充填體下水平礦柱回采方案研究

廖偉成 劉 波 張耀平,3 徐佑民

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.安徽龍橋礦業(yè)有限公司，安徽 廬江 231551；3.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

充填體下水平礦柱回采方案研究

廖偉成1劉 波2張耀平1,3徐佑民1

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.安徽龍橋礦業(yè)有限公司，安徽 廬江 231551；3.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

安慶銅礦在生產(chǎn)過程中為確保高中段回采安全，在-385～-400 m之間留有約15 m厚的水平礦柱。隨著開采深度加大，預(yù)留礦柱量越來(lái)越多，為最大限度地回采礦石，現(xiàn)對(duì)水平礦柱進(jìn)行回采。根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)水平礦柱的回采方法提出上向中深孔嗣后充填，下向中深孔嗣后充填，上向進(jìn)路分層充填3種方法，3種方法在回采效率和安全性上進(jìn)行對(duì)比，著重考慮回采過程安全性，建議采用上向進(jìn)路分層充填法進(jìn)行回采。同時(shí)，針對(duì)上向充填法的回采順序提出中間向兩翼，左端向右端，右端向左端，兩翼向中間等4個(gè)方案，耦合surpac與FLAC3D構(gòu)建礦區(qū)數(shù)值模擬分析模型，對(duì)該4個(gè)方案在-385 m中段進(jìn)行開挖模擬運(yùn)算。分析結(jié)果得出：兩翼向中間回采方案垂直位移量最小、最大拉應(yīng)力較小、塑性區(qū)域最小，為最優(yōu)回采方案。

水平礦柱 回采方案 數(shù)值模擬

為了維護(hù)采場(chǎng)的穩(wěn)定性及控制地壓一般需要留下各式各樣的礦柱。水平礦柱是礦柱中較典型的一種，一般為上中段的底板和下中段的頂板所構(gòu)成，起到承載采場(chǎng)及空區(qū)的作用，確保采場(chǎng)及空區(qū)的穩(wěn)定性[1-2]。隨著礦體開采的不斷持續(xù)，可開采礦體越來(lái)越少，礦柱量越來(lái)越多，若能安全有效地開采礦柱，能有效地提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)礦山的服務(wù)年限。

1 工程概況

安慶銅礦是一座大型矽卡巖銅鐵共生型地采礦山，礦體主要特點(diǎn)：埋藏較深、沿走向較短、儲(chǔ)量大[3]。1#礦體是礦區(qū)當(dāng)前的主采礦體，埋藏范圍為-176 m至-640 m，屬于厚大急傾斜礦體。沿礦體走向方向，將礦體劃分為礦房、礦柱2部分，兩者寬度均是15 m，采場(chǎng)階段高度60 m～120 m，采礦方法采用VCR法，炮孔直徑達(dá)165 mm，先礦房后礦柱兩步驟、隔三采一的方式回采[4]。以安慶銅礦1#礦體預(yù)留的水平礦柱為研究背景，對(duì)其回采方法進(jìn)行了論證，并利用數(shù)值模擬對(duì)回采方案進(jìn)行研究。

2 回采方法選擇

基于水平礦柱處于充填體中現(xiàn)狀，礦柱被充填體包裹，其穩(wěn)定性較好。根據(jù)水平礦柱賦存的現(xiàn)狀，初步選擇以下3種回采方法：上向中深孔嗣后充填、下向深孔嗣后充填及上向分層充填[6-8]。

(1)上向中深孔嗣后充填。采場(chǎng)的寬度設(shè)定為15 m，長(zhǎng)度即為水平礦柱賦存的厚度，垂直礦體走向方向布置。上向中深孔孔徑60 mm，底距1.8 m，排距1.4 m。采場(chǎng)充填采用尾砂膠結(jié)充填。其鑿巖巷道布置在采場(chǎng)中間位置。聯(lián)絡(luò)道布置在相鄰采場(chǎng)內(nèi)，出礦進(jìn)路布置在出礦聯(lián)絡(luò)道內(nèi)。

(2)下向中深孔嗣后充填。采場(chǎng)的布置形式、參數(shù)及充填材質(zhì)和上向中深孔嗣后充填的方法一致。布置單側(cè)聯(lián)絡(luò)道在相鄰采場(chǎng)內(nèi)。鑿巖巷道布置在水平礦柱上方的充填體之中，在鑿巖巷道內(nèi)打下向孔，炮孔直徑100 mm，底距2.2 m，排距2.0 m。

(3)上向進(jìn)路分層充填。采場(chǎng)的布置和前2種方法相同，將1個(gè)采場(chǎng)劃分為3個(gè)進(jìn)路，單個(gè)進(jìn)路寬度為5 m，回采過程中進(jìn)路的順序先中間后兩側(cè)，分層高度為5 m，采用淺孔落礦方式，采場(chǎng)回采后采用尾砂膠結(jié)充填。

將3種回采方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比后可得：上向及下向中深孔嗣后充填法均采用中孔落礦，出礦量大，回采效率高；但鑿巖巷道布置在充填體中，作業(yè)安全性較差，且采場(chǎng)空間較大，頂板的穩(wěn)定性難以確保，其充填體有可能產(chǎn)生垮落對(duì)礦柱回采造成不利影響。上向分層充填法采切工程量小，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)小，頂板及周邊圍巖容易控制，支護(hù)比較容易，損失及貧化率低。缺點(diǎn)是回采效率低 。

著重考慮回采過程的安全性，結(jié)合三者優(yōu)缺點(diǎn)，建議采用上向分層充填法回采該礦柱。

3 數(shù)值模型建立及賦值

3.1 模型建立

采用surpac建立塊體模型，給塊體模型各單元賦以坐標(biāo)等屬性數(shù)據(jù)，將塊體模型以數(shù)據(jù)文件的形式導(dǎo)出，利用access對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯轉(zhuǎn)化成FLAC3D識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，再通過FLAC3D中的impgrid命令調(diào)入數(shù)據(jù)建立FLAC3D數(shù)值模型[9]。將模型向外圍發(fā)散原有的3～5倍，得整體的數(shù)值模型，如圖1。

圖1 幾何模型及沿礦體走向縱剖面圖

3.2 模型參數(shù)賦值

根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查可知該礦區(qū)最大主應(yīng)力方向由北東逐漸到東西的趨勢(shì)。礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)回歸方程如下：

σ1=0.019 8H+11.033,

σ2=0.010 1H+5.356,

σ3=0.024 5H+0.298,

式中，σ1，σ2，σ3分別為最大、最小水平主應(yīng)力及垂直方向主應(yīng)力的值，MPa；H為礦體賦存深度，m。

采取左右兩端邊界約束水平方向的位移，底部約束z方向的位移設(shè)邊界限制。初始應(yīng)力采取在計(jì)算區(qū)域內(nèi)直接賦值，垂直方向施加σ3，水平面的兩個(gè)邊界應(yīng)力根據(jù)最大主應(yīng)力的方向分別施加作用力。

數(shù)值模擬涉及材料參數(shù)主要分成閃長(zhǎng)巖、大理巖、礦體、充填體5類。充填體分為膠結(jié)充填體及尾砂充填體2種。數(shù)值模擬的全部材料力學(xué)參數(shù)參見表1。

表1 各種材料類型的力學(xué)參數(shù)

4 回采方案數(shù)值模擬

4.1 回采方案的模擬

水平礦柱上、下盤圍巖巖性不同，賦存環(huán)境復(fù)雜，再加上礦體的回采活動(dòng)影響，使得不同部位應(yīng)力顯現(xiàn)不同，因此，本次數(shù)值模擬將整個(gè)水平礦柱作為研究對(duì)象。對(duì)水平礦柱回采順序提出4個(gè)回采方案，綜合數(shù)值模擬分析結(jié)果，從而選擇最優(yōu)方案。

方案一：由中間向兩翼回采，即從水平礦柱中間向兩翼的推進(jìn)回采。

方案二：由左端向右端回采，即從水平礦柱左端向右端推進(jìn)回采。

方案三：由右端向左端回采，即從水平礦柱右端向左端推進(jìn)回采。

方案四：由兩翼向中間回采，即從水平礦柱兩翼分別向中間推進(jìn)回采。

4.2 模擬結(jié)果分析

本次對(duì)水平礦柱回采提出4個(gè)方案，并分別進(jìn)行模擬，受限于篇幅，每個(gè)方案模擬的結(jié)果只分析-385 m中段的位移、最小主應(yīng)力及塑性區(qū)范圍大小。在此基礎(chǔ)上對(duì)水平礦柱回采之后的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)，從而得出最優(yōu)回采方案。

(1)位移分析。按照4個(gè)方案的回采順序開挖，依次將水平礦柱全部開挖完之后，選取水平礦柱頂部-385 m水平垂直位移等色圖對(duì)水平礦柱回采完之后的位移進(jìn)行分析，如圖2～圖5。由圖可知方案一最大垂直下沉位移值量大約為1.79 cm，最大上升位移為0.7 cm，大部分區(qū)域的位移為下沉其值為0.75～1 cm；方案二下沉移量最大值大約為1.71 cm，上升位移最大值為0.65 cm，大部分變形為下沉其位移量為0.75～1 cm；方案三下沉位移量的最大值1.76 cm，上升位移最大值約為0.69 cm，大部分區(qū)域的位移為下沉其值0.75～1 cm；方案四的下沉位移最大值約為1.62 cm，上升位移最大值為0.66 cm，位移區(qū)域以下沉為主其值主要在0.50～0.75 cm之間。從4個(gè)方案的-385 m水平的整體垂直位移分析，方案四即從兩端向中間回采的垂直位移值最小，優(yōu)于其他3個(gè)方案。

圖2 方案一-385 m水平z方向位移

圖3 方案二-385 m水平z方向位移

圖4 方案三-385 m水平z方向位移

圖5 方案四-385 m水平z方向位移

(2)應(yīng)力分析。圖6～圖9為4個(gè)方案回采結(jié)束后，水平礦柱頂板-385 m水平最小主應(yīng)力分布圖。從圖中可以得出水平礦柱回采結(jié)束后，方案一的最小主應(yīng)力最小值大約為-30.8 MPa，在水平礦柱中部上方及左下角形成明顯的應(yīng)力集中，水平礦柱區(qū)域最小主應(yīng)力值西部區(qū)域大部分為-14 MPa左右，東部區(qū)域大部分為-20 MPa左右，最小主應(yīng)力值下降值較大，范圍主要集中在水平礦柱西部；方案二最小主應(yīng)力最小值大約為-29.1 MPa，水平礦柱區(qū)域最小主應(yīng)力西部區(qū)域大部分為-16 MPa左右，東部區(qū)域最小主應(yīng)力在-20～-24 MPa之間；方案三最小主應(yīng)力最小值最小值大約為-29.2 MPa，水平礦柱最小主應(yīng)力西部區(qū)域大部分為-16 MPa左右，東部區(qū)域最小主應(yīng)力在-20～-24 MPa之間；方案四最小主應(yīng)力最小值約為-29.3 MPa，水平礦柱最小主應(yīng)力東部區(qū)域大部分為-18.1 MPa，東部區(qū)域最小主應(yīng)力在-20～-24 MPa之間。通過分析-385 m水平最小主應(yīng)力可得知，方案一最小主應(yīng)力最大，其他3個(gè)方案相當(dāng)；方案一最小主應(yīng)力值下降較其他3個(gè)方案稍微小一點(diǎn)；方案一在水平礦柱中部上方及左小角的應(yīng)力集中也更明顯，在東部存在的應(yīng)力集中區(qū)域較其他3個(gè)方案大，其他3個(gè)方案在東部的應(yīng)力集中區(qū)域相當(dāng)。整體分析可得，其他3個(gè)方案效果相當(dāng)，優(yōu)于方案一。

圖6 方案一-385 m水平最小主應(yīng)力

圖7 方案二-385 m水平最小主應(yīng)力

圖8 方案三-385 m水平最小主應(yīng)力

圖9 方案四-385 m水平最小主應(yīng)力

(3)塑性區(qū)分析。圖10～圖13是水平礦柱4個(gè)方案回采之后，沿走向剖面圍巖整體塑性區(qū)域分布圖。從4個(gè)方案模擬結(jié)果的整體塑性區(qū)域來(lái)看，遠(yuǎn)離水平礦柱區(qū)域的上下盤圍巖，4個(gè)方案的塑性區(qū)基本一致，這說(shuō)明這些區(qū)域基本上沒有受到水平礦柱開采的影響。對(duì)比分析4張圖可以看出，水平礦柱回采結(jié)束后，方案一和方案二的水平礦柱塑性區(qū)域最大，且主要集中在兩端；方案三的塑性區(qū)域較方案一、二的要小，分布也主要集中在兩端；水平礦柱塑性區(qū)域最小的為方案四。通過分析塑性區(qū)域的分布情況，方案四要優(yōu)于其他3個(gè)方案。

圖10 方案一整體塑性區(qū)域分布

圖12 方案三整體塑性區(qū)域分布

圖13 方案四整體塑性區(qū)域分布

從垂直位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、塑性破壞區(qū)域大小4個(gè)方面對(duì)4種回采方案的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了綜合分析，從而得出最優(yōu)的回采方案。將綜合對(duì)比的結(jié)果列入表2。

表2 回采順序綜合分析結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)水平礦柱回采3種方法進(jìn)行比對(duì)，最終采用上向分層充填回采水平礦柱。

(2)用 surpac軟件建模簡(jiǎn)便、快捷的特點(diǎn)，基于surpac的FLAC3D自動(dòng)生成復(fù)雜礦體計(jì)算模型的方法，克服了FLAC3D前處理能力不足的缺陷。使得模型更接近工程實(shí)際。

(3)對(duì)水平礦柱的回采的4個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析論證，最后得出最優(yōu)的回采順序?yàn)閮梢硐蛑虚g回采，確?；夭蛇^程的安全。

[1] 劉 波.復(fù)雜條件下水平礦柱穩(wěn)定性分析及其開采方案研究 [D].贛州：江西理工大學(xué)，2013. Liu Bo.Level Pillar Stability Analysis under Complicated Conditions and Mining Method Study[D].Ganzhou：Jiangxi University of Science and Technology,2013.

[2] 周熊超.礦柱回采穩(wěn)定性分析及地壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2010. Zhou Xiongchao.Pillar Stope Stability Analysis and Pressure Patterns Appeared[D].Ganzhou：Jiangxi University of Science and Technology,2010.

[3] 董 誠(chéng)，王連捷，楊小聰，等.安慶銅礦地應(yīng)力測(cè)量[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2001，7(2)：260-263. Dong Cheng，Wang Lianjie，Yang Xiaocong,et al.Stress measurement of Anqing Coper Mine[J].Journal of Geomechanics，2001，7(2)：260-263.

[4] 楊志強(qiáng)，吳福和，楊小聰，等.安慶銅礦不規(guī)則二步驟礦柱采場(chǎng)回采實(shí)踐[J].中國(guó)礦業(yè)，2011，20(2)：78-80. Yang Zhiqiang，Wu Fuhe，Yang Xiaocong,et al.Practice of irregular jamp exploitation in Anqing Copper Mine[J].China Mining Magazine，2011，20(2)：78-80.

[5] 張海軍，李 濤，衣淑鈺，等.特大型水平礦柱底柱資源回收的技術(shù)問題分析及對(duì)策[J].有色金屬：礦山部分，2011，63(2)：1-5. Zhang Haijun，Li Tao，Yi Shuyu,et al.Analysis and countermeasure of exploiting the horizontal pillar ore resources[J].Nonferrous Metals：Mining Section，2011，63(2)：1-5.

[6] 趙其禎，郭慧高，張海軍.特大型水平礦柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬[J].有色金屬：礦山部分，2008，60(3)：28-31. Zhao Qizhen，Guo Huigao，Zhang Haijun.Numerical simulation on stability of extra large horizontal pillar[J].Nonferrous Metals：Mining Section，2008，60(3)：28-31.

[7] 史啟明.鳳凰山銅礦水平礦柱回采實(shí)踐[J].礦業(yè)快報(bào)，2001(9)：10-11. Shi Qiming.Mining practice of level pillar in Phoenix Mountain Copper Mine[J].Express Information of Mining Industry，2001(9)：10-11.

[8] 董凱程，吳春平，馮盼學(xué).充填體下水平礦柱開采技術(shù)研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21(9)：103-105. Dong Kaicheng，Wu Chunping，F(xiàn)eng Panxue.Mining technology research on horizontal pillar under backfill[J].China Mining Magazine，2012，21(9)：103-105.

[9] 林 杭，曹 平，等.基于SURPAC的FLAC3D三維模型自動(dòng)構(gòu)建[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(3):339-342. Lin Hang，Cao Ping,et al.Automatic generation of FLAC3Dmodel based on SURPAC[J].Journal of China University of Mining and Technology，2008，37(3):339-342.

(責(zé)任編輯 石海林)

Study on Stoping Scheme of Horizontal Pillars under the Back-fill

Liao Weicheng1Liu Bo2Zhang Yaoping1,3Xu Youmin1

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou341000，China；2.AnhuiLongqiaoMiningCo.，Ltd.，Lujiang231551，China；3.InstituteofAppliedScience，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China)

A horizontal pillar with 15 m of thickness was kept between -385 and -400 m to ensure the stoping safety of high or medium section during production period in Anqing copper mine.With the mining deepening，more and more pillars are reserved.It's going to excavate these horizontal pillars in order to recover copper mine as much as possible.Three mining plans including upward medium length hole stopping with subsequent back-fill，downward medium length hole stopping with subsequent back-fill，and upward drift stopping method are proposed for the horizontal pillar mining according to the real working situation.These three plans are contrasted from its efficiency and safety，especially safety.The upward medium length hole stopping with subsequent back-fill is recommended because of its safety.Four kinds of excavation orders are given for this plan，showing as from the middle to the side，from the left to the right，from the right to the left and from the side to the middle.Then，mine numerical model is created based on FLAC3Dand Surpac software to calculate the four excavation processes at -385 m.The analysis shows that the vertical displacement，principle stress and plastic distribution are minimum by adopting the excavation order from the side to the middle.So it is the optimal scheme.

Horizontal pillar，Stopping scheme，Numerical simulation

2015-03-05

廖偉成(1990—)，男，碩士研究生。

TD853.391

A

1001-1250(2015)-05-061-05