峪耳崖金矿盲21＃脉采空区隐患资源回采技术研究

刘伟强

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014）

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峪耳崖金矿盲21＃脉采空区隐患资源回采技术研究

刘伟强

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014）

为最大限度地回收峪耳崖金矿盲21＃脉采空区隐患资源，利用MIDAS软件对该矿21＃盲采空区进行了模型建立、模拟计算以及稳定性分析，分析结果表明当空区暴露面积达到600 m2时空区周边拉应力较大，并存在塑性破坏的风险。根据模拟计算结果设计确定空区暴露面积不应超过350 m2，采取设置人工矿柱的方式对隐患资源顺序回采，并配合相应的地压监测措施，保障隐患资源回收安全进行。

隐患资源回收；数值模拟；稳定性

矿产资源作为一种不可再生资源，其开采过程即是不断减少的过程，在矿产资源逐渐匮乏的今天，对矿产资源的综合回收和利用已显得尤为重要。国外矿业发达国家对于地下隐患资源的回收利用研究工作进行得较早，我国对隐患资源的回收利用研究开展相对较晚，且我国矿产资源开采过程长期存在着采富弃贫、采易弃难的现象。为保障我国矿产资源回收利用率，对隐患资源的安全回采及采空区的处理是必须解决的重要技术问题。由此，能够准确分析采场稳定性状况并依此指导隐患资源开采具有重要意义。

数值模拟的飞速发展为采场稳定性分析提供了有利的工具，尤其是有限元、有限差分、离散元等数值模拟方法的广泛应用，可对采场暴露面积变化时围岩及矿柱各点的变形进行仿真模拟，为深入研究采场应力分布状态及复杂采空区围岩稳定性分析开创了一条新的途径。本文针对峪耳崖金矿盲21＃脉隐患资源（顶底柱、点柱）开采工程，采用有限元软件进行了稳定性分析，并依据分析结果设计相应的保障措施，以确保该矿隐患资源回采过程中围岩保持长期的稳定状态，同时还有利于保障回采顺利进行以及工程技术人员的生命安全。

1 工程概况

河北峪耳崖黄金矿业有限责任公司是个百年老矿，矿脉成群成带出现，矿体多为缓倾斜、倾斜极薄矿脉，矿石品位较高。采用全面法和削壁充填采矿法回采，空区内留下大量矿柱，由于矿体围岩为花岗岩，属脆性岩石，且岩体节理裂隙发育，矿柱回采时常出现岩爆等地压现象，矿井逐步向深部开拓，地压增大，矿柱矿量损失将更大。矿山目前已开采至45 m标高，矿山浅部资源随着开采的进行急剧减少。而45 m以下中段所探明的矿脉厚度大部分在0.1 m以下，品位也不高，目前井下平均出矿品位仅3 g／t。根据公司提交的资源储量调查报告，公司目前122b保有储量592.10万t，333保有储量231.46万t，矿山资源日渐枯竭的现状要求峪耳崖金矿对隐患资源进行回收。盲21＃脉是该矿一条主矿脉，矿体规模较大，走向长度最长达600 m，倾斜长度达900 m，赋存标高330～125 m水平。该脉于2009年回采结束，采空区留下大量矿柱和充填料（充填料为低品位矿石），矿柱矿量约9 094 t，品位36.21 g／t，金属量329 kg，充填料6.74万t，品位1.6 g／t，金属量108 kg，合计金金属量是437 kg，具有较高的经济价值。

为了最大限度回收该矿隐患资源，本研究采用MIDAS系列软件对盲21＃脉隐患资源（顶底柱、点柱）开采过程中的围岩的稳定性变化进行分析，根据数值模拟结果对峪耳崖黄金矿业隐患资源回收方案进行研究设计，指导该矿隐患资源开采，提高资源综合利用率及矿山的经济效益。

2 数值模拟分析

2.1 矿柱开采前的空区稳定性模拟

为保证生产安全，矿柱回收工作前必须掌握空区围岩及矿柱的应力应变分布规律，以便制定相应的安全措施，确定合理的回采方案。因此，在回收矿柱资源前首先进行了空区围岩及矿柱稳定性有限元数值分析。根据矿体勘探剖面和平面图及该矿多年来矿体回采图纸作出三维模型，进行模拟分析，开采前的空区周边应力分布如图1所示，位移分布如图2所示。

图1 采空区周边应力分布云图

图2 采空区周边位移分布云图

矿柱开采前的空区稳定性模拟结果显示：矿房开采后，采场周边出现卸压带，但采场顶底板和矿柱内出现应力集中，应力以压应力为主，模拟范围内未见拉应力区，应力集中最为严重的部位时是采场中间的点柱；最大位移出现在采场上下盘围岩内，但数值较小，模拟范围内最大位移值为2.87 mm，应力集中的部位，尤其是采场点柱与上盘围岩交界处，应作为空区处理及矿柱回采的关键部位妥善处理，生产中建立监测系统，做好监测工作，用地压结果指导顶板地压管理和矿柱回采工作，防止局部失稳诱发大规模地压活动。从应力分布云图可以看出，模拟范围内未出现拉应力区，这说明应力集中的程度在安全的范围之内，矿柱开采前，空区可以依靠矿柱的支撑，维持稳定。

2.2 顶板极限暴露面积的模拟

矿柱是支撑空区顶板、维持空区稳定性的主要手段，因此，其开采方案的制定必须首先评估矿柱回采对顶板的影响，确定顶板允许的极限暴露面积，以便确定一次回采的范围，设计人工矿柱的距离等参数。

为确定该矿脉顶板允许的最大暴露面积，确保空区矿柱安全回采，模拟采用反演的方式对空区允许暴露最大面积进行分析计算。采用MIDAS软件分别对该矿空区面积为450 m2、600 m2、750 m2进行了模拟，数值模拟结果显示：当空区面积在450 m2以内时，空区周边拉应力极小，无塑性区出现；当空区面积达到600 m2时，空区周边拉应力已较大，但未出现塑性区；当空区面积达到750 m2时，模拟范围开始出现塑性区破坏。其空区周边应力随顶板暴露面积变化如图3所示，空区周边围岩塑性变形变化如图4所示。

图3 空区应力随顶板暴露面积变化图

图4 空区围岩塑性变化图

岩石的抗拉强度远小于抗压强度，考虑到实际工程岩体中存在的弱结构面等因素，拉应力的出现不利于围岩的稳定，而塑性形变的发展往往会导致局部失稳，结合上述数值模拟的结果，矿柱回采过程中，空区的暴露面积应控制在600 m2以内。

3 回采技术路线

3.1 人工矿柱的设置

盲21＃脉顶、底柱均为不连续矿柱，在回采顶底柱及点柱时，利用数值模拟得到的稳定性结论，采场空区的暴露面积必需控制在600 m2以内。因此，矿柱回采的过程中采用设置人工矿柱以控制空区的暴露面积，并考虑实际生产中以安全生产为首要任务，需保留一定的安全系数，每个人工点柱负担的顶板面积取350 m2，选取的混凝土标号为C20。

据此由式（1）和式（2）计算人工矿柱的尺寸：

极限状态下（1）式可写为：

式中：S为每个矿柱负担的顶板面积／m2；H为开采深度／m；γ为顶板岩层的平均容重／t·m－3；S1为矿柱横截面积／m2；h为矿柱高度／m；γ1为人工点柱容重／t·m－3；RC为人工矿柱极限抗压强度／kg·cm－2；n为安全系数，取2～12。

根据式（2）计算，人工混凝土点柱横截面积应不小于40.96 m2，为方便施工，人工点柱设计为方形断面，即断面尺寸6.4 m×6.4 m，考虑安全等因素，实际生产中取断面尺寸7 m×7 m。空区中人工矿柱间隔15～20 m布置，图5即为该矿脉部分人工矿柱（人工点柱及人工连续矿柱）在采场中布置的示意图。布置时首先在预定位置将基岩刷平，可采用台阶状但不能呈斜坡状，设置人工点柱时需在基岩和顶板打2.5 m的锚杆，锚杆出露1 m，以便固定人工点柱。

3.2 回采程序设计

通过在采场中设置人工矿柱，保证空区暴露面积在安全的范围内，方可对隐患资源（顶底柱、点柱）进行顺序回收，其回采程序研究如下：

1.总的矿柱回采顺序是先下中段后上中段，即从165中段回采至300中段。

2.每个中段中点柱回采顺序是先回采本中段中央的矿柱，从中央向两端前进式进行。对于单个采场中的矿柱，先回采采场内的点柱和间柱，然后回采顶底柱，矿柱回采顺序有利于地压控制，又便于生产组织管理。

图5 人工矿柱在采场空区布置的示意图

3.每个中段顶底柱的回采顺序是先回采两端的顶、底柱，再回采中央的顶、底柱，从两端往中央后退式进行。

顶、底柱的回采应满足采场内人工点柱（或人工连续矿柱）充分凝固达到设计强度的先决条件，回收时应先回采人工点柱位置的顶、底柱，保证空区暴露面积在安全范围，同时在回采其余位置的顶、底柱时，需待前一阶段人工矿柱充填、养护达到设计强度。

3.3 监控安全保证

由于空区岩体稳定性具有较大的不确定性，岩体残余构造应力及暴露面积的形状各异等因素均可对空区稳定性产生影响，为确保矿柱回采过程安全，地压监测需配合矿柱回采同时进行，根据采场地压活动的一般规律，在矿体回采过程中，对空区上部顶板和两侧的矿岩及矿体内应力大小及变化情况，形成一套完整的监测系统，及时准确掌握空区周边围岩变化情况及井下地压变化情况。若地压监测数据显示可能有岩体失稳现象发生，应立即停止作业。

4 结 语

1.利用MIDAS软件对峪耳崖盲21＃脉隐患资源回收前空区稳定性进行了分析，模拟结果显示采场顶底板和矿柱内出现应力集中，应力集中的程度在安全的范围之内，采场围岩位移数值较小，指出在矿柱开采前，空区可以依靠矿柱的支撑，维持稳定。

2.通过反演的方式模拟计算出顶板允许暴露面积的最大面积，模拟显示当空区暴露面积为600 m2时，空区周边围岩拉应力已较大，并存在塑性破坏的风险，结合反演结果并考虑矿柱回采时保留一定安全系数，确定空区最大暴露面积为350 m2。

3.依据模拟结果研究采用设置人工矿柱的方法控制空区暴露面积，在空区中间隔15～20 m布置截面尺寸为7 m×7 m人工点柱或人工连续矿柱，可满足空区稳定性的要求。

4.数值模拟能对隐患资源的回采工作提供一定指导作用，但由于地质体的非均质性和不连续性，要做到真正意义上的定量数值模拟较为困难，岩体稳定性仍具有某些不确定性，因此地压监测需配合矿柱回采同时进行，矿方需成立专门的监测小组，加强现场监测，确保回采的安全。

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The Study on Hidden Danger Resources M ining Technology in No.21 Blind Vein of Yuerya Gold M ine

LIUWei-qiang
（Hunan Labour Protection Institute of NonferrousMetals，Changsha 410014，China）

In order tomaximized the recovery rate of hidden danger resources in No.21 blind vein of Yuerya goldmine，themined－out areamodel in No.21 blind vein ismade and simulated by MIDAS in this article.Its stability analysis result shows that surrounding rock of themined zone have a large tensile stress and a risk of plastic failurewhen the exposed area exceed 600 squaremeters.Based on the analysis，we conclude that the exposed area should not exceed 350 squaremeters.Artificial pillar are set tomake sure the hidden danger resources order stoping and theminingmust combine with the ground pressuremonitoringmeasures simultaneously tomake sure residual ore recovery safety.

hidden danger resources recovery；numerical analysis；stability

TD355

：A

：1003－5540（2014）02－0001－04

2014－01－20

刘伟强（1963－），男，工程师，主要从事有色金属采矿工艺研究技术工作。