阿尔哈达铅锌矿728 m中段采空区顶柱回收方案研究

贾瀚文 周亚博 刘 龙 刘溪鸽 闫保旭(.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳089；.锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒 06000)

空场采矿法不仅遗留了大量的采空区，形成安全隐患，同时残存的顶底柱和边角矿造成了资源的浪费[1]。如何在保证采空区安全稳定的前提下，进行残矿安全高效回采是国内学者关注的热点问题，学者们在空场法残矿回收技术上取得了一系列的研究成果。周科平[2]利用3DMINE-MIDAS-FLAC3D软件耦合的方式，计算某矿山残矿回收后围岩的应力、位移和塑性区变化，以此判别采空区的稳定程度；马姣阳等[3]在柏杖子金矿残矿回收中提出了多分段与底部双堑沟协同拉底的诱导冒落法回采方案；李现区[4]采用斜面蹬碴落矿采矿方法进行残矿回收；常帅等[5]利用斜进路与平底堑沟结构相结合采矿方法回采空区下残矿；王薪荣[6]利用中深孔及束状孔联合整体崩落顶柱与间柱；邓红卫等[7-10]采用FLAC3D数值计算研究空区残矿回采方法。虽然国内学者在空场法残矿回收方面进行了大量的研究，但由于采空区的高度复杂性[11]，不同空区的残矿回收方法也不尽相同，仍需要根据不同的地质工程情况，进行具体残矿回采方法研究[12-13]。

阿尔哈达矿业公司现已回采结束的中段有888、848、808、768 m中段，目前主要回采中段为728、688、648、608、568 m中段。728 m中段以下所有采场，均使用充填法开采，728 m中段以上采场基本为空场法开采。为了提高资源回收率，选择7231采场作为试验地点开展顶柱回收采矿方法试验，待试验成功后，推广至7227采场、7223采场等其他空场法采场顶柱回收。本研究根据阿尔哈达铅锌矿728 m 中段7231采场顶柱的开采技术条件，提出中深孔崩落采矿法，并通过FLAC3D数值模拟验证开采方案的可行性，为阿尔哈达空区下顶柱的回采提供了理论依据。

1 工程概况

7231采场(如图1)位于728 m中段勘探线31线至35线，矿体走向北西，倾向南西，倾角50°～65°，围岩多为板岩，呈灰、灰黑色，局部夹有凝灰岩，矿石及围岩坚固性系数8～10，在矿块内整体未见大的破碎构造和节理，水文情况简单，铅加锌平均品位3.88%，矿物组成主要以Zn、Pb、Fe为主，呈团块状、细脉浸染状、星点状，金属矿物成分主要为方铅矿、闪锌矿、自然银、辉银矿等。顶柱位于763.4 m～768.4 m标高，顶柱厚度5 m，矿体平均厚度3.34 m，沿走向长度85 m，储量4 300 t，顶柱上部为7631采场留矿法采后空区，空区底部含存窿矿及塌落废石，顶柱下部为7231采场充填尾砂体(灰砂比1∶6)，胶结面厚度0.3 m，充填面标高760.45 m，作业面控顶高度2.95 m。采场中部设人行天井、顺路溜井。

图1 7231采场矿体形态Fig.1 Shape of No.7231 orebody

2 顶柱回收方案

7231采场顶柱上部为7631采场空场法采后空区，本着稳妥、安全、可靠的原则，根据地质条件、工程现状设计采用中深孔崩落法回收顶柱。采场进入顶柱回采前的最后分层，按照灰砂比1∶10对7231采场进行充填，充填空顶2.8 m；在充填后的水平开掘至上部中段的铲运机道，在采场两翼掘凿切割天井，炮孔采用垂直扇形布置；回采时，先对切割井扩爆形成切割槽，之后由两翼后退式逐排爆破落矿，崩落矿石经顺路溜井运出，采场及井巷采用管缝式锚杆+钢带+木立柱进行支护。采矿方法如图2所示。

图2 采矿方法示意Fig.2 Sketch of mining method1—充填回风井；2—人行泄水井；3—矿石溜井；4—上中段出矿穿脉；5—上中段采场脉外运输巷；6—铲运机斜坡道；7—切割井；8—矿石；9—存隆矿；10—充填体；11—顶柱

2.1 采场结构及采切工程

采场沿走向布置，长100 m，顶柱厚5 m，矿体厚度2～8 m，铲运机斜坡道处的顶柱(沿走向长度12 m)不回收，作为永久损失。

采场进入顶柱回采前的最后分层充填，确保充填体空顶2.8 m，之后开掘至上部中段的斜坡道，再施工顶柱两翼端部的切割井，为中深孔落矿提供条件。采准参数如表1所示。

2.2 回采工艺

(1)回采顺序。采用后退方式，自两翼向中间溜矿井位置回采崩落顶柱。

表1 采准参数Table 1 Preliminary mining parameters

(2)凿岩爆破。使用QZJ-100B型井下潜孔钻机，炮孔直径100 mm，垂直扇形排列布置，炮孔共计31排(西侧13排，东侧18排)，正常排距2.2 m，孔底距1.5～2.2 m。切割井处设有扩井炮孔，共4排。

(3)出矿方式。采用1 m3电动铲运机出矿，将崩落的矿石倒入采场顺路溜矿井，溜井上设置格筛，下放至中段水平经漏斗放矿，采用7 t电机车和2 m3矿车运出。

(4)通风。新鲜风流经人行井进入采场，经铲运机斜坡道回风上中段。

3 FLAC3D数值模拟研究

针对上节提出的顶柱回收方法，采用FLAC3D软件进行初始原岩应力的构造，开挖、回填采场及回采顶柱，分析顶柱及上下盘应力、位移及塑性区变化规律，验证顶柱回收方案的可行性。

3.1 模型描述

计算模型通过ANSYS-FLAC3D耦合建模方式构建，模型在突出问题核心的基础上做了必要简化。数值计算强度准则选择在岩土材料中普遍使用的摩尔库伦本构模型，通过试算最终确定建立模型标高自地表948 m至578 m。如图3所示，坐标系以矿体走向为Z轴，矿体倾向方向为X轴，铅垂方向为Y轴。计算模型在X方向上的长度为350 m，Y方向上的长度为350 m，Z方向上的高度为300 m，共划分509 105个单元，85 475个节点。

图3 FLAC3D计算模型Fig.3 FLAC3D calculation model

3.2 岩体物理力学参数

根据前期室内岩石力学试验确定本次分析模型中各岩层的力学参数如表2所列。

表2 岩体物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters of rock mass

3.3 模拟开采分析

按实际生产情况一步开挖7631采场，下部留5 m底柱；一步开挖7231采场，按灰砂比1∶10对7231采场进行充填至空顶2.8 m；分6步回采顶柱，每步回采后顶柱沿走向长度分别为80，60，40，30，20，12 m(其中12 m为顶柱残采最小作业空间)，如图4。

图4 顶柱回采过程Fig.4 Sketch of cap pillar mining process

3.3.1 位移分析

在顶柱走向方向中心处(Z=50 m)设置剖面分析顶柱回采过程中，不同顶柱长度(沿走向)时，围岩上下盘及矿柱的垂直位移，数值模拟结果如图5所示。

从图5中可以看出，垂直位移在顶柱的上下盘处较大，顶柱回采第6步结束(即顶柱长度剩余12 m)时，上盘最大垂直位移为4.5 mm，下盘最大位移为4.14 mm，垂直方向位移较小，采场结构较为稳定。

3.3.2 塑性区分析

在顶柱走向方向中心处(Z=50 m)设置剖面分析顶柱回采过程中，不同顶柱长度(沿走向)时，围岩上下盘及顶柱的塑性变形，数值模拟结果如图6所示。

顶柱回采过程中塑性变形主要集中在顶柱上部与斜坡道处，当顶柱回采至长度为20 m时，塑性区域范围逐渐变大，整个顶柱塑性区域并未贯通，顶柱对上盘依然起到支撑作用；斜坡道上部塑性区主要为拉伸破坏，下部塑性区较小，斜坡道整体结构较为完整，足以保证顶柱回采过程中行车行人安全。

4 结 论

(1)7231采场矿体较薄、走向长度大、形态规整、顶板围岩结构完整，且顶柱上部为7631采场留矿法采后空区，适合于中深孔崩落法回收顶柱。

(2)根据7231采场工程现状确定在充填后的760 m水平开掘至上部中段的铲运机道，在采场两翼掘凿切割天井，炮孔采用垂直扇形布置，两翼后退式逐排爆破落矿，崩落矿石经顺路溜井运出的顶柱回收方案。

(3)数值模拟计算结果表明，顶柱回收结束后最大垂直位移出现在矿体上盘为4.5 mm， 塑性区域范围随开采过程逐渐变大，整个顶柱塑性区域并未贯通，斜坡道整体结构较为完整，足以保证顶柱回采过程中行车行人安全。

图6 采场塑性区Fig.6 Plastic zone of stope

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