阿爾哈達(dá)殘礦回收的研究與應(yīng)用

張恒超

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟 026000）

錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司是一家多金屬礦采、選的現(xiàn)代化礦山企業(yè)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3000t/d。公司主要采用上向充填采礦法進(jìn)行回采，新增采空區(qū)得到了及時(shí)充填處理。

1 礦山地質(zhì)情況

礦區(qū)為一套向北緩傾的單斜構(gòu)，位于額仁高畢復(fù)式向斜北翼造，大氣降水為地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源。礦區(qū)地形地貌條件簡(jiǎn)單，地層巖性單一，巖體質(zhì)量一般，巖石強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，不易發(fā)生工程地質(zhì)問(wèn)題，屬工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單礦區(qū)。

2 頂?shù)字艣r

在頂?shù)字Y源回采方面，部分礦山在治理采空區(qū)的同時(shí)，成功回收了殘留礦柱：湘西金礦通過(guò)人工替換礦柱結(jié)合電耙、鏟運(yùn)機(jī)等方法成功回收殘留礦柱；湖南錫礦和靈鄉(xiāng)鐵礦也根據(jù)自身礦體特征，合理回收地下殘余礦體，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2014年以前，阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司采用空?qǐng)霾傻V法。由此可見(jiàn)阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司頂?shù)字嫉V量比例較大，其安全回收對(duì)資源的充分利用具有十分重要的意義[1]。

3 礦房模型建立

3.1 模型描述

阿爾哈達(dá)礦業(yè)公司以7231采場(chǎng)為研究對(duì)象，利用FLAC3D軟件建模，采場(chǎng)形態(tài)最大限度地保持與真實(shí)地質(zhì)條件一致。根據(jù)礦體賦存條件，分析7231采場(chǎng)頂柱回采過(guò)程中采場(chǎng)應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的變化及規(guī)律及頂柱及上下盤(pán)應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化規(guī)律，確定頂柱的最小預(yù)留長(zhǎng)度。

模擬計(jì)算采用大范圍一次回采及充填的計(jì)算方法，由于在回采步驟設(shè)置上不能與實(shí)際采礦活動(dòng)完全吻合，在對(duì)計(jì)算結(jié)果不造成實(shí)質(zhì)影響的前提下，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算程序。

3.2 力學(xué)參數(shù)

分析模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)表

3.3 強(qiáng)度準(zhǔn)則

FLAC3D具有強(qiáng)大的模擬巖土材料的結(jié)構(gòu)模型及本構(gòu)模型，提供了十余種基本的本構(gòu)模型，分別歸類(lèi)到彈性模型、塑性模型和零模型之中。摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型能夠很好的描述巖體以及充填體的變形特性；零模型通常用來(lái)表示被移除或開(kāi)挖掉的材料。摩爾-庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞：

式中σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，拉應(yīng)力為正；c，分別是粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs＞0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度極低，進(jìn)而可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則（σ3≥σT）判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

3.4 開(kāi)采方案

根據(jù)前期可行性研究及以往采場(chǎng)頂柱回收的實(shí)例，總體順序?yàn)椋翰蓤?chǎng)進(jìn)入頂柱回收前的充填階段時(shí)，確保充填體空頂高度2.8m，而后施工至上部中段的鏟運(yùn)機(jī)聯(lián)絡(luò)巷道、頂柱兩翼端部的切割井，為中深孔落礦創(chuàng)造條件；自兩翼切割井向中間溜礦井位置后退式回采頂柱。本次模擬主要是研究頂柱圍巖的變化，確定頂柱回采后沿走向最小長(zhǎng)度，故擬定模擬方案如下：依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況回采7631采場(chǎng)，下部留5.5米底柱；采用灰砂比為1:10的充填料對(duì)7231采場(chǎng)進(jìn)行充填至空頂高度2.8m；分步回采頂柱，每步回采后頂柱沿走向長(zhǎng)度分別為80m、60m、40m、30m、20m、12m。

4 模擬開(kāi)采結(jié)果分析

（1）最大主應(yīng)力分析。隨著回采過(guò)程的推進(jìn)，頂柱在圍巖上盤(pán)2m范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)頂柱沿走向長(zhǎng)度為12m時(shí)，最大壓應(yīng)力為43.97MPa，頂柱上下盤(pán)范圍內(nèi)所受壓應(yīng)力在20～25MPa，不同長(zhǎng)度頂柱最大主應(yīng)力分布情況基本相同，圍巖結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

（2）塑性區(qū)分析。采場(chǎng)頂柱在回收過(guò)程中其塑性變形主要集中在鏟運(yùn)機(jī)斜坡道及頂柱上部，當(dāng)頂柱回采長(zhǎng)度達(dá)20m時(shí)，塑性區(qū)域范圍逐漸增大；鏟運(yùn)機(jī)斜坡道上部塑性區(qū)破壞形式主要為拉伸破壞，下部塑性區(qū)較小，鏟運(yùn)機(jī)斜坡道整體結(jié)構(gòu)依舊較為完整。

（3）垂直位移分析。采場(chǎng)頂柱的上下盤(pán)處垂直位移較大，當(dāng)頂柱回采至長(zhǎng)度達(dá)12m時(shí)，上盤(pán)最大垂直位移為4.5mm，下盤(pán)最大位移為4.2mm，垂直方向位移較小，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

5 頂柱回采方案設(shè)計(jì)

（1）工程現(xiàn)狀。頂柱上部為尾砂膠結(jié)充填體構(gòu)成的人工假底，總厚度1.6m。頂柱厚5m～6m，本采場(chǎng)使用上向充填法回采，礦體厚度2m～15m，傾角40°～75°。

（2）采場(chǎng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)。采場(chǎng)沿走向布置，長(zhǎng)度為60m～100m，頂柱厚度為5.5m，礦體厚度為3m～15m，采用進(jìn)路法回收頂柱，進(jìn)路沿走向布置，分兩個(gè)分層進(jìn)行回采，每層的進(jìn)路規(guī)格（2.5m～3.0m）×（2.5m～3.0m），進(jìn)路數(shù)量依據(jù)礦體厚度確定，進(jìn)路自礦體上盤(pán)向下盤(pán)逐條進(jìn)行回采。

（3）采準(zhǔn)工程。采場(chǎng)進(jìn)入頂柱回收前的最后分層準(zhǔn)備充填時(shí)，要求充填接頂密實(shí)，并完成至上部中段穿脈的鏟運(yùn)機(jī)斜坡道工程，鏟車(chē)斜坡道與原礦石溜井緊鄰。

（4）回采。①上部中段對(duì)應(yīng)的采場(chǎng)必須完全回采結(jié)束后，才可進(jìn)行本頂柱回收；②鑿巖爆破：采用YT-28氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖，爆破使用巖石粉狀乳化炸藥，電起爆器引爆，導(dǎo)爆管毫秒微差起爆；炮孔水平布置，釬桿長(zhǎng)度2.0m，炮孔深度1.8m～2.0m，炮孔間、排距0.6m～1.0m，光面爆破或輪廓炮眼的間距不大于0.6m；③出礦：采用1m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，將崩落的礦石倒入采場(chǎng)溜礦井，下放至采場(chǎng)運(yùn)輸穿脈巷，采用7t電機(jī)車(chē)和2m3礦車(chē)運(yùn)出采場(chǎng)；④充填：充填管道經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)斜坡道進(jìn)入采場(chǎng)，采用分級(jí)尾砂膠結(jié)接頂充填，灰砂比1：6～1：10；⑤人行：人員從人行泄水井、鏟運(yùn)機(jī)斜坡道進(jìn)入采場(chǎng)；⑥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，必要時(shí)增加局扇通風(fēng)；⑦注意事項(xiàng)：在頂柱的第二層回收時(shí)，因緊鄰上部人工假底，回采進(jìn)路斷面規(guī)格嚴(yán)格控制，必要時(shí)增加配套的支護(hù)措施。

6 結(jié)論

通過(guò)建立尺寸為礦體走向長(zhǎng)300m，傾向長(zhǎng)350m，深度350m的數(shù)值模型，分析頂柱回采過(guò)程中上下盤(pán)圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化規(guī)律，在確保安全同時(shí)盡可能擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益，確定頂柱的最小預(yù)留長(zhǎng)度為12m，即最小作業(yè)空間。頂柱最小預(yù)留長(zhǎng)度為12m時(shí)，采場(chǎng)最大主應(yīng)力為43.97MPa，最大垂直位移4.5m，采場(chǎng)塑性區(qū)范圍較小，以拉伸破壞為主，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定?；跀?shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)了安全、高效的頂柱回采方案。