大团山矿床盘区矿柱回采技术研究

黄浩辉

(铜陵有色金属集团控股有限公司冬瓜山铜矿, 安徽 铜陵 244031)

大团山矿床盘区矿柱回采技术研究

黄浩辉

(铜陵有色金属集团控股有限公司冬瓜山铜矿, 安徽 铜陵 244031)

随着-580m以上矿段即将开采完毕，为准备接续与合理利用资源，需要进行盘区矿柱回采技术研究。针对Ⅳ号盘区31A和35勘探线处宽度均为30m的储量丰富且利用价值高的矿柱，通过理论分析与数值模拟，确定35#矿柱从-490m往下开始回采宽度不超过23m，31A#矿柱在Ⅲ盘区充填前的回采宽度为10m，采用1∶6～1∶10胶结充填后回采两边各留5m厚矿体的回采方案。从现场的效果来看，矿柱回采后应力及位移均在安全范围，开采区域应力条件良好，无明显的围岩开裂及垮冒等发生，该开采方案对盘区矿柱的回收起到了重要作用。

盘区矿柱； 数值模拟； 回采； 塑性区

1 前言

随着矿体回采的不断进行，开采技术条件简单的矿产越来越少，目前国内外许多矿山都逐步进入二步骤或三步骤的矿柱及残矿的清点回收，然而矿柱回采面临许多复杂的技术与经济问题，为合理确定各个开采技术指标，需要进行大量而详细的技术研究，因此关于矿柱及残矿开采方面的课题也越来越多[1～7]。本研究中冬瓜山铜矿大团山矿床为狮子山矿田内的一个中型规模的铜矿床，为东、西狮子山矿床采矿生产的接替矿床，现大团山矿体有4个生产中段和3个开拓中段，生产能力为1 800t/d。随着-580m以上矿段开采工作即将完成，为了加强矿产资源的利用，盘区矿柱回采已经提上近期的生产计划。本研究主要考虑Ⅳ号盘区矿柱回采，Ⅳ盘区在31A勘探线和35勘探线处垂直矿体走向各留设一连续矿柱，两矿柱在-580m中段以上沿矿体走向宽均约为30m，矿柱厚度即为矿体厚度，储量丰富且可靠，有很大的回采利用价值[8～11]。根据冬瓜山铜矿大团山矿床各矿段的生产现状，在盘区矿柱回采之前，为保证安全合理的开采，除采用相关技术措施外，有必要对两盘区矿柱及两翼矿床的采空区进行稳定性研究，为最大限度地安全回收矿柱提供技术支持。

2 大团山矿床矿岩条件及开采现状

2.1 矿床矿岩条件

通过对大团山矿段-580m以上块段岩体结构调查发现，大团山矿床所处地块比较稳定，新构造活动不明显，矿床附近构造为断裂不发育的简单单斜构造，受区域构造控制，矿区深部主应力方向为北东—南西向，但浅部的主应力方向有所变化。从矿床类型、开采条件来看具有类比性，狮子山矿床坑道所穿过的围岩除有重要工程设施和大的构造破碎带采用混凝土砌衬和木支护外，其他皆不支护，无片帮、冒顶现象发生，稳定性良好。从-580m中段以上岩体结构分类来看，以块状和层状结构为主，而且层面通过后期的变质、蚀变结合力强，岩体CSIR综合分类亦表明岩体具有中等—良好的稳定性。对于侵入岩与围岩的接触带，蚀变较为严重或有Ⅲ级结构面(较大断层)出现的部位，其岩体稳定性较差，当其与节理组合时，容易出现岩体冒顶和垮落[12～13]。由上可知，大团山矿床的矿岩硬度大、力学强度高，岩体结构简单、完整性较好，围岩岩体评价质量好，分级类型为Ⅱ类，这为Ⅳ号盘区矿柱的开采提供了良好的条件。

2.2 矿床开采现状

目前Ⅰ盘区、Ⅱ盘区和23#矿柱开采已结束，在21线至27线留有约62万m3的空区。Ⅲ盘区因矿体倾角在-520m变化大，分为两部分大孔落矿开采，即分别在-527m和-565m布置底部结构，在-520m矿体倾角变化较大处留有宽20m的垂直矿柱将上下分开，空区体积约12.6万m3。Ⅳ、Ⅴ盘区均垂直走向布置，其中Ⅳ盘区已回采完毕进行胶结充填，Ⅴ盘区正在回采。大团山矿段在-580m中段的采准设计中，根据采矿需要留设有盘区间柱。Ⅱ～Ⅴ盘区之间均留有宽30m矿柱。Ⅲ盘区与Ⅳ盘区之间在31A勘探线的位置留设了约30m的盘区间柱，即31A#矿柱。Ⅳ盘区与Ⅴ盘区之间在35勘探线的位置留设了约30m的盘区间柱，即35#矿柱。目前，Ⅴ盘区正在进行回采，Ⅳ盘区正在进行1∶6的尾砂胶结充填，根据生产现场实际情况并考虑经济效益，对31A#矿柱和35#矿柱进行部分回采。

3 矿柱回采后的稳定性分析

3.1 数值模拟范围及参数

对31A#与35#矿柱进行部分回采会加大采空区的走向长度，使空区长轴方向更长，将会减少矿柱有效荷载体积，恶化顶板受力环境，必然引起盘区矿柱以及空区周围岩体力学状态的相应变化。通过数值模拟分析，矿柱部分回采后较矿柱未回采前的初始状态采空区顶板会出现拉应力区，且拉应力区大小与范围均会随着开采宽度的增加而增加，矿柱局部区域则出现剪应力集中现象，最大剪应力值接近或超过围岩的抗剪强度。这表明矿柱可能处于临界稳定状态，极容易受外界不利因素的影响而发生破坏。为了研究矿柱回收的可行性，采用岩石力学数值模拟分析的方法分别对回采方案进行稳定性分析。

考虑到Ⅳ盘区空区进行了1∶6的尾砂胶结充填处理，能在一定程度上改善矿柱的受力情况，计算矿柱上部荷载时可适当放宽。31A#矿柱负担的覆盖岩层范围，空区走向方向矿柱南部取45m，矿柱北部取35m，此范围内空区平均跨度为16～78m，考虑到该矿柱内20m宽的垂直矿柱及斜矿柱的存在，故负荷可取30m，顶板厚度平均为580m；35#矿柱负担的覆盖岩层范围，空区走向方向矿柱的南部可适当放宽到30m，矿柱北部取25m，此范围内空区平均跨度为22～92m，考虑到有垂直矿柱存在，负荷平均可取25m，顶板厚度平均为620m，其它参数不变。

3.2 模型建立

本次建模为三维模型，选取ANSYS软件建立实体模型，划分网格后导入FLAC3D中进行运算。其中模型X方向为沿矿体倾向方向(西—东)，Z方向为矿体走向(南—北)，Y方向为铅直方向。建立模型时，XY剖面分别选取27线、31A线、35线、39线勘探线剖面图，XZ剖面分别选取-460m平面、-520m平面、-565平面、-630m平面及-670m平面。模型Y方向底部由-670m平面下推200m，X方向由矿柱最近端分别外推约100m，Z方向由27线和39线分别向外推200m和150m。固定以上5个边界的位移和速度，矿柱实体模型示意图如图1，整体模型如图2所示。

图1 矿柱三维实体模型示意图

图2 模型网格划分图

3.3 矿柱回采数值模拟分析

3.3.1 35#矿柱回采数值模拟结果分析

对35#矿柱15m回采数值模拟可以看出，随着矿柱的开挖，原岩应力得到释放，不管是沿矿体倾向还是沿矿体走向，拉应力与剪应力区大小与范围都出现了较大程度的增长，尤其是空区顶柱层中，拉应力区已经从空区上方围岩中蔓延到矿柱上方，最大拉应力值达到2.70MPa，出现在Ⅲ盘区31A#矿柱附近顶板层中，对于35#矿柱15m回采，无论是从水平剖面上还是从空区剖面及矿柱内部剖面上观察，大面积失稳的可能性都不大，故该方案是可行的。

在矿柱15m回采可行的情况下，从经济效益的角度出发，进一步加大回采宽度，即进行35#矿柱20m回采可行性研究。从35#矿柱20m回采后Ⅴ盘区空区剖面应力位移云图看出，顶板拉应力区的范围有所扩大，最大值达到2.90MPa，最大压应力达到30.1MPa，出现在预留垂直矿柱中，剪应力集中区分布在空区腰部，最大值达到6.64MPa，矿柱外表局部区域出现高剪应力集中，可能会带来一定范围的塑性破坏，但破坏区并未贯通矿柱，故该方案是可行的。

矿柱25m回采后数值模拟结果显示，随着35#矿柱25m开挖后，相对于20m回采，顶柱层中应力位移状况变化很小，最大剪应力仅增加了0.03MPa，大小主应力仅增加了0.01MPa，位移变化不足10mm，如果仅从矿柱内部受力来看，反而比20m方案还要好，但位移量突然发生剧烈变化，表明此时矿柱已经难以独立承担荷载，需依靠围岩和所预留垂直矿柱来转移并负担应力，只要在回采过程中及时采取相关安全措施，保障回采工作的安全进行，该方案在一定程度是可行的。从35#矿柱30m回采后数值模拟结果看出，最大拉应力已经达到3.27MPa，已经接近岩体极限抗拉强度，空区腰部的剪应力集中区最大剪应力达到7.31MPa，已经达到岩体极限抗剪强度，故该方案难以满足安全要求。

3.3.2 31A#矿柱回采数值模拟结果分析

由31A#矿柱10m回采后数值模拟结果可知，顶柱层中最大拉应力达到3.34MPa，最大压应力达到36.6MPa，尽管有垂直矿柱的存在，空区顶板仍然布满了拉应力，且最大值也超过了3MPa，达到3.19MPa，最大剪应力达到了6.9MPa，而从各个剖面的位移情况来看，未见明显的异常产生，虽然个别应力偏高，但并未达到极限强度，故该方案是可行的。

从31A#矿柱15m回采后数值模拟结果可知，15m回采后顶柱层中应力值进一步加大，最大拉应力已经达到3.49MPa，已经非常接近本次模拟预设矿体抗拉强度，顶板层中拉应力高达3.55MPa，几乎达到极限抗拉强度，最大剪应力高达7.38MPa，已经超过了岩体极限抗剪强度，故该方案难以满足安全回采的要求。

为研究31A#矿柱最大回采的可行性，在充填Ⅲ盘区的情况下，继续运用数值模拟手段进行研究。从Ⅲ盘区胶结充填后31A#矿柱回采数值模拟结果云图来看，主要威胁来源仍然是拉应力，最大拉应力达到3.44MPa，已经接近极限抗拉强度3.7MPa。从盘区充填体剖面情况看，最大位移量在170mm左右，但从周围围岩的情况来看围岩位移量较小，且受力状况较为良好，最大拉应力为1.07MPa，最大剪应力为4.67MPa左右，均未超过极限强度。从矿柱剖面来看，位移量数值分布合理均匀，无明显突变产生，最大剪应力为6.02MPa，最大拉应力为1.91MPa，最大压应力为30.5MPa，均未超过极限强度。从空区剖面来看，压应力达到了41.9MPa，这应该是整个大团山矿柱回采中产生的最大压应力。

4 结语

综上所述，一方面从数值分析结果可知，回采过程能及时采取必要安全措施的情况下，若35#矿柱从上到下全部回采，25m回采宽度方案位移过大，表明矿柱内部塑性破坏激烈，有一定的风险，建议回采宽度为20m。若35#矿柱从-490m往下开始回采，可回采25m，另一方面考虑到前面岩石力学理论分析25m回采是不可行的，故推荐可回采宽度不超过23m(取20～25m中间值)。

对于31A#矿柱而言，其两侧形成了两个较小的拉应力区，很好地避免了拉应力区的传递和扩大，从数值模拟结果来看，受剪应力的提高影响较大，在某些剪应力集中部位会出现压碎破坏，且矿柱临空区暴露面均出现了拉应力集中区，但由于充填体力学作用，矿柱受力状况得到改善，充填前15m回采宽度方案中的个别受力已经超过了围岩极限强度，该方案具有一定的风险，故充填前建议回采宽度为10m，对于充填后的回采，经过数值模拟，两边各预留5m的间柱后受力状况较为良好，能满足安全回采要求，故充填后回采宽度为20m。

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Research of panel pillar stoping in Datuanshan deposit

As the mining of above -580m ore block will be finished, and for the preparation of succeeded and rational use of resources, the panel pillar stoping technology was researched. Aiming at the 30m pillar at 31A and 35 prospecting line,Ⅳ panel, which has abundant reserves and high use value, through theoretical analysis and numerical simulation, the stoping scheme was determined that the mining width of No.35 pillar down from -490m is not more than 23m, and the stoping width of No.31A pillar is 10m before the third panel filling, and keep 5m thick orebody on each side of stoping after cemented filling with 1∶6～1∶10 cement-sand ratio. The spot effect was that the stress and displacement were in safe range after pillar stoping, and the stress condition in mining area was good, no obvious surrounding rock cracking and collapse. The mining method played an important role in panel pillar stoping.

panel pillar; numerical simulation; stoping; plastic zone

TD853.391

A

2017-02-26

黄浩辉(1975-)，男，安徽桐城人，采矿高级工程师，从事采矿工程及岩石力学研究工作。

1672-609X(2017)03-0020-04