挖后52#線側(cè)壁最大主應(yīng)力

圖17 方案2 G1采場開挖后52#線側(cè)壁位移

綜合上述，方案2采用G1礦房上下分層的回采方法。解決了隔離礦柱在回采之后采場側(cè)壁位移過大的問題。同時在應(yīng)力集中區(qū)域，采用減小礦房跨度的方法，避免礦壁受到進(jìn)一步破壞。在確?；夭勺鳂I(yè)安全可靠的前提下，保證了回采效率和回收率，建議采用方案2為可行性較高的回采方案。

圖18 方案2 G2采場開挖后52#側(cè)壁位移

圖19 方案2 G1采場開挖后52#線側(cè)壁塑性區(qū)

圖20 方案2 G2采場開挖后52#線側(cè)壁塑性區(qū)

4 結(jié) 論

(1)通過現(xiàn)場實(shí)地勘察和CMS空區(qū)精密探測儀與SURPAC礦業(yè)軟件相結(jié)合的方法對采空區(qū)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，獲取了礦山各階段單個采空區(qū)的實(shí)際形態(tài)、總體分布情況等信息，并分析各采空區(qū)超界爆破和空區(qū)跨落情況，為隔離礦柱的回采方案設(shè)計提供更可靠和更直觀的參考依據(jù)。

(2)根據(jù)隔離礦柱回采的實(shí)際條件，采用從礦體厚大一側(cè)逐漸向兩翼退采的回采方式，并提出了2種隔離礦柱回采方案，并給出了具體的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)對隔離礦柱回采方案1、方案2分別用FLAC3D進(jìn)行了開挖模擬，從模擬的結(jié)果來看，方案1易在52#線采場側(cè)壁產(chǎn)生較大范圍的塑性區(qū)，采場在開挖后產(chǎn)生了較大的位移；方案2采用G1礦房上下分層的回采方法，解決了隔離礦柱在回采之后采場側(cè)壁位移過大的問題。同時在應(yīng)力集中區(qū)域，采用減小礦房跨度的方法，避免礦壁受到進(jìn)一步破壞。在確保回采作業(yè)安全可靠的前提下，保證了回采效率和回收率，建議采用方案2為可行性較高的回采方案。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Stability Analysis and Mining Method of Isolated Pillar Stoping

Liu Tao1Tang Lizhong2Guo Shengmao1

(1.NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

A large number of mined-out areas and filling stope were formed after Dongguashan copper mine finished large-scale mining of step 1 and step 2 pillars，resulting in a very complex stress distribution in rock mass.The mining conditions of panel isolated pillar had changed radically.Through the research analysis on the mining state，two stoping schemes were proposed and contrasted from aspects of mining difficulty，and mining recovery and mineral movement volume with 52-54 isolated pillar line as a case.The two stoping schemes of isolated pillar were simulated with the numerical simulation software FLAC3D.The results showed that: in Scheme 1，side wall appears large displacement，where collapse and a large plastic zone are easily formed.In scheme 2，side wall displacement is less after recover of isolated pillars.For the stress concentration zone during stoping，it is necessary to reduce the room span and avoid the ore wall from further damage，so that the mining activities have a less impact on surrounding rock.Through comprehensive analysis on the two schemes，the scheme 2 is relatively reasonable and feasible.

Deep mining，Isolated pillar，Stability analysis，Numerical simulation，Mining method

2013-12-22

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2010CB732004)。

劉 濤(1986—)，男，碩士研究生。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-04-154-06