某铁矿矿柱回采安全性研究

刘武团 赵 奎 胡京涛 饶兆勋 刘明荣

(1.西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；3.长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011；4.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

某铁矿矿柱回采安全性研究

刘武团1赵 奎2胡京涛3饶兆勋3刘明荣4

(1.西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；3.长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011；4.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

某铁矿二采区一中段采用空场采矿法进行采矿，经过多年开采该中段未处理采空区体积已经达到40万m3，遗留矿柱矿量超过26万t，为了充分回收矿产资源矿山计划回采矿柱。由于现场未处理的采空区体积较大，而矿柱又是维持采空区稳定性的关键要素，可能部分矿柱的回采或破坏就会诱发一定规模的地压活动，威胁矿山的正常安全生产。所以在矿柱回采之前，对回采区域的矿柱进行安全性研究，可以指导矿柱回采的实施，进而保障矿柱的正常安全回采。结合矿山的现场实际情况，以应力增量理论为基础，采用工程地质调查、室内试验结合数值模拟的方法，对矿山二采区一中段需回采矿柱的安全性进行研究，确定了各回采矿柱的安全系数大小。研究结果表明矿山二采区一中段的矿柱处于安全状态，可以进行部分矿柱回收。

应力增量理论 数值模拟 矿柱回采安全性

以空场采矿法开采的地下金属矿山，在开采过程中首先回采矿房然后再回采矿柱，当矿房回采完毕以后，就会遗留下大量的矿柱和采空区[1-2]，这些遗留下的矿柱都是宝贵的矿产资源，对矿柱进行回采不仅可以使矿产资源得到更充分利用，而且还可以提高企业的经济效益，延长矿山的生产服务年限[3]。但是由于矿柱是采场的重要承重部位，对采场的稳定性起着重要作用，可能部分矿柱的回采或者破坏就会导致采场发生冒落、垮塌等地压显现，甚至诱发一定规模的地压活动造成人员、财产的损失，影响矿山的正常安全生产，所以矿柱的回采不同于矿山正常的矿石开采，存在着较大的风险，安全问题是资源回收利用首要考虑的因素，也是影响其能否顺利回收的关键问题[4-7]。在矿柱回采之前，对回采区域的矿柱进行安全性研究，可以指导矿柱回采的实施，保障矿柱的正常安全回采[8-10]。某铁矿二采区一中段采用空场采矿法进行采矿，经过多年开采留下大量矿柱和采空区，根据调查结果，该中段未处理采空区体积将近40万m3，遗留矿柱矿量约为26.6万t，其中间柱所占比例最大为17.2万t。目前该中段采矿已接近尾声，而二中段还在进行基建，因此，进行矿柱回采安全性研究对矿山安全持续生产和资源充分利用具有重要的意义。

1 矿柱稳定极限状态方程

1.1 矿柱强度

影响矿柱强度的因素有很多，主要包括矿柱的大小、几何尺寸、矿柱岩体的地质构造等，针对不同的情况条件，国内外研究学者已经提出了许多计算矿柱强度的公式，其中应用最为广泛的是由Bieniawski提出的矿柱强度公式[11]：

(1)

式中，σp为矿柱的强度，MPa；σp1为宽高比为1时的矿柱强度，MPa；ω、h分别为矿柱的宽度、高度，m。

式(1)是考虑了矿柱形状因子的经验公式，虽然已经非常具有代表性，但是没有考虑到节理等岩体结构特性因素。为了将节理对矿柱强度σp1的影响考虑进去，结合矿山的实际情况及应用的简便，采用Hoek-Brown方法计算节理裂隙对矿柱强度的影响：

(2)

式中，σc为完整岩石的单轴抗压强度，MPa；s为岩体完整性无量纲实验常数。

(3)

(4)

1.2 矿柱平均应力

传统计算矿柱平均应力的计算方法有面积分摊法、柱挠曲法、载荷系数法等，这些方法都没有考虑地应力场对矿柱应力的影响作用。常将这些公式应用于采用房柱法开采的矿体倾角较小的矿山，但是从实际的工程应用表明，这些方法计算获得的矿柱平均应力值，有时要远远偏离实际情况。

与传统计算矿柱平均应力的方法相比，如果以矿山原岩应力测量和次生应力监测为基础，再结合数值模拟的结果和相类似矿山的经验，那就可以比较准确的确定矿柱应力集中系数，这样获得的矿柱平均应力值也要更为准确，矿柱平均应力

(5)

式中，K为矿柱应力集中系数，MPa；σ0为相邻矿柱回采前矿柱应力，MPa；σ1为矿柱二次回采相邻矿柱应力增量，MPa。

1.3 矿柱稳定极限状态方程

将前面计算得到的矿柱强度值与矿柱平均应力值进行比较，其比值作为衡量矿柱安全性大小的指标，因此也称为安全系数S[12]。

(6)

S<1时现场对应的矿柱严重破坏，S>2时现场对应的矿柱相当完好，所以可以将矿柱安全系数与矿柱安全性等级划分为3个等级：S<1时，矿柱属于不稳定级别；S介于1～2时，矿柱属于中等稳定级别；S>2时，矿柱属于稳定级别。

以应力增量理论为基础推导出的回采矿柱安全系数计算公式，不仅综合考虑到了岩体结构特征、原岩应力、等因素对矿柱稳定性的影响，而且还考虑了二次回采对矿柱应力的变化情况，因此采用该方法进行矿山回采过程矿柱稳定性判断分析将更为可靠。

2 工程地质调查

采用原位观测的详细观测法，对二采区一中段需回收矿柱的区域进行了详细的工程地质调查。本次调查共布置33个测点，详细记录了这些测点的结构面类型、产状等信息，经分析这些数据信息得到结构面主要特征及规律：①该中段大型结构面很少，断层离矿柱回采区域距离很比较远，岩体的稳定性比较好；②该中段节理普遍发育为结构面，倾角为30°～50°的结构面占50%以上，少数倾角较缓或较陡。

二采区一中段主要矿柱有5个，如图1所示，其中预留3号矿柱作为永久性矿柱不进行回收，其余4个矿柱全部进行回收。对1号、2号矿柱和4号、5号矿柱而言，其回收的顺序是相对均衡的，但是由于主井担负着矿山的提升运输任务，为了确保该主井的安全，所以矿柱的回采先后顺序依次为5号矿柱、4号矿柱、2号矿柱、1号矿柱。

图1 矿柱分布图

3 数值模拟

3.1 数值计算模型

综合考虑计算精度的要求以及边界效应，建立长903 m、宽347 m、高115 m的长方体计算模型，整个模型节点数为82 545个，四面体单元数467 207个，模型如图2、图3所示。

图2 围岩矿体模型图

图3 矿柱、矿房网格划分

3.2 数值计算结果

采用FLAC3D有限差分软件对模型进行计算，首先对模型施加初始应力场，然后再开挖模型中全部矿房，最后按照矿柱的回采顺序开挖需要回采的矿柱，记录各个阶段矿柱的应力数据和计算结果。部分结果如图4～图6所示。

图4 矿房回采后应力云图

图5 4号、5号矿柱回采后应力云图

图6 矿柱全部回采后应力云图

4 矿柱回采安全性分析

4.1 基本参数确定

(1)矿柱的形状参数包括矿柱的平均长度l、平均宽度ω以及平均高度h，综合现场调查以及矿方提供的数据资料，得到二采区一中段矿柱平均长度、矿柱平均宽度以及矿柱平均高度的数据如表1所示。

表1 二采区一中段各矿柱基本参数

(2)根据室内进行的矿岩基本力学参数试验结果，得到矿石的抗压强度σc为89.21 MPa。根据矿山工程地质调查的结果，采用岩体RMR值的计算方法，得到岩体RMR值为83，即该岩体的质量等级为Ⅰ级，将岩体RMR值代入计算公式中，s=0.114 6,得到矿柱宽高比为1时的强度σp1为22.3 MPa。

(3)相邻矿柱回采前矿柱的应力主要包括2个部分，第一部分是在岩体未开挖扰动之前受到的原岩应力，第二部分是因岩体、矿房开挖等使矿柱受到的应力增量。由于矿山没有相关的地应力测量资料，也没有应力监测系统，所以直接利用数值模拟的结果来确定相邻矿柱回采前矿柱应力σ0和矿柱二次回采相邻矿柱应力增量σ1，如表2、表3所示。

(4)根据数值计算结果以及结合大量矿山有关资料，采场开挖矿柱应力集中系数一般为2～3，根据矿山的实际情况，选取矿柱安全性计算的矿柱应力集中系数为2.5。

表2 矿房回采后矿柱应力

4.2 矿柱安全系数

根据矿柱安全系数计算的原理，将上述确定的基本参数，代入到矿柱稳定极限状态方程计算出相应矿柱的安全系数，得到二采区一中段各矿柱的安全系数如表4所示。

表3 矿柱二次回采相邻矿柱应力增量

表4 二采区一中段矿柱安全系数

4.3 矿柱安全性分析

矿柱安全系数计算结果表明，二采区一中段的矿柱安全系数都大于1，即所有矿柱在矿柱回采的过程中都处于安全状态。

根据划分的矿柱安全性等级，二采区一中段的矿柱安全性程度主要是隶属于稳固等级，只有1号矿柱和4号矿柱是隶属于中等稳固等级。

5 结 论

(1)目前，矿山已经安全回采了二采区一中段的4号和5号矿柱，在矿柱回采完以后没有发生地压活动并且其他未采矿柱也很完好。

(2)二采区一中段的矿柱安全系数都大于1，即所有矿柱在矿柱回采的过程中都处于安全状态，可以进行部分矿柱回采，回收期间加强地压监测。

(3)结合矿柱回采实践表明，本研究所用的基于应力增量理论研究矿柱稳定性的方法是可行的，可以用于分析矿柱的安全性，指导矿柱回采方案的实施等方面。

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(责任编辑 石海林)

Stability of Pillars Recovery in an Iron Ore

Liu Wutuan1Zhao Kui2Hu Jingtao3Rao Zhaoxun3Liu Mingrong4

(1.NorthwestInstituteofMining&Metallurgy，Baiyin730900，China；2.JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China；3.ChangshaEngineeringandResearchInstituteLtd.ofNonferrousMetallurgy，Changsha410011，China；4.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，China)

The open stope mining method was adopted in the first section of No.2 mining area in an Iron Mine.The untreated goaf has reached 400,000 m3and the ore quantity of remained pillar is nearly more than 26 million tons after years of exploitation.In order to fully recover the mineral resources，the mine is planning to recover the pillars.As the untreated mined-out area is large and the remained pillar is the key support for maintaining the stability of mined-out area，the recovery or destroy of part of pillars may induce a certain scale of ground pressure activities which will threaten normal safe production of mine.So before the pillar stoping，the research on security of pillar mining area can guide the implementation of the pillar stoping，and ensure the pillar mining in safety.Combining with the actual situation in an iron mine and based on the theory of stress increment，the combination of engineering geological investigation，laboratory test with numerical simulation is adopted to research the pillar′s security about the first section in No.2 mining area and to determine the safety factor of each pillar.The research results showed that the pillars in the first section of No.2 mining area is in safety，and parts of pillars can be recovered.

Stress increment theory，Numerical simulation，Pillar recovery secutity

2014-05-11

刘武团(1969—)，男，高级工程师。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-08-162-04