大團山礦床盤區(qū)礦柱回采技術(shù)研究

黃浩輝

(銅陵有色金屬集團控股有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031)

大團山礦床盤區(qū)礦柱回采技術(shù)研究

黃浩輝

(銅陵有色金屬集團控股有限公司冬瓜山銅礦, 安徽 銅陵 244031)

隨著-580m以上礦段即將開采完畢，為準(zhǔn)備接續(xù)與合理利用資源，需要進行盤區(qū)礦柱回采技術(shù)研究。針對Ⅳ號盤區(qū)31A和35勘探線處寬度均為30m的儲量豐富且利用價值高的礦柱，通過理論分析與數(shù)值模擬，確定35#礦柱從-490m往下開始回采寬度不超過23m，31A#礦柱在Ⅲ盤區(qū)充填前的回采寬度為10m，采用1∶6～1∶10膠結(jié)充填后回采兩邊各留5m厚礦體的回采方案。從現(xiàn)場的效果來看，礦柱回采后應(yīng)力及位移均在安全范圍，開采區(qū)域應(yīng)力條件良好，無明顯的圍巖開裂及垮冒等發(fā)生，該開采方案對盤區(qū)礦柱的回收起到了重要作用。

盤區(qū)礦柱； 數(shù)值模擬； 回采； 塑性區(qū)

1 前言

隨著礦體回采的不斷進行，開采技術(shù)條件簡單的礦產(chǎn)越來越少，目前國內(nèi)外許多礦山都逐步進入二步驟或三步驟的礦柱及殘礦的清點回收，然而礦柱回采面臨許多復(fù)雜的技術(shù)與經(jīng)濟問題，為合理確定各個開采技術(shù)指標(biāo)，需要進行大量而詳細(xì)的技術(shù)研究，因此關(guān)于礦柱及殘礦開采方面的課題也越來越多[1～7]。本研究中冬瓜山銅礦大團山礦床為獅子山礦田內(nèi)的一個中型規(guī)模的銅礦床，為東、西獅子山礦床采礦生產(chǎn)的接替礦床，現(xiàn)大團山礦體有4個生產(chǎn)中段和3個開拓中段，生產(chǎn)能力為1 800t/d。隨著-580m以上礦段開采工作即將完成，為了加強礦產(chǎn)資源的利用，盤區(qū)礦柱回采已經(jīng)提上近期的生產(chǎn)計劃。本研究主要考慮Ⅳ號盤區(qū)礦柱回采，Ⅳ盤區(qū)在31A勘探線和35勘探線處垂直礦體走向各留設(shè)一連續(xù)礦柱，兩礦柱在-580m中段以上沿礦體走向?qū)捑s為30m，礦柱厚度即為礦體厚度，儲量豐富且可靠，有很大的回采利用價值[8～11]。根據(jù)冬瓜山銅礦大團山礦床各礦段的生產(chǎn)現(xiàn)狀，在盤區(qū)礦柱回采之前，為保證安全合理的開采，除采用相關(guān)技術(shù)措施外，有必要對兩盤區(qū)礦柱及兩翼礦床的采空區(qū)進行穩(wěn)定性研究，為最大限度地安全回收礦柱提供技術(shù)支持。

2 大團山礦床礦巖條件及開采現(xiàn)狀

2.1 礦床礦巖條件

通過對大團山礦段-580m以上塊段巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大團山礦床所處地塊比較穩(wěn)定，新構(gòu)造活動不明顯，礦床附近構(gòu)造為斷裂不發(fā)育的簡單單斜構(gòu)造，受區(qū)域構(gòu)造控制，礦區(qū)深部主應(yīng)力方向為北東—南西向，但淺部的主應(yīng)力方向有所變化。從礦床類型、開采條件來看具有類比性，獅子山礦床坑道所穿過的圍巖除有重要工程設(shè)施和大的構(gòu)造破碎帶采用混凝土砌襯和木支護外，其他皆不支護，無片幫、冒頂現(xiàn)象發(fā)生，穩(wěn)定性良好。從-580m中段以上巖體結(jié)構(gòu)分類來看，以塊狀和層狀結(jié)構(gòu)為主，而且層面通過后期的變質(zhì)、蝕變結(jié)合力強，巖體CSIR綜合分類亦表明巖體具有中等—良好的穩(wěn)定性。對于侵入巖與圍巖的接觸帶，蝕變較為嚴(yán)重或有Ⅲ級結(jié)構(gòu)面(較大斷層)出現(xiàn)的部位，其巖體穩(wěn)定性較差，當(dāng)其與節(jié)理組合時，容易出現(xiàn)巖體冒頂和垮落[12～13]。由上可知，大團山礦床的礦巖硬度大、力學(xué)強度高，巖體結(jié)構(gòu)簡單、完整性較好，圍巖巖體評價質(zhì)量好，分級類型為Ⅱ類，這為Ⅳ號盤區(qū)礦柱的開采提供了良好的條件。

2.2 礦床開采現(xiàn)狀

目前Ⅰ盤區(qū)、Ⅱ盤區(qū)和23#礦柱開采已結(jié)束，在21線至27線留有約62萬m3的空區(qū)。Ⅲ盤區(qū)因礦體傾角在-520m變化大，分為兩部分大孔落礦開采，即分別在-527m和-565m布置底部結(jié)構(gòu)，在-520m礦體傾角變化較大處留有寬20m的垂直礦柱將上下分開，空區(qū)體積約12.6萬m3。Ⅳ、Ⅴ盤區(qū)均垂直走向布置，其中Ⅳ盤區(qū)已回采完畢進行膠結(jié)充填，Ⅴ盤區(qū)正在回采。大團山礦段在-580m中段的采準(zhǔn)設(shè)計中，根據(jù)采礦需要留設(shè)有盤區(qū)間柱。Ⅱ～Ⅴ盤區(qū)之間均留有寬30m礦柱。Ⅲ盤區(qū)與Ⅳ盤區(qū)之間在31A勘探線的位置留設(shè)了約30m的盤區(qū)間柱，即31A#礦柱。Ⅳ盤區(qū)與Ⅴ盤區(qū)之間在35勘探線的位置留設(shè)了約30m的盤區(qū)間柱，即35#礦柱。目前，Ⅴ盤區(qū)正在進行回采，Ⅳ盤區(qū)正在進行1∶6的尾砂膠結(jié)充填，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況并考慮經(jīng)濟效益，對31A#礦柱和35#礦柱進行部分回采。

3 礦柱回采后的穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模擬范圍及參數(shù)

對31A#與35#礦柱進行部分回采會加大采空區(qū)的走向長度，使空區(qū)長軸方向更長，將會減少礦柱有效荷載體積，惡化頂板受力環(huán)境，必然引起盤區(qū)礦柱以及空區(qū)周圍巖體力學(xué)狀態(tài)的相應(yīng)變化。通過數(shù)值模擬分析，礦柱部分回采后較礦柱未回采前的初始狀態(tài)采空區(qū)頂板會出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，且拉應(yīng)力區(qū)大小與范圍均會隨著開采寬度的增加而增加，礦柱局部區(qū)域則出現(xiàn)剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力值接近或超過圍巖的抗剪強度。這表明礦柱可能處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，極容易受外界不利因素的影響而發(fā)生破壞。為了研究礦柱回收的可行性，采用巖石力學(xué)數(shù)值模擬分析的方法分別對回采方案進行穩(wěn)定性分析。

考慮到Ⅳ盤區(qū)空區(qū)進行了1∶6的尾砂膠結(jié)充填處理，能在一定程度上改善礦柱的受力情況，計算礦柱上部荷載時可適當(dāng)放寬。31A#礦柱負(fù)擔(dān)的覆蓋巖層范圍，空區(qū)走向方向礦柱南部取45m，礦柱北部取35m，此范圍內(nèi)空區(qū)平均跨度為16～78m，考慮到該礦柱內(nèi)20m寬的垂直礦柱及斜礦柱的存在，故負(fù)荷可取30m，頂板厚度平均為580m；35#礦柱負(fù)擔(dān)的覆蓋巖層范圍，空區(qū)走向方向礦柱的南部可適當(dāng)放寬到30m，礦柱北部取25m，此范圍內(nèi)空區(qū)平均跨度為22～92m，考慮到有垂直礦柱存在，負(fù)荷平均可取25m，頂板厚度平均為620m，其它參數(shù)不變。

3.2 模型建立

本次建模為三維模型，選取ANSYS軟件建立實體模型，劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D中進行運算。其中模型X方向為沿礦體傾向方向(西—東)，Z方向為礦體走向(南—北)，Y方向為鉛直方向。建立模型時，XY剖面分別選取27線、31A線、35線、39線勘探線剖面圖，XZ剖面分別選取-460m平面、-520m平面、-565平面、-630m平面及-670m平面。模型Y方向底部由-670m平面下推200m，X方向由礦柱最近端分別外推約100m，Z方向由27線和39線分別向外推200m和150m。固定以上5個邊界的位移和速度，礦柱實體模型示意圖如圖1，整體模型如圖2所示。

圖1 礦柱三維實體模型示意圖

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

3.3 礦柱回采數(shù)值模擬分析

3.3.1 35#礦柱回采數(shù)值模擬結(jié)果分析

對35#礦柱15m回采數(shù)值模擬可以看出，隨著礦柱的開挖，原巖應(yīng)力得到釋放，不管是沿礦體傾向還是沿礦體走向，拉應(yīng)力與剪應(yīng)力區(qū)大小與范圍都出現(xiàn)了較大程度的增長，尤其是空區(qū)頂柱層中，拉應(yīng)力區(qū)已經(jīng)從空區(qū)上方圍巖中蔓延到礦柱上方，最大拉應(yīng)力值達(dá)到2.70MPa，出現(xiàn)在Ⅲ盤區(qū)31A#礦柱附近頂板層中，對于35#礦柱15m回采，無論是從水平剖面上還是從空區(qū)剖面及礦柱內(nèi)部剖面上觀察，大面積失穩(wěn)的可能性都不大，故該方案是可行的。

在礦柱15m回采可行的情況下，從經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，進一步加大回采寬度，即進行35#礦柱20m回采可行性研究。從35#礦柱20m回采后Ⅴ盤區(qū)空區(qū)剖面應(yīng)力位移云圖看出，頂板拉應(yīng)力區(qū)的范圍有所擴大，最大值達(dá)到2.90MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)到30.1MPa，出現(xiàn)在預(yù)留垂直礦柱中，剪應(yīng)力集中區(qū)分布在空區(qū)腰部，最大值達(dá)到6.64MPa，礦柱外表局部區(qū)域出現(xiàn)高剪應(yīng)力集中，可能會帶來一定范圍的塑性破壞，但破壞區(qū)并未貫通礦柱，故該方案是可行的。

礦柱25m回采后數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著35#礦柱25m開挖后，相對于20m回采，頂柱層中應(yīng)力位移狀況變化很小，最大剪應(yīng)力僅增加了0.03MPa，大小主應(yīng)力僅增加了0.01MPa，位移變化不足10mm，如果僅從礦柱內(nèi)部受力來看，反而比20m方案還要好，但位移量突然發(fā)生劇烈變化，表明此時礦柱已經(jīng)難以獨立承擔(dān)荷載，需依靠圍巖和所預(yù)留垂直礦柱來轉(zhuǎn)移并負(fù)擔(dān)應(yīng)力，只要在回采過程中及時采取相關(guān)安全措施，保障回采工作的安全進行，該方案在一定程度是可行的。從35#礦柱30m回采后數(shù)值模擬結(jié)果看出，最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.27MPa，已經(jīng)接近巖體極限抗拉強度，空區(qū)腰部的剪應(yīng)力集中區(qū)最大剪應(yīng)力達(dá)到7.31MPa，已經(jīng)達(dá)到巖體極限抗剪強度，故該方案難以滿足安全要求。

3.3.2 31A#礦柱回采數(shù)值模擬結(jié)果分析

由31A#礦柱10m回采后數(shù)值模擬結(jié)果可知，頂柱層中最大拉應(yīng)力達(dá)到3.34MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)到36.6MPa，盡管有垂直礦柱的存在，空區(qū)頂板仍然布滿了拉應(yīng)力，且最大值也超過了3MPa，達(dá)到3.19MPa，最大剪應(yīng)力達(dá)到了6.9MPa，而從各個剖面的位移情況來看，未見明顯的異常產(chǎn)生，雖然個別應(yīng)力偏高，但并未達(dá)到極限強度，故該方案是可行的。

從31A#礦柱15m回采后數(shù)值模擬結(jié)果可知，15m回采后頂柱層中應(yīng)力值進一步加大，最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.49MPa，已經(jīng)非常接近本次模擬預(yù)設(shè)礦體抗拉強度，頂板層中拉應(yīng)力高達(dá)3.55MPa，幾乎達(dá)到極限抗拉強度，最大剪應(yīng)力高達(dá)7.38MPa，已經(jīng)超過了巖體極限抗剪強度，故該方案難以滿足安全回采的要求。

為研究31A#礦柱最大回采的可行性，在充填Ⅲ盤區(qū)的情況下，繼續(xù)運用數(shù)值模擬手段進行研究。從Ⅲ盤區(qū)膠結(jié)充填后31A#礦柱回采數(shù)值模擬結(jié)果云圖來看，主要威脅來源仍然是拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到3.44MPa，已經(jīng)接近極限抗拉強度3.7MPa。從盤區(qū)充填體剖面情況看，最大位移量在170mm左右，但從周圍圍巖的情況來看圍巖位移量較小，且受力狀況較為良好，最大拉應(yīng)力為1.07MPa，最大剪應(yīng)力為4.67MPa左右，均未超過極限強度。從礦柱剖面來看，位移量數(shù)值分布合理均勻，無明顯突變產(chǎn)生，最大剪應(yīng)力為6.02MPa，最大拉應(yīng)力為1.91MPa，最大壓應(yīng)力為30.5MPa，均未超過極限強度。從空區(qū)剖面來看，壓應(yīng)力達(dá)到了41.9MPa，這應(yīng)該是整個大團山礦柱回采中產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力。

4 結(jié)語

綜上所述，一方面從數(shù)值分析結(jié)果可知，回采過程能及時采取必要安全措施的情況下，若35#礦柱從上到下全部回采，25m回采寬度方案位移過大，表明礦柱內(nèi)部塑性破壞激烈，有一定的風(fēng)險，建議回采寬度為20m。若35#礦柱從-490m往下開始回采，可回采25m，另一方面考慮到前面巖石力學(xué)理論分析25m回采是不可行的，故推薦可回采寬度不超過23m(取20～25m中間值)。

對于31A#礦柱而言，其兩側(cè)形成了兩個較小的拉應(yīng)力區(qū)，很好地避免了拉應(yīng)力區(qū)的傳遞和擴大，從數(shù)值模擬結(jié)果來看，受剪應(yīng)力的提高影響較大，在某些剪應(yīng)力集中部位會出現(xiàn)壓碎破壞，且礦柱臨空區(qū)暴露面均出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū)，但由于充填體力學(xué)作用，礦柱受力狀況得到改善，充填前15m回采寬度方案中的個別受力已經(jīng)超過了圍巖極限強度，該方案具有一定的風(fēng)險，故充填前建議回采寬度為10m，對于充填后的回采，經(jīng)過數(shù)值模擬，兩邊各預(yù)留5m的間柱后受力狀況較為良好，能滿足安全回采要求，故充填后回采寬度為20m。

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Research of panel pillar stoping in Datuanshan deposit

As the mining of above -580m ore block will be finished, and for the preparation of succeeded and rational use of resources, the panel pillar stoping technology was researched. Aiming at the 30m pillar at 31A and 35 prospecting line,Ⅳ panel, which has abundant reserves and high use value, through theoretical analysis and numerical simulation, the stoping scheme was determined that the mining width of No.35 pillar down from -490m is not more than 23m, and the stoping width of No.31A pillar is 10m before the third panel filling, and keep 5m thick orebody on each side of stoping after cemented filling with 1∶6～1∶10 cement-sand ratio. The spot effect was that the stress and displacement were in safe range after pillar stoping, and the stress condition in mining area was good, no obvious surrounding rock cracking and collapse. The mining method played an important role in panel pillar stoping.

panel pillar; numerical simulation; stoping; plastic zone

TD853.391

A

2017-02-26

黃浩輝(1975-)，男，安徽桐城人，采礦高級工程師，從事采礦工程及巖石力學(xué)研究工作。

1672-609X(2017)03-0020-04