赤峰柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源安全回采技術(shù)優(yōu)化

王立君,馬印禹,徐東,張虎,彭康,李元輝

摘要：柴胡欄子金礦上部礦床采用淺孔留礦采礦法開采過程中存在的大量間柱和頂?shù)字鶜埖V，具有極高的經(jīng)濟價值，為了進(jìn)一步提高殘礦資源利用率，結(jié)合礦山開采技術(shù)條件，提出4種殘礦資源整體開采技術(shù)方案，并基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件，建立對應(yīng)的數(shù)值模擬模型，其尺寸走向方向420 m，豎直方向616 m，高160 m；圍巖寬50 m，得到不同方案的礦柱回收率、位移場和地表沉降規(guī)律。通過對比分析，最終確定最優(yōu)回采技術(shù)方案為橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案。研究結(jié)果表明：在實際生產(chǎn)中，采用該方案回收非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源可以在安全開采的情況下實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。

關(guān)鍵詞：非膠結(jié)廢巖充填體；殘礦資源回收；數(shù)值模擬；回采方案；橫豎條狀均勻支撐礦柱

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2023）05-0016-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230505

引言

隨著人類社會的不斷發(fā)展，有色金屬資源需求量與消耗量不斷增大，中國大部分露天礦山資源已經(jīng)枯竭［1-2］，淺部礦山資源也接近枯竭。隨著探明礦體的增大，地下礦山的開采深度也快速增加［3-6］，礦山開采成本也隨之不斷增加，而回收殘礦資源可以極大地減少礦石損失并提高采礦回采率。但是，由于受以往采動的影響，殘留礦的開采工藝條件十分復(fù)雜，如何安全高效地回收殘留礦資源，是當(dāng)前采礦技術(shù)面臨的一個巨大挑戰(zhàn)［7-8］。

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司（下稱“柴胡欄子金礦”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市松山區(qū)初頭朗鎮(zhèn)境內(nèi)，為了滿足社會生產(chǎn)生活的需求，礦山一方面努力提高現(xiàn)有資源的利用率，另一方面也在為新探獲資源合理開采做準(zhǔn)備。礦山目前仍采用淺孔留礦采礦法開采，采空區(qū)以廢石回填或以混凝土填充，開采生產(chǎn)能力較低，且上部礦床留礦采礦法開采過程中，非膠結(jié)廢巖充填體下存在大量間柱和頂?shù)讱堉?。由于礦山的開挖充填活動，破壞了原巖應(yīng)力場，地壓的轉(zhuǎn)移已造成部分頂?shù)讱堉扑?。隨著礦床開采深部不斷增加，上部的殘礦資源變形將日益增大。通過現(xiàn)場調(diào)查分析，柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下間柱和頂?shù)讱堉V石量38.9萬t，平均礦石品位2.89 g/t，該部分礦石價值高達(dá)3.82億元。若及時進(jìn)行回收，仍可在較安全的情況下最大程度地回收該部分礦體，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。

數(shù)值模擬是用電子計算機作為工具，用數(shù)字計算、圖像展示等方式，來研究工程、物理、甚至是自然界中的各種問題。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)眾多學(xué)者對巖土工程的眾多問題進(jìn)行了研究。周科平等［9］利用3DMine、midas/gts、Flac3D軟件耦合，對殘采方案的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，提高了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。姜立春等［10］運用梁理論和Flac3D軟件，結(jié)合容許極限位移量破壞理論研究采場頂板的穩(wěn)定性，對比梁理論和數(shù)值模擬分析結(jié)果的異同，對模型穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價。鄧紅衛(wèi)等［11］采用Flac3D軟件對殘礦回收過程中礦柱的水平位移和最小主應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析。

ABAQUS是一種有限元分析軟件，具有強大的分析功能，該軟件不僅能處理簡單的線性問題，對于高度復(fù)雜的非線性問題更是有著顯著的優(yōu)勢［12］。本文針對柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下間柱和頂?shù)讱堉_采技術(shù)條件，提出4種非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源安全回采技術(shù)方案，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，通過對位移場、地表沉降及回收率的分析，開發(fā)出安全、高效、低成本的間柱和頂?shù)讱堉厥辗桨?，?yōu)化整體殘礦回收模式，研發(fā)殘礦資源最大化開采的回收方案。

1 殘礦回采模擬方案設(shè)計

針對非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦開采條件，提出4種礦柱回采方案。

2023年第5期/第44卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃金方案一：階梯支撐礦柱回采方案，該方案基本回收全部間柱，留頂?shù)字孰A梯狀，見圖1。此方案礦柱回收率75.30 %。

方案一礦柱回收示意圖方案二：“Z”字形與條狀支撐礦柱回采方案，該方案留部分礦柱呈“Z”字形與豎條狀，其余礦柱全部回采，見圖2。此方案礦柱回收率76.05 %。

方案二礦柱回收示意圖方案三：“L”形支撐礦柱回采方案，該方案將殘余礦柱留成均勻的“L”形礦柱（見圖3），支撐上下盤圍巖，其余礦柱全部回采。此方案礦柱回收率76.79 %。

方案三礦柱回收示意圖方案四：橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案，該方案留零星的均勻橫條與豎條狀礦柱（見圖4），其余礦柱全部回采。此方案礦柱回收率76.05 %。

2數(shù)值模擬材料及參數(shù)

2.1計算模型

模型范圍：沿礦體走向方向長420 m，豎直方向地表左側(cè)取342 m，右側(cè)取274 m，其中，礦體范圍沿三中段至六中段，高度為160 m；圍巖寬度50 m，礦房部分均已開采完畢，按廢石充填處理。沿礦體走向為x方向，豎直方向為y方向。

模型采用平面應(yīng)變有限元分析，計算模型包括3個部分，按照材料特征分為圍巖、礦體和廢石充填體，整體模型見圖5。模型在兩側(cè)和底部施加約束，礦體頂部施加均勻頂部荷載，整個模型施加重力荷載。

2.2材料參數(shù)

模型力學(xué)參數(shù)根據(jù)過往經(jīng)驗與生產(chǎn)實際情況，采用的材料參數(shù)見表1。

2.3數(shù)值模擬

本次模擬旨在模擬I-4號礦脈二中段以下整個殘留礦柱回收總體方案，并比較不同可行性回采方案的優(yōu)劣。

本次模擬采用3個分析步：第一步，施加頂部均勻荷載和重力荷載以模擬原始地應(yīng)力。第二步，移除一步采礦房單元，模擬礦房開挖回采，并進(jìn)行充填處理。第三步，移除二步采礦柱單元，模擬礦柱回收過程。通過分析不同方案的位移場、地表沉降及礦柱回收率，確定柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源安全回采技術(shù)方案。

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1位移場

礦柱回采前后，礦體整體模型的水平和垂直位移變化云圖見圖6。

由圖6可知：方案一所留階梯狀礦柱，整體結(jié)構(gòu)較好，位移較均勻，由于起始礦柱處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)殘柱開采后，此處受壓沉降，最大位移發(fā)生在中間，最大垂直位移為30.96 cm。方案二所留礦柱不均勻，有部分礦柱直接與下部圍巖發(fā)生接觸，此處位移回彈較小，此外間柱的存在導(dǎo)致位移回彈不均布，位移最大還是發(fā)生在中部區(qū)域，最大垂直位移為19.48 cm。方案三所留“L”形礦柱，整體性較差，位移變形顯著區(qū)域大，也有位移回彈現(xiàn)象出現(xiàn)，最大垂直位移為17.41 cm，發(fā)生在四中段右部頂柱上；方案四條帶支撐結(jié)構(gòu)，由于本身結(jié)構(gòu)離散，位移等值線區(qū)域大，最大垂直位移發(fā)生在回采后的礦柱處，最大位移為18.13 cm。

4個非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源開采數(shù)值模擬的水平和垂直位移變化云圖表明，地應(yīng)力平衡效果較好。在位移狀態(tài)分析中，頂板的垂直位移對采場穩(wěn)定性的影響要比水平位移重要。因為垂直位移過大將導(dǎo)致頂板斷裂、冒落甚至地表沉陷。相比各方案，方案一、二和四位移均勻，支撐結(jié)構(gòu)整體支撐協(xié)調(diào)較好，其他方案礦柱離散，高位移區(qū)域較大。方案一最大水平位移為9.084 cm，最大垂直位移為30.96 cm；方案二最大水平位移為8.44 cm，最大垂直位移為19.48 cm；相比之下，方案四稍優(yōu)。

3.2地表沉降

下沉曲線表示地表移動盆地內(nèi)下沉的分布規(guī)律，設(shè)主斷面方向為x軸，下沉位移為y軸，地表移動盆地主斷面的下沉曲線見圖7。

對各方案垂直礦體走向沉降點分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：

1）方案一，y=-2.491×10-18x7+3.643×10-15x6-2.046×10-12x5+5.338×10-10x4-5.773×10-8x3+9.146×10-7x2-3.270×10-5x-0.079 59，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

2）方案二，y=-2.386×10-18x7+3.450×10-15x6-1.907×10-12x5+4.866×10-10x4-5.100×10-8x3+7.008×10-7x2-2.003×10-5x-0.074 51，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

3）方案三，y=-2.486×10-18x7+3.638×10-15x6-2.042×10-12x5+5.303×10-10x4-5.660×10-8x3+7.974×10-7x2-2.647×10-5x-0.078 86，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

4）方案四，y=-2.723×10-18x7+4.003×10-15x6-2.256×10-12x5+5.911×10-10x4-6.518×10-8x3+1.415×10-6x2-3.852×10-5x-0.078 28，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

方案一最小地表沉降位移為7.82 cm，最大沉降位移為11.10 cm；方案二最小地表沉降位移為7.36 cm，最大沉降位移為9.80 cm；方案三最小地表沉降位移為7.80 cm，最大沉降位移為10.75 cm;方案四最小地表沉降位移為8.55 cm，最大沉降位移為10.55 cm。

4結(jié)論

1） 4種非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源開采方案回采的地應(yīng)力平衡效果較好。在位移狀態(tài)分析中，頂板的垂直位移對采場穩(wěn)定性的影響要比水平位移重要。相比各方案，方案一、二和四位移均勻，應(yīng)力整體分布較均勻，支撐結(jié)構(gòu)整體支撐協(xié)調(diào)較好，其他方案礦柱離散，高位移區(qū)域較大。比較4個方案的位移可知，方案四稍優(yōu)。

2）方案一最小地表沉降位移為7.82 cm，最大沉降位移為11.10 cm；方案二最小地表沉降位移為7.36 cm，最大沉降位移為9.80 cm；方案三最小地表沉降位移為7.80 cm，最大沉降位移為10.75 cm;方案四最小地表沉降位移為8.55 cm，最大沉降位移為10.55 cm。

3）選取最大位移、地表沉降和礦柱回收率作為指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，方案優(yōu)劣順序為方案四>方案二>方案三>方案一。方案四，橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案在柴胡欄子金礦殘礦資源開采中，從最大位移、礦柱回收率、塑性區(qū)大小3個指標(biāo)的綜合評價中占有優(yōu)勢。因此，柴胡欄子金礦采用橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案回收非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Technical optimization of the safe extraction of residual ore resources under

a non-cemented waste rock filling body in Chifeng Chaihulanzi Gold MineWang Lijun1，Ma Yinyu1，Xu Dong1，Zhang Hu1，Peng Kang2，Li Yuanhui3

（1.Chifeng Chaihulanzi Gold Mining Co.，Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University;

3.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University）

Abstract：A large number of residual ores in the intermediate pillars，crown，and sill pillars left by the shrinkage mining process adopted in the upper deposit of Chaihulanzi Gold Mine are highly economically valuable.To further improve the utilization rate of residual ore resources，this paper based on the existing scheme of the mine proposes 4 overall mining technology schemes for residual ore resources.Based on ABAQUS numerical simulation software，the corresponding numerical simulation model is established.The size striking direction extends 420 m，the vertical direction 616 m，and the height 160 m;the width of the surrounding rock is 50 m.The recovery rate，displacement field，and surface subsidence of different schemes were obtained，and the optimal technical extraction scheme was finally determined to be the horizontal and vertical striped evenly supported ore pillar extraction scheme through comparative analysis.The results show that in actual production，the scheme can maximize the economic benefits under the condition of safe mining while recovering the residual mineral resources under the non-cemented waste rock filling body.

Keywords：non-cemented waste rock filling body;residual mineral resource recovery;numerical simulation;extraction scheme;horizontal and vertical striped evenly supported ore pillar