阿爾哈達(dá)鉛鋅礦728 m中段采空區(qū)頂柱回收方案研究

賈瀚文 周亞博 劉 龍 劉溪鴿 閆保旭(.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)089；.錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 06000)

空?qǐng)霾傻V法不僅遺留了大量的采空區(qū)，形成安全隱患，同時(shí)殘存的頂?shù)字瓦吔堑V造成了資源的浪費(fèi)[1]。如何在保證采空區(qū)安全穩(wěn)定的前提下，進(jìn)行殘礦安全高效回采是國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，學(xué)者們?cè)诳請(qǐng)龇埖V回收技術(shù)上取得了一系列的研究成果。周科平[2]利用3DMINE-MIDAS-FLAC3D軟件耦合的方式，計(jì)算某礦山殘礦回收后圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)變化，以此判別采空區(qū)的穩(wěn)定程度；馬姣陽(yáng)等[3]在柏杖子金礦殘礦回收中提出了多分段與底部雙塹溝協(xié)同拉底的誘導(dǎo)冒落法回采方案；李現(xiàn)區(qū)[4]采用斜面蹬碴落礦采礦方法進(jìn)行殘礦回收；常帥等[5]利用斜進(jìn)路與平底塹溝結(jié)構(gòu)相結(jié)合采礦方法回采空區(qū)下殘礦；王薪榮[6]利用中深孔及束狀孔聯(lián)合整體崩落頂柱與間柱；鄧紅衛(wèi)等[7-10]采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算研究空區(qū)殘礦回采方法。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者在空?qǐng)龇埖V回收方面進(jìn)行了大量的研究，但由于采空區(qū)的高度復(fù)雜性[11]，不同空區(qū)的殘礦回收方法也不盡相同，仍需要根據(jù)不同的地質(zhì)工程情況，進(jìn)行具體殘礦回采方法研究[12-13]。

阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司現(xiàn)已回采結(jié)束的中段有888、848、808、768 m中段，目前主要回采中段為728、688、648、608、568 m中段。728 m中段以下所有采場(chǎng)，均使用充填法開采，728 m中段以上采場(chǎng)基本為空?qǐng)龇ㄩ_采。為了提高資源回收率，選擇7231采場(chǎng)作為試驗(yàn)地點(diǎn)開展頂柱回收采礦方法試驗(yàn)，待試驗(yàn)成功后，推廣至7227采場(chǎng)、7223采場(chǎng)等其他空?qǐng)龇ú蓤?chǎng)頂柱回收。本研究根據(jù)阿爾哈達(dá)鉛鋅礦728 m 中段7231采場(chǎng)頂柱的開采技術(shù)條件，提出中深孔崩落采礦法，并通過FLAC3D數(shù)值模擬驗(yàn)證開采方案的可行性，為阿爾哈達(dá)空區(qū)下頂柱的回采提供了理論依據(jù)。

1 工程概況

7231采場(chǎng)(如圖1)位于728 m中段勘探線31線至35線，礦體走向北西，傾向南西，傾角50°～65°，圍巖多為板巖，呈灰、灰黑色，局部夾有凝灰?guī)r，礦石及圍巖堅(jiān)固性系數(shù)8～10，在礦塊內(nèi)整體未見大的破碎構(gòu)造和節(jié)理，水文情況簡(jiǎn)單，鉛加鋅平均品位3.88%，礦物組成主要以Zn、Pb、Fe為主，呈團(tuán)塊狀、細(xì)脈浸染狀、星點(diǎn)狀，金屬礦物成分主要為方鉛礦、閃鋅礦、自然銀、輝銀礦等。頂柱位于763.4 m～768.4 m標(biāo)高，頂柱厚度5 m，礦體平均厚度3.34 m，沿走向長(zhǎng)度85 m，儲(chǔ)量4 300 t，頂柱上部為7631采場(chǎng)留礦法采后空區(qū)，空區(qū)底部含存窿礦及塌落廢石，頂柱下部為7231采場(chǎng)充填尾砂體(灰砂比1∶6)，膠結(jié)面厚度0.3 m，充填面標(biāo)高760.45 m，作業(yè)面控頂高度2.95 m。采場(chǎng)中部設(shè)人行天井、順路溜井。

圖1 7231采場(chǎng)礦體形態(tài)Fig.1 Shape of No.7231 orebody

2 頂柱回收方案

7231采場(chǎng)頂柱上部為7631采場(chǎng)空?qǐng)龇ú珊罂諈^(qū)，本著穩(wěn)妥、安全、可靠的原則，根據(jù)地質(zhì)條件、工程現(xiàn)狀設(shè)計(jì)采用中深孔崩落法回收頂柱。采場(chǎng)進(jìn)入頂柱回采前的最后分層，按照灰砂比1∶10對(duì)7231采場(chǎng)進(jìn)行充填，充填空頂2.8 m；在充填后的水平開掘至上部中段的鏟運(yùn)機(jī)道，在采場(chǎng)兩翼掘鑿切割天井，炮孔采用垂直扇形布置；回采時(shí)，先對(duì)切割井?dāng)U爆形成切割槽，之后由兩翼后退式逐排爆破落礦，崩落礦石經(jīng)順路溜井運(yùn)出，采場(chǎng)及井巷采用管縫式錨桿+鋼帶+木立柱進(jìn)行支護(hù)。采礦方法如圖2所示。

圖2 采礦方法示意Fig.2 Sketch of mining method1—充填回風(fēng)井；2—人行泄水井；3—礦石溜井；4—上中段出礦穿脈；5—上中段采場(chǎng)脈外運(yùn)輸巷；6—鏟運(yùn)機(jī)斜坡道；7—切割井；8—礦石；9—存隆礦；10—充填體；11—頂柱

2.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)及采切工程

采場(chǎng)沿走向布置，長(zhǎng)100 m，頂柱厚5 m，礦體厚度2～8 m，鏟運(yùn)機(jī)斜坡道處的頂柱(沿走向長(zhǎng)度12 m)不回收，作為永久損失。

采場(chǎng)進(jìn)入頂柱回采前的最后分層充填，確保充填體空頂2.8 m，之后開掘至上部中段的斜坡道，再施工頂柱兩翼端部的切割井，為中深孔落礦提供條件。采準(zhǔn)參數(shù)如表1所示。

2.2 回采工藝

(1)回采順序。采用后退方式，自兩翼向中間溜礦井位置回采崩落頂柱。

表1 采準(zhǔn)參數(shù)Table 1 Preliminary mining parameters

(2)鑿巖爆破。使用QZJ-100B型井下潛孔鉆機(jī)，炮孔直徑100 mm，垂直扇形排列布置，炮孔共計(jì)31排(西側(cè)13排，東側(cè)18排)，正常排距2.2 m，孔底距1.5～2.2 m。切割井處設(shè)有擴(kuò)井炮孔，共4排。

(3)出礦方式。采用1 m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，將崩落的礦石倒入采場(chǎng)順路溜礦井，溜井上設(shè)置格篩，下放至中段水平經(jīng)漏斗放礦，采用7 t電機(jī)車和2 m3礦車運(yùn)出。

(4)通風(fēng)。新鮮風(fēng)流經(jīng)人行井進(jìn)入采場(chǎng)，經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)斜坡道回風(fēng)上中段。

3 FLAC3D數(shù)值模擬研究

針對(duì)上節(jié)提出的頂柱回收方法，采用FLAC3D軟件進(jìn)行初始原巖應(yīng)力的構(gòu)造，開挖、回填采場(chǎng)及回采頂柱，分析頂柱及上下盤應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化規(guī)律，驗(yàn)證頂柱回收方案的可行性。

3.1 模型描述

計(jì)算模型通過ANSYS-FLAC3D耦合建模方式構(gòu)建，模型在突出問題核心的基礎(chǔ)上做了必要簡(jiǎn)化。數(shù)值計(jì)算強(qiáng)度準(zhǔn)則選擇在巖土材料中普遍使用的摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，通過試算最終確定建立模型標(biāo)高自地表948 m至578 m。如圖3所示，坐標(biāo)系以礦體走向?yàn)閆軸，礦體傾向方向?yàn)閄軸，鉛垂方向?yàn)閅軸。計(jì)算模型在X方向上的長(zhǎng)度為350 m，Y方向上的長(zhǎng)度為350 m，Z方向上的高度為300 m，共劃分509 105個(gè)單元，85 475個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 FLAC3D計(jì)算模型Fig.3 FLAC3D calculation model

3.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)前期室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)確定本次分析模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)如表2所列。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of rock mass

3.3 模擬開采分析

按實(shí)際生產(chǎn)情況一步開挖7631采場(chǎng)，下部留5 m底柱；一步開挖7231采場(chǎng)，按灰砂比1∶10對(duì)7231采場(chǎng)進(jìn)行充填至空頂2.8 m；分6步回采頂柱，每步回采后頂柱沿走向長(zhǎng)度分別為80，60，40，30，20，12 m(其中12 m為頂柱殘采最小作業(yè)空間)，如圖4。

圖4 頂柱回采過程Fig.4 Sketch of cap pillar mining process

3.3.1 位移分析

在頂柱走向方向中心處(Z=50 m)設(shè)置剖面分析頂柱回采過程中，不同頂柱長(zhǎng)度(沿走向)時(shí)，圍巖上下盤及礦柱的垂直位移，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，垂直位移在頂柱的上下盤處較大，頂柱回采第6步結(jié)束(即頂柱長(zhǎng)度剩余12 m)時(shí)，上盤最大垂直位移為4.5 mm，下盤最大位移為4.14 mm，垂直方向位移較小，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

3.3.2 塑性區(qū)分析

在頂柱走向方向中心處(Z=50 m)設(shè)置剖面分析頂柱回采過程中，不同頂柱長(zhǎng)度(沿走向)時(shí)，圍巖上下盤及頂柱的塑性變形，數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

頂柱回采過程中塑性變形主要集中在頂柱上部與斜坡道處，當(dāng)頂柱回采至長(zhǎng)度為20 m時(shí)，塑性區(qū)域范圍逐漸變大，整個(gè)頂柱塑性區(qū)域并未貫通，頂柱對(duì)上盤依然起到支撐作用；斜坡道上部塑性區(qū)主要為拉伸破壞，下部塑性區(qū)較小，斜坡道整體結(jié)構(gòu)較為完整，足以保證頂柱回采過程中行車行人安全。

4 結(jié) 論

(1)7231采場(chǎng)礦體較薄、走向長(zhǎng)度大、形態(tài)規(guī)整、頂板圍巖結(jié)構(gòu)完整，且頂柱上部為7631采場(chǎng)留礦法采后空區(qū)，適合于中深孔崩落法回收頂柱。

(2)根據(jù)7231采場(chǎng)工程現(xiàn)狀確定在充填后的760 m水平開掘至上部中段的鏟運(yùn)機(jī)道，在采場(chǎng)兩翼掘鑿切割天井，炮孔采用垂直扇形布置，兩翼后退式逐排爆破落礦，崩落礦石經(jīng)順路溜井運(yùn)出的頂柱回收方案。

(3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，頂柱回收結(jié)束后最大垂直位移出現(xiàn)在礦體上盤為4.5 mm， 塑性區(qū)域范圍隨開采過程逐漸變大，整個(gè)頂柱塑性區(qū)域并未貫通，斜坡道整體結(jié)構(gòu)較為完整，足以保證頂柱回采過程中行車行人安全。

圖6 采場(chǎng)塑性區(qū)Fig.6 Plastic zone of stope

[1] 解世?。饘俚V床地下開采[M]．2版．北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

Xie Shijun.Metal Deposit Underground Mining[M].2nd Edition.Beijing:Metallurgical Industry Press，2011．

[2] 周科平，杜相會(huì).基于3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合的殘礦回采穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2011,21(5):17-22.

Zhou Keping,Du Xianghui.Study on stability of residual ore recovery based on coupling of 3DMINE-MIDAS-FLAC3D[J].China Safety Science Journal,2011,21(5):17-22.

[3] 馬姣陽(yáng)，任風(fēng)玉，曹建立，等.柏杖子金礦多空區(qū)殘礦開采技術(shù)研究[J].金屬礦山，2016(4):20-25.

Ma Jiaoyang，Ren Fengyu，Cao Jianli,et al.Study on mining technology of residual ore in condition of mined-out area in baizhangzi gold mine[J].Metal Mine,2016(4):20-25.

[4] 李現(xiàn)區(qū).復(fù)雜空區(qū)中殘留礦體安全開采技術(shù)的研究與實(shí)踐[J].金屬礦山,2010(6):30-33．

Li Xianqu.Research and practice on safe mining technique of residual ore-body in complex mined-out area [J].Metal Mine,2010(6):30-33．

[5] 常 帥，任鳳玉，李 楠.復(fù)雜多空區(qū)破壞礦體的采礦方法[J].金屬礦山，2014(10):13-17．

Chang Shuai，Ren Fengyu，Li Nan．Mining method of ore-body with multiple mined-out areas [J].Metal Mine， 2014(10):13-17．

[6] 王薪榮.紅嶺鉛鋅礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析[D].沈陽(yáng):東北大學(xué)，2014．

Wang Xinrong.Stability Analysis of Mined-out Area in Hongling Lead-zinc Mine[D].Shenyang:Northeastern University，2014．

[7] 鄧紅衛(wèi)，郭 旺，周科平，等.基于FLAC3D穩(wěn)定性分析的殘礦回采方案研究[J]．金屬礦山，2011(12):18-21．

Deng Hongwei,Guo Wang,Zhou Keping,et al.Residual ore mining program based on FLAC3Dstability analysis [J].Metal Mine,2011(12):18-21．

[8] 趙迎貴，游 勛，岳國(guó)均，等.基于FLAC3D的礦柱回收穩(wěn)定性分析[J]．金屬礦山，2014(8):19-23．

Zhao Yinggui,You Xun,Yue Guojun,et al.Stability analysis of ore pillar recovery based on FLAC3D[J].Metal Mine,2014(8):19-23．

[9] 于世波，崔 松，王湖鑫，等.殘礦柱回收地壓演變及巖體穩(wěn)固性模擬研究[J]．礦業(yè)研究與開發(fā)，2013(4):55-58．

Yu Shibo,Cui Song,Wang Huxin,et al.Numerical simulation and research of ground pressure evolution and rock mass stability for recovering residual ore pillar[J].Mining Research and Development,2013(4):55-58．

[10] 陳光武，鄧金燦.大規(guī)模覆巖下100號(hào)礦體殘礦安全回采技術(shù)[J]．金屬礦山，2009(S1):186-189．

Chen Guangwu,Deng Jincan.Stoping technique of No 100 ore-body under large overburden rock[J].Metal Mine，2009(S1):186-189．

[11] 李俊平，肖俊峰，馮長(zhǎng)根.采空區(qū)處理方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(3):48-54．

Li Junping,Xiao Junfeng,Feng Changgen.Progress in developing methods for dealing with forsaken stope [J].China Safety Science Journal，2012，22(3) 48-54．

[12] 李愛兵，周愛民,尹彥波，等.柿竹園多金屬礦床群空區(qū)條件下的崩落特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008,27(11):2234-2243．

Li Aibing,Zhou Aimin,Yin Yanbo,et al.Research on caving characteristics of Shizhuyuan Polymetallic Mine under multi-mined-out-area conditions[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(11):2234-2243．

[13] 馮盼學(xué)，解聯(lián)庫(kù)，劉建東.多空區(qū)極復(fù)雜大隱患環(huán)境下殘礦安全高效回采技術(shù)研究[J].有色金屬:礦山部分，2013,65(4):5-7．

Feng Panjun,Xie Lianku,Liu Jiandong.Study on safe and efficient mining method of residual ore under complex hazardous situation with goaf groups[J].Nonferrous Metals:Mining Section,2013,65(4):5-7．