安徽姑山露天采场开采挂帮矿三步骤回采方案设计

杨 剑 杨家冕 尹 裕 刘允秋

(1.马钢(集团)控股有限公司桃冲矿业公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

姑山挂帮矿三步骤回采对象为盘区穿脉，是一步骤回采和二步骤回的联络道，是盘区最后回采部分，等同于矿柱回收，矿体遭受了一步回采和二步骤回采的连续破坏，回采难度加大。姑山露天采场挂帮矿东北部1#、2#穿脉矿体位于-130～-100 m水平，高度30 m，长度为70～110 m，与其相连的矿房类似，按已有工程，可划分为-130，-120，-110 m 3个分段。二步骤回采已经充填完毕，已经具备了回采条件。三步骤回采矿体主要为一步骤回采、二步骤回采充填后各穿脉纵向未回收的矿体，以一个完整的中段为例，穿脉上部有约6.5 m高、10 m宽、与穿脉同长的矿石，加之穿脉两帮矿石，构成了1个中段三步骤回采的矿量。

姑山挂帮矿矿体底板为辉长闪长岩，顶板主要为辉长闪长岩，部分为黄马青组、周冲村组及大王山组、云合组砂页岩、碳酸盐岩、火山碎屑岩等。矿体顶底板岩性多属半坚硬—松软岩类，稳固性差，裂隙、节理发育。据采场现场调查，由于矿区常年疏干，地下水位逐年下降，第四系砂卵砾石层因失水变得更加松散，局部坍塌、滑落现象时有发生。此外，高岭土化辉长闪长岩浸水后成泥状，脱水后则成土状，极易发生滑动和坍塌。总体上，采场工程地质条件复杂。为有效回收姑山露天采场挂帮矿资源，本研究对相应的三步骤回采技术方案进行设计，并进行优选。

1 数值模拟分析

1.1 模型构建及参数确定

本研究结合姑山采场挂帮矿的工程地质条件、矿体赋存条件及拟用采矿方法的特点，为完全模拟开采过程、顶板围岩受采动影响的过程、各采矿方法开采过程中采场的稳定性以及采场充填后的围岩应力变化[1-3]，以-130 m中段为建模的基础数据，进行不同采场参数及回采工艺情况下采场稳定性数值模拟分析。三步骤回采数值模拟计算模型见图1。

图1 三步骤回采数值模拟计算模型

根据姑山露天采场挂帮矿的工程地质特征、室内岩石的物理力学参数以及此次计算要求，经归类及工程处理后，设计了4种力学介质，即上盘岩体、矿体、下盘岩体和充填体[4-5]。4种力学介质的物理力学参数取值见表1。

表1 各种力学介质物理力学参数

1.2 模拟分析

本研究数值模拟方案：方案一，间柱全部回采，矿房尺寸为60 m×10 m×18 m(长×宽×高)，回采完毕后进行充填；方案二，间柱部分回采，两帮各留厚约3 m的矿体，矿房回采尺寸为60 m×4 m×18 m(长×宽×高)，回采完毕后进行充填。2种方案的数值模拟结果见图2、图3。

结合图2、图3，得到了采场最大主应力、最小主应力、顶板位移以及塑性变形体积等数据，见表2。

图2 2种方案回采过程中的最大主应力分布

图3 2种方案回采过程中的位移分布

表2 采场数值模拟分析数据

三步骤回采模拟计算过程中，由于方案一采场两侧均为充填体，在矿房回采后，采场及周围充填体发生了大范围失稳垮塌现象，故而该方案不可行。需要指出的是，方案二在矿房回采过程中顶板易出现应力集中现象，顶板最大压应力为20.26 MPa，小于矿体抗压强度，但回采过程中需要密切关注顶板变化情况，并采取相应措施。

2 三步骤回采技术方案

2.1 回采方案

本研究选择方案二进行回采，即联巷两帮各留厚约3 m的矿柱，矿房回采尺寸为60 m×4 m×18 m(长×宽×高)，回采完毕后进行充填。

2.2 回采顺序

垂直方向上，采场东北部1#、2#穿脉的矿体回采高度为30 m，垂直方向回采顺序可以由上往下，也可以由下往上进行，不同回采顺序的特点对比见表3。分析表3可知：本研究选择自上而下的回采顺序。

表3 回采顺序特点对比

水平方向上，平面上每个分段按24 m长度划分，由内向外依次回采和充填。1#、2#穿脉按长度80 m考虑，每条穿脉分3～4次回采。

2.3 回采工艺

(1)凿岩爆破。采用浅孔凿岩方式，沿着矿柱往上挑顶，尽可能保证矿柱的垂直度，每次凿岩前须清理矿房顶板和两侧顶板浮石。按原有爆破方式爆破落矿。

(2)出矿及充填。采用铲运机出矿，落矿完毕后尽快出完矿房内的崩落矿石。矿房出矿完毕后应尽早充填，充填强度与二步骤回采矿房充填方法相同。

(3)支护。①锚杆支护，在穿脉顶板和侧帮矿柱钢筋网与顶板脱层分离处补打锚杆，将钢筋网紧贴于顶板，支护网度为1.0 m×1.0 m～0.8 m×0.8 m，-110，-100，-82 m分段水平在矿房长度方向上补打1排长锚索，锚索间距为3 m，锚索长度为5 m；②喷浆，补打锚杆完毕后，进行顶板全喷浆，喷浆厚度为50～100 mm。

(4)安全要求。每个中段矿石回采完毕后对矿体上盘揭露的围岩面进行锚网支护，与顶板形成下部采矿的预控顶；对回采过的间柱进行浮石检撬，消除倒挂现象，并进行锚网支护或锚网喷支护。

3 结 语

根据姑山露天采场挂帮矿开采技术条件及现场实际情况，设计了适用于该矿三步骤回采的技术方案，通过数值模拟分析，优选出了最适宜的开采方案，安全高效回收了采场东北部的1#、2#穿脉联巷的矿体，回收率达到60%，贫化率为8%，共采出三步骤矿房矿石47.86万t，提高了矿石回采率，经济效益显著，可供类似矿山借鉴。