冬瓜山銅礦60#線以北高大采場聯(lián)合回采方案研究

謝經(jīng)鵬 孟穩(wěn)權(quán) 鄭攻關(guān) 汪令輝 潘 敏

（1.安徽銅冠產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司；2.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦）

冬瓜山礦體劃分多個盤區(qū)，盤區(qū)內(nèi)劃分寬度均為18 m的礦房礦柱采場，一步驟采場長度82 m，二步驟采場長度78 m，采場高度為礦體厚度。冬瓜山礦體60#線以南礦體厚度小，采場高度低，回采后采空區(qū)穩(wěn)定性較好，垮落現(xiàn)象少；60#線以北采場高度大，最大超過120 m，由于礦巖性質(zhì)、地質(zhì)及采場高度等因素變化，部分一步驟采場垮落嚴(yán)重，致使二步驟采場回采難度增加，采場損失率提高；充填體穩(wěn)定性控制難度增加，凸出的充填體極易被破壞垮入二步驟采場，采場貧化率增加。如何安全高效回采二步驟垮落采場，對于礦山穩(wěn)產(chǎn)、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

1 60#線以北高大采場垮落現(xiàn)狀及原因

1.1 垮落現(xiàn)狀

60#線以北采場在地質(zhì)條件、高應(yīng)力、采場高度等因素影響下，部分采場垮落嚴(yán)重。以60#線采場為例，包括60-1#～60-28#采場，采用“隔三采一”回采順序，在一步驟采場回采過程中，部分一步驟采場垮落明顯：60-8#采場向60-9#采場垮落最大厚度為16.2 m，60-12#采場向60-11#采場垮落最大厚度為15.6 m，60-24#采場向60-11#采場垮落最大厚度為8.0 m。

1.2 原因分析

（1）采場高度。60#線以北采場高度大，采空區(qū)的側(cè)向暴露面積增加，礦柱的高寬比提高，采空區(qū)的穩(wěn)定性降低［1］。根據(jù)對冬瓜山56#～58#線采場高度的統(tǒng)計(jì)，60#線以北采場的平均高度要高于56#線和58#線采場。根據(jù)礦柱強(qiáng)度公式，礦柱的強(qiáng)度和寬高比成正比［2］，隨著礦山采場高度增加，礦柱寬度不變，寬高比不斷減小，礦柱強(qiáng)度不斷降低。

（2）地質(zhì)因素。60#線以北和60#線以南，地質(zhì)方面的差異主要體現(xiàn)為：①斷裂破碎帶分布范圍廣；②褶曲構(gòu)造突出。60#線以北斷裂構(gòu)造主要有不同時期形成的近EW向、SN向、NNE向等3組斷裂帶，這些斷裂構(gòu)造相互疊加復(fù)合，形成礦區(qū)“網(wǎng)格狀”構(gòu)造特征。60#線以北褶曲構(gòu)造明顯，該構(gòu)造礦巖存儲了較大的能量［3］，當(dāng)采場回采至該區(qū)域時，能量釋放，礦巖穩(wěn)定差。

（3）地應(yīng)力集中。冬瓜山礦床礦體埋藏深，高應(yīng)力問題突出［4-5］，46#～58#線一步驟和二步驟采場基本已經(jīng)回采完畢，三步驟正在逐步回采，受到地壓轉(zhuǎn)移效應(yīng)［4］的影響，60#線以北采場的地應(yīng)力越加集中。

2 聯(lián)合回采方案數(shù)值模擬研究

冬瓜山礦床部分一步驟采場垮落嚴(yán)重，二步驟采場中間厚度小，臨近一步驟充填體凸出，極易被破壞垮落，二步驟采場回采難度大。為降低二步驟垮落采場的回采損失率，本研究提出了“隔三采一”順序下，中間的一步驟采場和垮落的二步驟采場聯(lián)合回采方案。冬瓜山礦段在“隔三采一”回采順序下，采空區(qū)垮落主要包括：①“隔三采一”順序下，2個一步驟采場均垮落嚴(yán)重，例如60-8#、60-12#采場；②“隔三采一”順序下，一個采場未發(fā)生明顯垮落，一個采場垮落嚴(yán)重，例如62-2#、62-6#采場。針對采空區(qū)垮落形式，本研究提出了3個采場聯(lián)合回采方案及2個采場聯(lián)合回采方案。

采用聯(lián)合方案回采時，三步驟隔離礦柱一側(cè)的采空區(qū)暴露面積大幅度增加，穿脈巷道位于隔離礦柱，穿脈巷道是礦山生產(chǎn)系統(tǒng)的主要通道，隔離礦柱的穩(wěn)定性影響了礦山的生產(chǎn)系統(tǒng)［5］，是本研究分析的重點(diǎn)；采空區(qū)頂板以及充填體的穩(wěn)定性也是需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

2.1 物理力學(xué)參數(shù)取值及模型構(gòu)建

對礦巖及原巖物理力學(xué)參數(shù)折減處理后，取值見表1。根據(jù)60#采場實(shí)際尺寸，構(gòu)建了60-2#～60-28#采場三維模型，如圖1所示。模擬計(jì)算過程中采場回采順序根據(jù)礦山實(shí)際回采順序回采，并對聯(lián)合回采方案進(jìn)行研究，分析聯(lián)合回采方案對隔離礦柱、頂板及充填體穩(wěn)定性的影響。

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2.2 3個采場聯(lián)合回采方案數(shù)值模擬研究

以60-9#、60-10#及60-11#采場聯(lián)合回采為例，3個聯(lián)合回采采場劃分①、②2個單元；回采順序?yàn)榛夭散賳卧?，充填①單元；回采②單元，充填②單元（圖2）。

冬瓜山一步驟采場和二步驟采場開挖后，隔離礦柱及頂板均較穩(wěn)定，為進(jìn)一步對比分析聯(lián)合回采采場回采后的應(yīng)力及位移變化規(guī)律，選擇與正常的一步驟采場和二步驟采場進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2。

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由表2可知：3個采場聯(lián)合回采劃分2個回采單元回采，與正常的二步驟采場相比，采空區(qū)兩側(cè)的充填體位移增幅不大，對充填體的穩(wěn)定性影響較小；隔離礦柱的位移量增加明顯，隔離礦柱的穩(wěn)定性變差；一步驟和二步驟回采中，隔離礦柱不受拉應(yīng)力作用，在采用聯(lián)合回采方案后，隔離礦柱的最大拉應(yīng)力為1.18 MPa，巖體抗拉強(qiáng)度很小，尤其對于節(jié)理裂隙發(fā)育的礦體，抗拉強(qiáng)度更低，因此隔離礦柱受到較大范圍的拉應(yīng)力作用不利于隔離礦柱的穩(wěn)定。

綜上分析可知，3個采場聯(lián)合回采時，不同的方案均對隔離礦柱的穩(wěn)定性有較大的影響，建議不考慮連續(xù)3個采場聯(lián)合回采。若考慮3個采場聯(lián)合回采（例如60-9#、60-10#、60-11#采場），需采取措施加強(qiáng)對隔離礦柱的保護(hù)。

2.3 2個采場聯(lián)合回采方案數(shù)值模擬研究

以62-4#及62-5#采場聯(lián)合回采為例，62-3#采場單獨(dú)回采。聯(lián)合回采采場劃分①、②2個單元；回采順序?yàn)榛夭散賳卧?，充填①單元；回采②單元，充填②單元，如圖3所示。

2個采場聯(lián)合回采的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對比見表3。由表3可知：2個采場聯(lián)合回采后，采空區(qū)一側(cè)充填體的最大位移量與正?；夭傻亩襟E位移量一致，該方案對一側(cè)的充填體穩(wěn)定性影響不大；隔離礦柱一側(cè)的最大位移量與二步驟回采后的最大位移量相比，降低了0.3 cm；另外，隔離礦柱一側(cè)不再受到拉應(yīng)力作用，隔離礦柱一側(cè)的礦巖穩(wěn)定性好；頂板的最大位移低于二步驟頂板的位移量，頂板穩(wěn)定性較好。

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綜上分析可知：2個采場聯(lián)合回采時，采空區(qū)穩(wěn)定性較好，建議在“隔三采一”順序下，其中一個采空區(qū)垮落嚴(yán)重、另一個未發(fā)生明顯垮落的采場，可積極應(yīng)用2個采場聯(lián)合回采方案。

3 聯(lián)合回采方案應(yīng)用效果

3.1 3個采場聯(lián)合回采方案

根據(jù)上述分析，60-9#、60-10#及60-11#采場聯(lián)合回采時，對隔離礦柱的穩(wěn)定性影響大，為此提出了通過預(yù)留礦柱的措施保護(hù)隔離礦柱，預(yù)留的礦柱作為三步驟回采，一步驟預(yù)留厚度為2 m，二步驟預(yù)留厚度為4 m。3個采場聯(lián)合回采采場①單元礦石量32.2萬t，平均品位1.25%，回采后進(jìn)行采空區(qū)三維掃描，掃描結(jié)果和設(shè)計(jì)邊界對比如圖4所示。由圖4可知：60-8#采場的充填體垮落厚度小，其余采空區(qū)邊界基本與采場設(shè)計(jì)邊界重合；采空區(qū)頂板基本和礦體上邊界重合，爆破控制效果較理想；隔離礦柱一側(cè)未發(fā)生明顯垮落，采空區(qū)邊界基本與設(shè)計(jì)邊界重合。通過相關(guān)計(jì)算可知，采場損失率為9.6%，貧化率為1.9%。

3.2 2個采場聯(lián)合回采方案

62-4#、62-5#聯(lián)合采場①單元礦石量20.5萬t，平均品位1.04%，回采后對其進(jìn)行采空區(qū)三維掃描，掃描結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：62-6#采場一側(cè)充填體垮落較小，62-6#采空區(qū)邊界基本與62-4#、62-5#聯(lián)合采場的采空區(qū)邊界重合；頂板部分垮落，垮落厚度約7 m，主要集中在預(yù)留的“L”形頂板處，該類型頂板，受拉作用明顯，巖體受拉極易被破壞。隔離礦柱一側(cè)完整性較好，基本與采場控制邊界重合。通過相關(guān)計(jì)算可知，采場損失率為12.5%，貧化率為3.2%。

4 結(jié)語

針對冬瓜山銅礦60#線以北大高采場一步驟高大

采場垮落嚴(yán)重、二步驟采場如何安全高效回采的問題，提出了聯(lián)合回采方案，并對方案進(jìn)行了論證。研究表明：3個采場聯(lián)合回采時，對隔離礦柱的穩(wěn)定性有較大影響，建議盡量不考慮連續(xù)3個采場聯(lián)合回采；若考慮該方案，需采取措施加強(qiáng)對隔離礦柱的保護(hù)。2個采場聯(lián)合回采時，采空區(qū)穩(wěn)定性較好。通過工業(yè)應(yīng)用，聯(lián)合回采方案取得了理想效果，采場損失率、貧化率明顯降低。