采场点柱回收数值模拟研究与应用

孙祥鑫，马明辉，王禄海，李建杰

（1.北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083；2.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州市 261442）

采场点柱回收数值模拟研究与应用

孙祥鑫1，马明辉2，王禄海2，李建杰2

（1.北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083；2.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州市 261442）

三山岛金矿是我国第一个进行海底采矿的硬岩矿山，矿山逐步采用上向分层进路充填采矿法取代点柱式机械化上向水平分层充填法开采，并在接顶充填后将采场内点柱进行回收。通过FLAC3D数值模拟方法，计算和分析点柱回收后采场顶板变化和稳定性，提出最优回采方案，为三山岛金矿直属矿区点柱回收提供了技术支持。

三山岛金矿；点柱回收；数值模拟；回收顺序

山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿包括直属、新立、平里店3个矿区。其中直属矿区采用的采矿方法有点柱式机械化上向分层充填法［1］、上向分层进路充填采矿法和机械化盘区充填采矿法［2］。伴随着黄金价格的不断攀升，点柱法采场正在逐步改为进路法采场，即点柱采场当前层回采结束后进行接顶充填，下层回采采用进路法。在点柱采场接顶充填后，部分下盘或边帮存在高品位点柱，可以通过在充填尾砂中施工进路进行回收。本文以258＃采场点柱回收为例，通过采用FLAC3D软件建立了采场模型，模拟不同的点柱回收方案，通过分析顶板变化情况，提出最优的回采方案，为点柱的安全高效回收提供技术支持。

1 采场环境

1.1 采场概况

三山岛金矿直属矿区－210m中段258＃采场回采已接近收尾阶段，在本分层回采过程中发现采场节理裂隙发育，局部区域品位较高，但顶板不稳固、容易冒落，为保证回采安全，更加有效地回收资源，决定本分层结束后进行接顶充填，下一分层采用进路法进行回采。由于局部区域品位较高，经计算发现单个点柱价值超过百万，因此必须将经济合理的点柱进行回收，提高资源回收率，降低损失。采场实测图如图1所示。

图1 采场实测示意

1.2 地质条件和矿岩物理力学参数

采场矿体由黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩组成，2种岩性呈渐变关系，矿化连续。矿体直接上盘围岩为绢英化碎裂岩、绢英岩化花岗质碎裂岩；矿体下盘为黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩或黄铁绢英岩化碎裂岩。矿岩硬度系数f＝6～14，靠近Fl断层的矿岩硬度系数f＝4～6，属半坚硬岩石。通过对直属矿区岩体工程地质调查、上下盘岩石取样测试及充填体强度试验，得出三山岛金矿岩体和充填体力学参数如表1所示。

表1 岩体和充填体力学参数

1.3 应力环境

三山岛金矿最大主应力位于近水平方向，最大水平主应力值远远大于自重应力，三山岛金矿地应力场是以水平构造应力为主。最大水平主应力的走向位于北西西向，基本与区域构造应力场最大主应力的方向相一致。使用线性回归分析的方法，得出了最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力随深度变化的回归方程。水平构造应力中最大主应力σhmax垂直矿体走向，最小主应力σhmin沿矿体走向，构造应力变化规律如下［3－5］：

式中，H为垂直方向深度。

2 直属矿区点柱回收数值模拟分析

2.1 模型的建立

按照采场的实际情况，并在进行了一定优化的基础上建立了计算模型，如图2所示。点柱的规格为4m×4m，点柱与点柱边间距为10m，点柱与围岩边间距为10m，图上部为下盘、下部为上盘，将点柱分为5组，由不同的颜色表示，经济合理的点柱为图中编号的4个点柱，下盘右侧靠近采联点柱为1号，下盘左侧点柱为4号，中部右侧为2号，正中间点柱为3号，其余位置点柱由于品位较低，施工进路困难，所以不再进行回收。

图2 计算模型

2.2 不同回收方案分析

回收1～4号4个点柱的方案有6种：1—2—3—4，1—2—4—3，1—3—2—4，1—3—4—2，1—4—2—3，1—4—3—2，首先分析两个点柱撤除后顶板变化情况，比较第一步回收1、2和1、3和1、4三种方案的优劣，回收后在沿倾向方向设置了16个截面分析不同位置的Z方向位移值，模拟结果见图3。

图3 采场位移变化

由图3可以看出，撤除1和4号点柱采场顶板的变形较小，因此在接顶充填结束后，应该首先回收1号和4号点柱。

其次，分析第二步第3个点柱的回收顺序，通过回收模拟得出数据，见表2。

表2 不同回采顺序顶板位移值

由表2可以看出，1—2—4—3和1—4—2—3两顺序为较优的顺序，结合上面模拟的顺序，第二步回采4号点柱较优，因此回采的最优顺序为1—4—2—3［6－8］。

3 点柱回收方案与施工

（1）充填。首先对已经回采结束的本分层采场进行接顶充填，采场空顶高为3.5m，底部3.1m采用废石尾砂充填，上部0.4m采用胶结充填，在采联口进行封闭。

（2）施工通道。待充填结束后，按照预定的点柱回采方案施工通道，首先回收采联口点柱，然后同时向下盘和边帮点柱施工通道。

（3）尾砂爆破。通道处于尾砂当中，爆破尾砂成为关键问题，爆破尾砂容易发生堵孔、拒爆、爆破效果差等现象，因此在施工中，要求边打眼边装药，最后安装导爆管的措施，取得了较好的效果。

（4）支护。通道两帮尾砂容易垮落，造成顶板暴露面积大、不稳固，因此采用木立柱的支护形式，以保证回采安全。

（5）再充填。回采结束后，对采场进行封闭，按照下部废石尾砂充填，上部胶结充填的方案进行再次充填。

4 结 论

通过采用FLAC3D数值模拟方法，动态模拟并计算了三山岛金矿直属矿区采场点柱不同回收顺序下采场的位移情况和稳定性。结果表明，采场点柱回收应该从下盘和边帮开始，逐步向内部点柱进行回收，为三山岛金矿直属矿区安全高效回采矿石资源提供了技术依据。在实际应用过程中，按照预定的回收方案，成功将采场内高品位点柱回收，取得了良好的经济效益。

［1］ 袁 勇，李 威，卢俊华.三山岛金矿深部采场的充填与支护技术［J］.矿业研究与开发，2012，32（2）：12－14，54.

［2］ 何顺斌，修国林，齐兆军.交替式盘区机械化充填采矿法在三山岛金矿的研究与应用［C］//2010全国采矿技术与装备进展年评报告会论文集.长沙：中国有色金属学会采矿学术委员会，2010.

［3］ 彭 康，李夕兵，彭述权，等.三山岛金矿中段盘区间合理回采顺序动态模拟选择［J］.矿冶工程，2010（3）：1－2.

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2012－08－17）

孙祥鑫（1987－），男，河北邯郸人，研究生，主要从事采矿与岩石力学、爆破和支护方法、矿产资源战略的研究。