罕王傲牛鐵礦三采區(qū)間柱回采方案研究

王 強(qiáng) 胡世利，2 邱景平 邢 軍 孫曉剛

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819；2.撫順罕王傲牛礦業(yè)股份有限公司，遼寧撫順113001）

目前，撫順罕王傲牛礦業(yè)股份有限公司三采區(qū)設(shè)計(jì)開(kāi)采范圍內(nèi)128～134線的主礦體為Fe15和Fe17礦體，按現(xiàn)在的生產(chǎn)規(guī)模開(kāi)采，大約還有一年半的時(shí)間主礦體將全部開(kāi)采完畢。屆時(shí)，將遺留礦柱約107萬(wàn)t，且Fe15、Fe17開(kāi)采礦界下部蘊(yùn)藏部分礦量，下一步將會(huì)對(duì)該采區(qū)進(jìn)行擴(kuò)界設(shè)計(jì)。為延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，最大限度回收資源，需要在對(duì)礦柱進(jìn)行回收利用的同時(shí)，保證下部采場(chǎng)的穩(wěn)定［1］。采區(qū)內(nèi)的礦石、圍巖都比較穩(wěn)固，借鑒類(lèi)似礦山回采礦柱的經(jīng)驗(yàn)，采取上向水平分層充填法回采礦柱，并提出幾種間柱回采方案，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬的方法對(duì)比不同方案的結(jié)果得出優(yōu)選方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工［2］。

1 工程地質(zhì)條件

傲牛鐵礦三采區(qū)主礦體分為370 m、320 m、265 m、215 m 4個(gè)中段，采場(chǎng)上部為露天邊坡，留有一定厚度的保護(hù)頂柱。礦體之前采用分段鑿巖階段礦房法進(jìn)行開(kāi)采形成眾多空區(qū)，由于礦巖的穩(wěn)固性較好，空區(qū)保持穩(wěn)定。礦體殘留礦柱及空區(qū)分布詳見(jiàn)圖1（以Fe15為例）。采場(chǎng)寬度為礦體厚度（平均厚度14 m），頂柱高度8 m，間柱寬度8～16 m。礦床內(nèi)基巖基本屬于堅(jiān)硬的塊狀或?qū)訝罟こ痰刭|(zhì)巖組，巖體較完整，穩(wěn)定性較好，礦巖硬度系數(shù)f=8～14［3］。

2 數(shù)值模型

本次模型在建立時(shí)，定義模型參數(shù)：水平方向1 000 m，豎直方向700 m，寬度取礦體平均厚度14 m。根據(jù)Fe15礦體開(kāi)采現(xiàn)狀，空區(qū)主要分布在4個(gè)中段，需要對(duì)各中段的空區(qū)進(jìn)行充填，待充填體達(dá)到一定強(qiáng)度之后才能回采礦柱［4-5］。初始定義回采礦柱的順序?yàn)閺南轮辽?，本?gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示［6］。

3 采空區(qū)灰砂比的確定

根據(jù)傲牛鐵礦現(xiàn)場(chǎng)的情況，若沿用原有的分段鑿巖階段礦房嗣后充填來(lái)開(kāi)采礦柱，考慮到大規(guī)模充填體的自立穩(wěn)定性以及充填配比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，需要對(duì)原有采空區(qū)按照1∶6的灰砂比、76%的料漿濃度進(jìn)行嗣后充填，而現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)較多，體積較大，勢(shì)必造成總體充填采礦成本很高。為降低傲牛鐵礦充填采礦成本，礦柱回采宜采用上向分層充填方法，此時(shí)礦柱回采按照1∶6的灰砂比、76%的料漿濃度進(jìn)行分層充填，原有采空區(qū)應(yīng)選用低灰砂比進(jìn)行嗣后充填，以大幅降低充填采礦成本。

為此，對(duì)原有采空區(qū)采用1∶6、1∶10、1∶20、水砂充填4種方案進(jìn)行對(duì)比分析，方案見(jiàn)表2，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)比研究確定合理的充填料漿配比［7］。

4個(gè)中段間柱回采時(shí)，先充填空區(qū)，待充填體達(dá)到一定強(qiáng)度（28 d強(qiáng)度）后，采用水平上向分層回采間柱，靠近空區(qū)充填體一側(cè)各留3 m間隔礦柱，以增加空區(qū)充填體的穩(wěn)定性，對(duì)表2中4種方案進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2為充填后主應(yīng)力分布特征?？梢钥闯觯粼O(shè)3 m保護(hù)礦柱對(duì)充填體的穩(wěn)定性起到了良好的促進(jìn)作用，留設(shè)礦柱應(yīng)力集中，且應(yīng)力分布值要遠(yuǎn)大于充填體的應(yīng)力分布值，這是由于礦石與充填體的剛度差異所造成的［8］。由該圖可以看出，4種方案充填體區(qū)域所受應(yīng)力均為拉應(yīng)力0～0.2 MPa，且分布區(qū)域相近，這是由于固體充填體在充滿空區(qū)后，即使受到應(yīng)力發(fā)生破壞，也具有一定的承載能力，這與巖石破壞后的強(qiáng)度很相似［9-10］。方案4水砂充填體拉應(yīng)力極小，這時(shí)容易發(fā)生貫通破壞。

4種方案空區(qū)充填體內(nèi)部最大豎直位移值分別為-16 mm、-22 mm、-30 mm、-6 000 mm，且由圖3塑性區(qū)可以看出，隨著所采用灰砂比越來(lái)越小，充填體的強(qiáng)度也越來(lái)越小，各方面力學(xué)性能降低，受到載荷以后發(fā)生拉、剪塑性區(qū)。由于靠近底柱、間柱處應(yīng)力集中，所以會(huì)優(yōu)先出現(xiàn)塑性破壞區(qū)并貫通，貫通區(qū)域面積越來(lái)越大，方案4塑性破壞區(qū)完全貫通。

由以上應(yīng)力塑性區(qū)分布特征圖（見(jiàn)圖3）對(duì)比分析4種灰砂配比充填空區(qū)時(shí)對(duì)回采間柱的影響，從安全角度考慮，灰砂比越大，采礦安全性越高，這樣會(huì)大幅度增加采礦成本，灰砂比越小，安全性又會(huì)受到限制［11］。故此推薦充填礦房空區(qū)灰砂比為1∶10～1∶20。

4 間柱開(kāi)采方案及模擬結(jié)果分析

傲牛鐵礦原有遺留采空區(qū)均未處理，需要在對(duì)采空區(qū)充填后進(jìn)行間柱回采，回采間柱時(shí)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響因素較多，需要列舉多個(gè)方案進(jìn)行比較，但基于實(shí)際情況，主要考慮開(kāi)采間柱對(duì)充填體穩(wěn)定性影響和降低礦石貧化率2方面，提出表3所示幾種開(kāi)采方案。

對(duì)4種方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析得出如圖4和表4所示。

總體來(lái)看，間柱受兩側(cè)礦房的開(kāi)采影響，出現(xiàn)高應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中部分主要分布在間柱的頂、底兩端，由于埋深較淺，拉應(yīng)力區(qū)域存在但不明顯，不會(huì)對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性造成較大影響。埋深越深的采場(chǎng)應(yīng)力集中越明顯，最大主應(yīng)力高達(dá)36～38 MPa且均為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力，顯示出礦柱對(duì)維護(hù)階段礦房采空區(qū)穩(wěn)定性的重要作用。由于采場(chǎng)所取得工藝參數(shù)較小且礦巖均穩(wěn)固、不破碎，整體豎直方向位移較小，埋深較大采場(chǎng)底板在側(cè)向水平應(yīng)力擠壓作用下產(chǎn)生向上位移，位移速率為1～2×10-8m/s，隨著時(shí)間的累積，空區(qū)采場(chǎng)底部將會(huì)產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。如果不及時(shí)充填采空區(qū)，這種現(xiàn)象也會(huì)影響鄰近采場(chǎng)階段運(yùn)輸巷道的服務(wù)年限，給運(yùn)輸回收間柱礦石帶來(lái)不便［12］。

由圖4可以看出，方案1出現(xiàn)大面積的剪切屈服區(qū)域且貫通，如果上部采場(chǎng)繼續(xù)充填，使下部充填體承壓繼續(xù)增大，將會(huì)引起下部充填體失穩(wěn)而發(fā)生較大的豎直位移，影響間柱回采，大面積的塑性區(qū)是由于上部均布載荷的作用，傳遞應(yīng)力的主應(yīng)力差超出充填的剪切極限［13］；而方案2、3、4只是在靠近頂柱處出現(xiàn)少量拉應(yīng)力塑性區(qū)，說(shuō)明充填體穩(wěn)定性相對(duì)較好。表3說(shuō)明了4種方案回采間柱時(shí)充填體的破壞程度與方式［14］。

綜合分析可知：方案1的礦房充填體很有可能發(fā)生剪切破壞，其他方案由于有未開(kāi)采間柱，礦房充填體與未采間柱有接觸支撐和摩擦的作用，可提高相鄰充填體的穩(wěn)定性，且在考慮盡可能地回收礦石，參考國(guó)內(nèi)礦山實(shí)例及礦巖穩(wěn)定性條件，推薦使用方案3。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合礦山實(shí)際情況，對(duì)膠結(jié)充填材料采用4種不同配比進(jìn)行對(duì)比，分析充填后采場(chǎng)的應(yīng)力分布、塑性區(qū)及位移情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本因素，灰砂比推薦選用1∶10～1∶20。

（2）對(duì)回采時(shí)間柱保留的不同寬度進(jìn)行對(duì)比，在保障安全生產(chǎn)的同時(shí)最大程度地回收資源，綜合考慮充填體的穩(wěn)定性和開(kāi)采的技術(shù)條件，采用靠近礦房充填體間柱保留2 m的間柱回采方案。

礦柱回采在提高回采率，增加經(jīng)濟(jì)效益，建立資源節(jié)約型社會(huì)方面具有重要意義。本研究針對(duì)傲牛鐵礦三采區(qū)空區(qū)充填以及間柱回采提出設(shè)計(jì)方案，可為類(lèi)似礦山提供借鑒和參考。