下盤鐵礦礦柱爆破回采對(duì)上盤礬礦穩(wěn)定性影響分析

黨建東

(銅陵有色金屬集團(tuán)控股公司銅山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵247127)

采用空?qǐng)龇ɑ夭傻牡V山，礦柱是支撐采空區(qū)穩(wěn)定性的基本單元［1-3］，隨著資源的不斷消耗，淺部的資源不斷枯竭，對(duì)殘留礦體和礦柱的回收受到了重視［4］，國(guó)家也大力提倡礦山加強(qiáng)對(duì)礦柱和殘礦的回收利用。礦柱回收要根據(jù)礦山的實(shí)際情況而定，在保證安全、經(jīng)濟(jì)的條件下，合理采用回采方案，同時(shí)也可參考其他相似礦山的成功經(jīng)驗(yàn)，采用靈活多變的回收方法，我國(guó)在礦柱回收方面已有很多成功案例，積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［5-10］。

1 礦柱回收及空區(qū)處理方案

七角井鐵礦自2006 年建成開始投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為360 萬(wàn)t/a，經(jīng)過(guò)近8 a 的開采，礦山一中段、二中段和三中段礦房回采基本全部結(jié)束，形成了大量的采空區(qū)，由于礦體向深部開采，受開采技術(shù)條件、提升等因素的限制，礦山的生產(chǎn)能力受到影響，因此一中段、二中段和三中段礦柱的回收被提上日程，以維持礦山的穩(wěn)定生產(chǎn)。

鐵礦體的上盤有1 條礬礦體，其空間位置關(guān)系見(jiàn)圖1 所示，如果對(duì)鐵礦體預(yù)留的礦柱進(jìn)行回采，很有可能對(duì)礬礦體的穩(wěn)定性造成重大影響，影響礬礦體的安全開采。為了保障礬礦體開采的安全性，并最大限度地回收鐵礦石礦柱，需要分析下盤鐵礦礦柱回采對(duì)上盤礬礦穩(wěn)定性影響程度，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整相關(guān)的回收方案。

圖1 鐵礦體與礬礦體的空間關(guān)系Fig.1 Spatial relationship of iron ore and bauxite ore body

1.1 方案一

采用間隔間柱抽采法回采礦柱及通過(guò)在礦體下盤布置藥室爆破和上盤深孔削壁爆破充填采空區(qū)的總體礦柱回收及空區(qū)處理方案，即在同一中段采用從中間向兩端后退，并間隔1 個(gè)間柱回采1 個(gè)間柱及其兩側(cè)的頂柱，將該方案簡(jiǎn)稱為間隔間柱抽采法。間柱和其兩側(cè)的頂柱抽采后，在采空區(qū)下盤實(shí)施多個(gè)藥室爆破，并對(duì)上盤實(shí)施深孔削壁爆破，避免上盤圍巖過(guò)度爆破損傷，從而使采空區(qū)中充填廢石并達(dá)到一定的充填高度，這樣，不僅能夠削弱上部冒落或垮塌所激發(fā)的一定量級(jí)的沖擊波，而且能夠限制上盤圍巖發(fā)生大尺度巖移，并且能夠保護(hù)保留的間柱而避免其沿縱向發(fā)生彎曲折斷。

為了避免上中段礦柱回收后下盤藥室和上盤深孔削壁爆破法充填的廢石引起下中段礦柱回收時(shí)發(fā)生貧化，礦柱回收順序?yàn)?上中段礦柱爆破后，一邊出礦一邊實(shí)施對(duì)應(yīng)的下中段礦柱回收的鑿巖，等下中段礦柱回收的鑿巖工作完成后，繼續(xù)一次性爆破下中段礦柱，隨后在下中段底板上繼續(xù)出礦。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是:礦柱回收的采礦強(qiáng)度高;在礦石覆蓋層下出礦因而貧化率低;通過(guò)在礦體下盤布置藥室爆破和上盤深孔削壁爆破充填采空區(qū)方法簡(jiǎn)單易操作。缺點(diǎn)是廢石爆破充填的量較大，在無(wú)底部結(jié)構(gòu)的采場(chǎng)中出礦時(shí)，如果采空區(qū)較寬，不僅出礦不安全，而且很難將礦出干凈。

1.2 方案二

該方案的主要思路為從中間向兩側(cè)后退式回收礦柱，間柱全部回收，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)間柱回收完成后，在下盤和上盤同時(shí)立即實(shí)施深孔控制爆破堆筑松石壩支撐上盤處理采空區(qū)，從而限制上盤向采空區(qū)發(fā)生過(guò)大的巖移。之后在間柱繼續(xù)回收后，間隔1 個(gè)間柱實(shí)施控制爆破筑壩。在下中段實(shí)施礦柱回收時(shí)，為了確保堆筑的松石壩不垮落，回收有筑壩的對(duì)應(yīng)間柱時(shí)，間柱的最上一個(gè)分段及間柱兩側(cè)各半個(gè)礦房長(zhǎng)度的頂柱永久保留。這個(gè)采空區(qū)處理方法，稱為間隔間柱控制爆破堆壩法。

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于廢石爆破充填的量較小，礦柱回收率較高。缺點(diǎn)在于空區(qū)處理方法較為復(fù)雜;礦柱回收的采礦強(qiáng)度低，只能逐一中段后退回收，不能上中段出礦時(shí)對(duì)應(yīng)的下中段礦柱同時(shí)鑿巖爆破;局部可能在上中段滾落的松石覆蓋層下出礦，因此貧化率相對(duì)較高。

2 礦柱回收方案及空區(qū)處理方案數(shù)值仿真

2.1 模型的建立和邊界條件的確定

礦房長(zhǎng)度為42 m。沿礦體走向方向?qū)ΨQ選取5個(gè)跨度為42 m 的采空?qǐng)?礦房)和5 個(gè)寬7 m 的房間礦柱。本模型單元數(shù)達(dá)38 885 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)41 724個(gè)。模型在礦體走向方向取250 m 長(zhǎng)，5 個(gè)采場(chǎng);垂直深度取500 m，在剖面方向?qū)挾热?00 m。

建模時(shí)，近似按空間周邊影響范圍達(dá)3 ～5 倍空間半徑，在上盤考慮釩礦體及其邊界，下盤考慮適當(dāng)范圍的圍巖，在兩垂直邊界，水平位移為0;在深部水平邊界，垂直位移為0;在垂直與水平邊界的轉(zhuǎn)角處，水平與垂直位移都為0。巖石力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1，采用三維彈塑性有限元程序ANSYS 進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，采用D－P 破壞準(zhǔn)則，參照形成頂柱、間柱時(shí)的初始拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和變形，判定巖體的應(yīng)力和位移變化趨勢(shì)。計(jì)算模型見(jiàn)圖1 所示，圖2 為礦房開挖后垂直走向的剖面圖，圖3 為礦房開挖后沿傾向的剖面圖。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Rock mechanics parameters

2.2 礦房開挖模擬

按照2.1 中邊界條件和巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行賦值，按照實(shí)際的開挖順序，形成礦房、礦柱和頂柱后，其應(yīng)力、位移重新分布，其拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布見(jiàn)圖4，礦柱上的最大拉應(yīng)力為4.86 MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)到17.7 MPa。礦房回采后垂直位移、水平位移分布見(jiàn)圖5，最大水平位移達(dá)到4.3 mm，地表最大垂直下沉為97.5 mm。

2.3 方案一仿真步驟及計(jì)算結(jié)果

圖2 礦房開挖后垂直走向剖面圖Fig.2 Vertical cross-sectional view after excavation

圖3 礦房開挖后沿傾向剖面圖Fig.3 Tendency sectional view after excavation

圖4 礦房回采后拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分布圖Fig.4 The tensile stress and compressive stress distribution after ore recovery

如圖3 所示，首先回采一、二、三中段4#間柱及其兩側(cè)的頂柱，然后回采2#礦柱及其兩側(cè)的頂柱，各計(jì)算步的上盤圍巖的最大應(yīng)力、位移值見(jiàn)表2。

圖5 礦房回采后垂直位移、水平位移分布圖Fig.5 The vertical displacement and horizontal displacement distribution after ore recovery

表2 方案一各計(jì)算步上盤圍巖最大應(yīng)力、位移值Table 2 Maximum stress and displacement value of the upper surrounding rock at each computing step of Scheme 1

2.4 方案二仿真步驟及計(jì)算結(jié)果

從左至右首先開挖第一中段的第2#間柱，再開挖第一中段的第3#間柱，第三步開挖第一中段的第4#間柱，第四步充填第3#間柱，第五步再充填第2#間柱，第六步再充填第4#間柱，各計(jì)算步的上盤圍巖的最大應(yīng)力、位移值見(jiàn)表3。

表3 方案二各計(jì)算步上盤圍巖最大應(yīng)力、位移值Table 3 Maximum stress and displacement value of the upper surrounding rock at each computing step of Scheme 2

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

按照方案一開挖后，上盤圍巖的壓應(yīng)力變化不大，基本保持一致，拉應(yīng)力逐步增大，上盤圍巖垂直位移逐步增大，最大為10.40 mm，充填采空區(qū)后，上盤圍巖位移為10.83 mm。

按照方案二開挖后，隨著第一中段采空區(qū)跨度的增加，上盤的最大拉應(yīng)力逐步緩慢增加，隨著首根間柱的開挖回彈，上盤逐步垂直下移，4#間柱回采結(jié)束后，上盤圍巖下移量達(dá)到17.45 mm，通過(guò)爆破堆積的松石壩支撐上盤，對(duì)上盤的應(yīng)力、位移影響也不明顯。

采用方案一可有效控制上盤圍巖的垂直位移量，最終位移量?jī)H為10.83 mm，而采用方案二開挖上盤圍巖的垂直位移量較大，達(dá)到17.45 mm，二、三中段的礦柱回采，造成上盤圍巖的位移量會(huì)更大，可能會(huì)造成上盤圍巖的垮塌和局部失穩(wěn)，對(duì)礬礦體的安全開采造成影響，綜上所述，方案一可以有效限制上盤向采空區(qū)過(guò)度巖移，因此采用方案一的礦柱回收方案和空區(qū)處理方案。

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)七角井鐵礦下盤鐵礦體和上盤礬礦體的空間賦存關(guān)系，提出了鐵礦體礦柱回收與空區(qū)處理方案。方案一采用間隔間柱抽采法回采礦柱及通過(guò)在礦體下盤布置藥室爆破和上盤深孔削壁爆破充填采空區(qū)的總體礦柱回收及空區(qū)處理方案。方案二從中間向兩側(cè)后退式回收礦柱，間柱全部回收，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)間柱回收完成后，在下盤和上盤同時(shí)立即實(shí)施深孔控制爆破堆筑松石壩支撐上盤處理采空區(qū)。

(2)對(duì)2 種方案按照開挖的先后順序進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，其結(jié)果顯示采用方案一可有效控制上盤圍巖的垂直位移量，最終位移量?jī)H為10.83 mm，而采用方案二開挖上盤圍巖的垂直位移量較大，達(dá)到17.45 mm，可能會(huì)造成上盤圍巖的坍塌，最終確定方案一為礦柱回收和空區(qū)處理方案。

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