罕王傲牛铁矿三采区间柱回采方案研究

王 强 胡世利，2 邱景平 邢 军 孙晓刚

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.抚顺罕王傲牛矿业股份有限公司，辽宁抚顺113001）

目前，抚顺罕王傲牛矿业股份有限公司三采区设计开采范围内128～134线的主矿体为Fe15和Fe17矿体，按现在的生产规模开采，大约还有一年半的时间主矿体将全部开采完毕。届时，将遗留矿柱约107万t，且Fe15、Fe17开采矿界下部蕴藏部分矿量，下一步将会对该采区进行扩界设计。为延长矿山服务年限，最大限度回收资源，需要在对矿柱进行回收利用的同时，保证下部采场的稳定［1］。采区内的矿石、围岩都比较稳固，借鉴类似矿山回采矿柱的经验，采取上向水平分层充填法回采矿柱，并提出几种间柱回采方案，通过FLAC3D数值模拟的方法对比不同方案的结果得出优选方案，指导现场施工［2］。

1 工程地质条件

傲牛铁矿三采区主矿体分为370 m、320 m、265 m、215 m 4个中段，采场上部为露天边坡，留有一定厚度的保护顶柱。矿体之前采用分段凿岩阶段矿房法进行开采形成众多空区，由于矿岩的稳固性较好，空区保持稳定。矿体残留矿柱及空区分布详见图1（以Fe15为例）。采场宽度为矿体厚度（平均厚度14 m），顶柱高度8 m，间柱宽度8～16 m。矿床内基岩基本属于坚硬的块状或层状工程地质岩组，岩体较完整，稳定性较好，矿岩硬度系数f=8～14［3］。

2 数值模型

本次模型在建立时，定义模型参数：水平方向1 000 m，竖直方向700 m，宽度取矿体平均厚度14 m。根据Fe15矿体开采现状，空区主要分布在4个中段，需要对各中段的空区进行充填，待充填体达到一定强度之后才能回采矿柱［4-5］。初始定义回采矿柱的顺序为从下至上，本构关系采用Mohr-Coulomb准则，岩石力学参数如表1所示［6］。

3 采空区灰砂比的确定

根据傲牛铁矿现场的情况，若沿用原有的分段凿岩阶段矿房嗣后充填来开采矿柱，考虑到大规模充填体的自立稳定性以及充填配比实验的结果，需要对原有采空区按照1∶6的灰砂比、76%的料浆浓度进行嗣后充填，而现场采空区较多，体积较大，势必造成总体充填采矿成本很高。为降低傲牛铁矿充填采矿成本，矿柱回采宜采用上向分层充填方法，此时矿柱回采按照1∶6的灰砂比、76%的料浆浓度进行分层充填，原有采空区应选用低灰砂比进行嗣后充填，以大幅降低充填采矿成本。

为此，对原有采空区采用1∶6、1∶10、1∶20、水砂充填4种方案进行对比分析，方案见表2，通过FLAC3D数值模拟对比研究确定合理的充填料浆配比［7］。

4个中段间柱回采时，先充填空区，待充填体达到一定强度（28 d强度）后，采用水平上向分层回采间柱，靠近空区充填体一侧各留3 m间隔矿柱，以增加空区充填体的稳定性，对表2中4种方案进行数值模拟实验，得出实验结果。

图2为充填后主应力分布特征。可以看出，留设3 m保护矿柱对充填体的稳定性起到了良好的促进作用，留设矿柱应力集中，且应力分布值要远大于充填体的应力分布值，这是由于矿石与充填体的刚度差异所造成的［8］。由该图可以看出，4种方案充填体区域所受应力均为拉应力0～0.2 MPa，且分布区域相近，这是由于固体充填体在充满空区后，即使受到应力发生破坏，也具有一定的承载能力，这与岩石破坏后的强度很相似［9-10］。方案4水砂充填体拉应力极小，这时容易发生贯通破坏。

4种方案空区充填体内部最大竖直位移值分别为-16 mm、-22 mm、-30 mm、-6 000 mm，且由图3塑性区可以看出，随着所采用灰砂比越来越小，充填体的强度也越来越小，各方面力学性能降低，受到载荷以后发生拉、剪塑性区。由于靠近底柱、间柱处应力集中，所以会优先出现塑性破坏区并贯通，贯通区域面积越来越大，方案4塑性破坏区完全贯通。

由以上应力塑性区分布特征图（见图3）对比分析4种灰砂配比充填空区时对回采间柱的影响，从安全角度考虑，灰砂比越大，采矿安全性越高，这样会大幅度增加采矿成本，灰砂比越小，安全性又会受到限制［11］。故此推荐充填矿房空区灰砂比为1∶10～1∶20。

4 间柱开采方案及模拟结果分析

傲牛铁矿原有遗留采空区均未处理，需要在对采空区充填后进行间柱回采，回采间柱时采场稳定性影响因素较多，需要列举多个方案进行比较，但基于实际情况，主要考虑开采间柱对充填体稳定性影响和降低矿石贫化率2方面，提出表3所示几种开采方案。

对4种方案进行数值模拟分析得出如图4和表4所示。

总体来看，间柱受两侧矿房的开采影响，出现高应力集中的现象，应力集中部分主要分布在间柱的顶、底两端，由于埋深较浅，拉应力区域存在但不明显，不会对采场的稳定性造成较大影响。埋深越深的采场应力集中越明显，最大主应力高达36～38 MPa且均为压应力，远远高于原岩应力，显示出矿柱对维护阶段矿房采空区稳定性的重要作用。由于采场所取得工艺参数较小且矿岩均稳固、不破碎，整体竖直方向位移较小，埋深较大采场底板在侧向水平应力挤压作用下产生向上位移，位移速率为1～2×10-8m/s，随着时间的累积，空区采场底部将会产生鼓包现象。如果不及时充填采空区，这种现象也会影响邻近采场阶段运输巷道的服务年限，给运输回收间柱矿石带来不便［12］。

由图4可以看出，方案1出现大面积的剪切屈服区域且贯通，如果上部采场继续充填，使下部充填体承压继续增大，将会引起下部充填体失稳而发生较大的竖直位移，影响间柱回采，大面积的塑性区是由于上部均布载荷的作用，传递应力的主应力差超出充填的剪切极限［13］；而方案2、3、4只是在靠近顶柱处出现少量拉应力塑性区，说明充填体稳定性相对较好。表3说明了4种方案回采间柱时充填体的破坏程度与方式［14］。

综合分析可知：方案1的矿房充填体很有可能发生剪切破坏，其他方案由于有未开采间柱，矿房充填体与未采间柱有接触支撑和摩擦的作用，可提高相邻充填体的稳定性，且在考虑尽可能地回收矿石，参考国内矿山实例及矿岩稳定性条件，推荐使用方案3。

5 结论

（1）结合矿山实际情况，对胶结充填材料采用4种不同配比进行对比，分析充填后采场的应力分布、塑性区及位移情况，结合经济成本因素，灰砂比推荐选用1∶10～1∶20。

（2）对回采时间柱保留的不同宽度进行对比，在保障安全生产的同时最大程度地回收资源，综合考虑充填体的稳定性和开采的技术条件，采用靠近矿房充填体间柱保留2 m的间柱回采方案。

矿柱回采在提高回采率，增加经济效益，建立资源节约型社会方面具有重要意义。本研究针对傲牛铁矿三采区空区充填以及间柱回采提出设计方案，可为类似矿山提供借鉴和参考。