金川二礦區(qū)1 000 m中段水平礦柱形成及回采技術研究

汪小平，程國龍，李建東，康隴平，程國祥

(金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

水平礦柱是多中段同時回采的產(chǎn)物，礦柱的留設對采場的穩(wěn)定性至關重要，礦體開采過程中頂部需要一個保護層，既要確保整體穩(wěn)定性，又要確保采空區(qū)穩(wěn)定性，水平礦柱充當此角色，承載采場及空區(qū)[1-2]。但是，隨著開采深度增大，中段之間的礦柱越來越薄，水平礦柱變薄勢必造成應力的集中，隨應力集中程度加大，礦柱會逐步破壞，回收難度增大，資源浪費嚴重，甚至導致井下作業(yè)人員嚴重傷亡事故[3-4]。

金川二礦區(qū)1#礦體1 000 m和850 m兩中段同時開采，1 000 m中段現(xiàn)已揭露的礦巖節(jié)理裂隙更發(fā)育、圍巖穩(wěn)定性更差，裂隙水較上部豐富，采場地壓顯現(xiàn)將更加劇烈。1 000 m中段的開采現(xiàn)已對850 m中段的回采產(chǎn)生了明顯的應力集中，從1 038 m分段回采現(xiàn)狀可知，1 000 m水平巷道現(xiàn)已頻發(fā)嚴重的冒頂片幫、底鼓、蠕變變形破壞等強烈的地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。當1 000 m水平運輸?shù)劳耆茐膹U棄時，1 000 m中段底部將無運輸平面，而1 000 m中段水平礦柱是1 018 m分段回采結束后的接替分段工程，是二礦區(qū)保證連續(xù)高產(chǎn)的有力保證。按照目前二礦區(qū)采掘關系，水平礦柱回采應盡快合理建設，以確保后續(xù)生產(chǎn)的順利銜接。

1 二礦區(qū)1 000 m中段水平礦柱回采現(xiàn)狀

近年來，二礦區(qū)的礦石產(chǎn)量維持在400萬t以上，1 150 m中段盤區(qū)消失后，1 000 m中段和850 m中段的生產(chǎn)壓力不斷增加，作為二礦區(qū)當前的主力生產(chǎn)中段，近年來1 000 m中段的年均出礦量達到了234萬t，實現(xiàn)了滿負荷生產(chǎn)。1 000 m中段僅剩余底部水平礦柱986～1 008 m段礦體，按照當前的回采速度，1 000 m中段各盤區(qū)預計在2021年7月將完全轉入1 018 m分段。

二礦區(qū)目前的開拓方法為“豎井+斜坡道”，采用機械化下向分層水平進路膠結充填采礦法，主要回采位于6行至25行之間的礦體，根據(jù)礦體賦存條件劃分盤區(qū)，目前主要開采中段為1 000 m中段和850 m中段，1 000 m中段已經(jīng)完成1 138 m分段至1 058 m分段共5個分段的回采，目前主要回采1 038 m分段共8個盤區(qū)(FC、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅷ盤區(qū))和1 018 m分段共一個盤區(qū)(Ⅶ盤區(qū))，剩余1 000 m中段底部水平礦柱986～1 008 m段礦體。目前，1 018 m分段工程正在緊張有序的進行后續(xù)轉段盤區(qū)的建設之中，按照當前的回采速度，1 000 m中段各盤區(qū)預計在2019年年底開始相繼轉入1 018 m分段，2021年7月將完全轉入1 018 m分段。850 m中段包含7個盤區(qū)，主要回采978 m分段，且Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ盤區(qū)要超前一個分層回采。另外，958 m分段正在進行第一個分層巷道的施工。整體開采縱投影圖如圖1所示。

圖1 二礦開采縱投影圖Fig.1 Longitudinal projection of the second mining

2 1 000 m中段水平礦柱形成數(shù)值模擬

大傾角和厚礦體在多個中段同時回采時，如果在充填過程中接頂情況較差，水平礦柱必然會形成。以二礦區(qū)1 000 m中段和850 m中段同時回采模式為例，隨著1 000 m中段剩余礦體垂直厚度越來越薄，頂部充填體越來越厚，水平礦柱逐漸形成[3]。

2.1 幾何模型建立

數(shù)值模擬的關鍵點來源于二礦區(qū)1#礦體各勘探線地質橫剖面圖以及各分段采礦工程設計圖，如圖2所示，按照金川二礦區(qū)工程實際，將各分段剖面圖和平面圖關鍵點提取，再經(jīng)過坐標變換，得到礦山完整的關鍵點數(shù)據(jù)，最終建立起了礦山的數(shù)值模型。

圖2 勘探線剖面關鍵點獲取圖(單位：m)Fig.2 Acquisition map of key points in the section of the survey line

1)建模區(qū)域選擇：本文采用FLAC3D軟件進行數(shù)值分析研究，幾何模型在豎直方向(Z軸)范圍：500 m～地表(地表大概高程為1 740 m)；模型在Y軸方向即沿礦體走向方向范圍：4～26行線為中心向兩側共計擴展2 500 m；模型在X軸方向以礦體為中心向上下盤擴展共計2 500 m。整個模型大小為2 500 m×2 500 m×1 240 m。

2)模型邊界與破壞準則：本次數(shù)值模擬采用摩爾-庫侖屈服準則，頂部采用自由邊界，將重力加速度設置為-9.81 m/s2，四周和底部采用位移約束(Fix)。礦巖和充填體的破壞主要表現(xiàn)為彈塑性破壞。

3)建立FLAC3D有限差分法幾何模型：礦山開采前的矩形有限差分幾何模型如圖3所示，水平礦柱見圖4，本次建?？傆? 792 326個節(jié)點，基本單元總計923 538個，其中六面體186 524個，楔形體186個，金字塔體35 234個，四面體701 254個。

圖3 模型圖Fig.3 Model diagram

圖4 1 000 m中段水平礦柱圖Fig.4 Horizontal mine pillars of 1 000 m middle section

2.2 數(shù)值模型初始狀態(tài)

數(shù)值模型建立完成之后，對模型中不同巖性材料賦予礦巖巖體力學參數(shù)，施加相應的地應力場和模型邊界約束條件，運算至收斂(最大不平衡力為1×10-5為止)。施加初始條件至應力平衡后模型主應力等值云圖如圖5所示。

圖5 初始條件應力等值云圖Fig.5 Stress contour map under initial conditions

2.3 數(shù)值模擬結果分析

雙中段同時下向回采充填，對開采過程中1 000 m中段水平礦柱進行立體開采效應分析，即分別對每兩個分層開采充填完畢時的塑性區(qū)域分布情況進行詳細的分析。隨著開采水平下降，水平礦柱也逐漸變薄，當垂直厚度減為28～20 m之間時，1 000 m水平出現(xiàn)了較大范圍的破壞區(qū)域，礦柱垂直厚度在減為36 m之前時，幾乎未出現(xiàn)大的塑形區(qū)域，綜上所述本次模擬分析重點關注水平礦柱厚度在36～10 m之間，即礦柱塑性破壞區(qū)三維分析主要分析礦柱厚度為36、28、20、12 m(見圖6～9)。

圖6 水平礦柱厚度36 mFig.6 Horizontal pillar thickness of 36 m

圖7 水平礦柱厚度28 mFig.7 Horizontal pillar thickness of 28 m

圖8 水平礦柱厚度20 mFig.8 Horizontal pillar thickness of 20 m

圖9 水平礦柱厚度12 mFig.9 Horizontal pillar thickness of 12 m

分析塑性區(qū)隨著兩中段之間礦體變薄過程可知：在水平礦柱厚度為36～28 m左右時，塑性破壞區(qū)區(qū)域較小，貫通至1 000 m中段分布少；但在水平礦柱厚度為20 m以下時，塑性破壞區(qū)區(qū)域明顯增大，擴展到整個礦體中部。

1 000 m中段與850 m雙中段同時大面積連續(xù)開采過程中，臨時水平礦柱大于44 m時較穩(wěn)固；小于36 m時，塑性區(qū)接近50%。結合礦區(qū)1 150 m中段和1 000 m中段同時開采過程中，1 150 m中段水平礦柱在整體塑性破壞后回采的生產(chǎn)實踐，留設長期礦柱已沒有意義。

3 水平礦柱回采方案研究

借鑒國內(nèi)外關于水平礦柱回收方法研究的專業(yè)文獻[5-6]，結合二礦區(qū)生產(chǎn)實際，制定了針對1 000 m水平礦柱的回收方案，以1 000 m水平上盤沿脈運輸?shù)雷鳛榉侄蔚馈?78 m水平新掘礦石運輸?shù)溃瑢⒎侄蝿澐譃闁|、西部兩個獨立的回采單元，最大限度地避開了現(xiàn)有在用的重點工程，保障了二礦區(qū)安全生產(chǎn)和出礦任務在后續(xù)中段銜接過程中有序進行。

1)采準工程布置

受已開鑿的溜井、風井、管纜井等工程的限制，以及最大限度地利用1 000 m水平運輸?shù)罍p小掘進工程量，分段道工程可適時選擇全部利用1 000 m上盤沿脈運輸?shù)篮拖卤P沿脈運輸?shù)兰安糠殖龅V道。

(1)利用本方案時1 018 m分段按設計回采五層，1 000 m分段回采五層。

(2)按照目前1 000 m水平上盤沿脈運輸?shù)婪敌揞l率和周圍巖石情況看，1 000 m水平上盤沿脈運輸?shù)琅c各穿脈出礦道岔口和1 000 m水平上盤沿脈運輸?shù)?1#出礦道至2#出礦道)巖石較差、變形較快，后續(xù)需要特殊加強支護(鋼管梁/鋼筋砼/長錨索)，其他預留區(qū)域至少必須采用雙層噴錨網(wǎng)+U36鋼拱架+錨注支護。

2)分段通風

(1)1 000 m分段道(目前1 000 m水平上盤沿脈運輸?shù)?繼續(xù)利用1 000 m中段通風系統(tǒng)，分段西利用FA2″進風井(1 150～1 000 m)，分段東進風利用FA1″進風井(1 150～1 000 m)，將新鮮風流引入分段巷道，從而進入盤區(qū)采場，再由1 050 m副中段進入14行回風井。

(2)978 m水平運輸?shù)劳L

978 m水平運輸?shù)阑〞r期的新鮮風流經(jīng)18行副井進入，采用局扇及風筒加強通風。投入使用后新鮮風流經(jīng)18行副井進入，經(jīng)978 m水平運輸?shù)劳ㄟ^通風排污小井和通風小井排至998 m分段道，再進入采場，通過1 050 m副中段進入14行回風井排至地表。

3)分段礦石運輸

998 m分段道(即1 000 m水平上盤沿脈運輸?shù)?新掘溜井聯(lián)絡道并施工溜井(1 000～978 m)，并且在978 m新掘礦石運輸?shù)? 138.5 m，978 m至1 000 m礦石運輸?shù)来胧┬逼碌?02 m，即采場礦石→分段溜井→978 m分段礦石運輸?shù)馈?78至1 000 m礦石運輸?shù)馈行牧锞?50 m水平有軌卸礦站旁側的卸礦溜槽中。

利用本方案可安全高效地回收1 000 m中段底部水平礦柱，最大限度地回收礦石資源，為1 000 m中段水平礦柱的安全高效回采提供技術支撐與保障，有利于二礦區(qū)的生產(chǎn)組織的有序銜接。

4 結論

1)本文根據(jù)金川二礦區(qū)1 000 m、 850 m中段開采現(xiàn)狀，建立起了礦山的數(shù)值模型，模擬水平礦柱隨著開采深度變化的形成過程，得出當兩中段之間礦體垂直厚度小于36 m時，塑性區(qū)接近50%，水平礦柱厚度為20 m以下時，塑性破壞區(qū)區(qū)域明顯增大，擴展到整個礦體中部，礦柱完全破壞。

2)通過對1 000 m中段水平礦柱安全高效回采進行探索和研究，形成了礦柱回采的方案，首次提出將一個分段劃分為東、西部兩個獨立的回采單元進行回采，最大限度地避開了現(xiàn)有在用的重點工程，保障了二礦區(qū)安全生產(chǎn)和出礦任務在后續(xù)中段銜接過程中有序進行。

3)本文研究成果，可為二礦區(qū)850 m中段乃至深部開采工程的底部礦柱的回收提供寶貴的實踐經(jīng)驗，起到良好的示范與借鑒作用，有利于二礦區(qū)實現(xiàn)長周期安全生產(chǎn)。