金川二矿区1 000 m中段水平矿柱形成及回采技术研究

汪小平，程国龙，李建东，康陇平，程国祥

(金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)

水平矿柱是多中段同时回采的产物，矿柱的留设对采场的稳定性至关重要，矿体开采过程中顶部需要一个保护层，既要确保整体稳定性，又要确保采空区稳定性，水平矿柱充当此角色，承载采场及空区[1-2]。但是，随着开采深度增大，中段之间的矿柱越来越薄，水平矿柱变薄势必造成应力的集中，随应力集中程度加大，矿柱会逐步破坏，回收难度增大，资源浪费严重，甚至导致井下作业人员严重伤亡事故[3-4]。

金川二矿区1#矿体1 000 m和850 m两中段同时开采，1 000 m中段现已揭露的矿岩节理裂隙更发育、围岩稳定性更差，裂隙水较上部丰富，采场地压显现将更加剧烈。1 000 m中段的开采现已对850 m中段的回采产生了明显的应力集中，从1 038 m分段回采现状可知，1 000 m水平巷道现已频发严重的冒顶片帮、底鼓、蠕变变形破坏等强烈的地压显现现象。当1 000 m水平运输道完全破坏废弃时，1 000 m中段底部将无运输平面，而1 000 m中段水平矿柱是1 018 m分段回采结束后的接替分段工程，是二矿区保证连续高产的有力保证。按照目前二矿区采掘关系，水平矿柱回采应尽快合理建设，以确保后续生产的顺利衔接。

1 二矿区1 000 m中段水平矿柱回采现状

近年来，二矿区的矿石产量维持在400万t以上，1 150 m中段盘区消失后，1 000 m中段和850 m中段的生产压力不断增加，作为二矿区当前的主力生产中段，近年来1 000 m中段的年均出矿量达到了234万t，实现了满负荷生产。1 000 m中段仅剩余底部水平矿柱986～1 008 m段矿体，按照当前的回采速度，1 000 m中段各盘区预计在2021年7月将完全转入1 018 m分段。

二矿区目前的开拓方法为“竖井+斜坡道”，采用机械化下向分层水平进路胶结充填采矿法，主要回采位于6行至25行之间的矿体，根据矿体赋存条件划分盘区，目前主要开采中段为1 000 m中段和850 m中段，1 000 m中段已经完成1 138 m分段至1 058 m分段共5个分段的回采，目前主要回采1 038 m分段共8个盘区(FC、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅷ盘区)和1 018 m分段共一个盘区(Ⅶ盘区)，剩余1 000 m中段底部水平矿柱986～1 008 m段矿体。目前，1 018 m分段工程正在紧张有序的进行后续转段盘区的建设之中，按照当前的回采速度，1 000 m中段各盘区预计在2019年年底开始相继转入1 018 m分段，2021年7月将完全转入1 018 m分段。850 m中段包含7个盘区，主要回采978 m分段，且Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ盘区要超前一个分层回采。另外，958 m分段正在进行第一个分层巷道的施工。整体开采纵投影图如图1所示。

图1 二矿开采纵投影图Fig.1 Longitudinal projection of the second mining

2 1 000 m中段水平矿柱形成数值模拟

大倾角和厚矿体在多个中段同时回采时，如果在充填过程中接顶情况较差，水平矿柱必然会形成。以二矿区1 000 m中段和850 m中段同时回采模式为例，随着1 000 m中段剩余矿体垂直厚度越来越薄，顶部充填体越来越厚，水平矿柱逐渐形成[3]。

2.1 几何模型建立

数值模拟的关键点来源于二矿区1#矿体各勘探线地质横剖面图以及各分段采矿工程设计图，如图2所示，按照金川二矿区工程实际，将各分段剖面图和平面图关键点提取，再经过坐标变换，得到矿山完整的关键点数据，最终建立起了矿山的数值模型。

图2 勘探线剖面关键点获取图(单位：m)Fig.2 Acquisition map of key points in the section of the survey line

1)建模区域选择：本文采用FLAC3D软件进行数值分析研究，几何模型在竖直方向(Z轴)范围：500 m～地表(地表大概高程为1 740 m)；模型在Y轴方向即沿矿体走向方向范围：4～26行线为中心向两侧共计扩展2 500 m；模型在X轴方向以矿体为中心向上下盘扩展共计2 500 m。整个模型大小为2 500 m×2 500 m×1 240 m。

2)模型边界与破坏准则：本次数值模拟采用摩尔-库仑屈服准则，顶部采用自由边界，将重力加速度设置为-9.81 m/s2，四周和底部采用位移约束(Fix)。矿岩和充填体的破坏主要表现为弹塑性破坏。

3)建立FLAC3D有限差分法几何模型：矿山开采前的矩形有限差分几何模型如图3所示，水平矿柱见图4，本次建模总计1 792 326个节点，基本单元总计923 538个，其中六面体186 524个，楔形体186个，金字塔体35 234个，四面体701 254个。

图3 模型图Fig.3 Model diagram

图4 1 000 m中段水平矿柱图Fig.4 Horizontal mine pillars of 1 000 m middle section

2.2 数值模型初始状态

数值模型建立完成之后，对模型中不同岩性材料赋予矿岩岩体力学参数，施加相应的地应力场和模型边界约束条件，运算至收敛(最大不平衡力为1×10-5为止)。施加初始条件至应力平衡后模型主应力等值云图如图5所示。

图5 初始条件应力等值云图Fig.5 Stress contour map under initial conditions

2.3 数值模拟结果分析

双中段同时下向回采充填，对开采过程中1 000 m中段水平矿柱进行立体开采效应分析，即分别对每两个分层开采充填完毕时的塑性区域分布情况进行详细的分析。随着开采水平下降，水平矿柱也逐渐变薄，当垂直厚度减为28～20 m之间时，1 000 m水平出现了较大范围的破坏区域，矿柱垂直厚度在减为36 m之前时，几乎未出现大的塑形区域，综上所述本次模拟分析重点关注水平矿柱厚度在36～10 m之间，即矿柱塑性破坏区三维分析主要分析矿柱厚度为36、28、20、12 m(见图6～9)。

图6 水平矿柱厚度36 mFig.6 Horizontal pillar thickness of 36 m

图7 水平矿柱厚度28 mFig.7 Horizontal pillar thickness of 28 m

图8 水平矿柱厚度20 mFig.8 Horizontal pillar thickness of 20 m

图9 水平矿柱厚度12 mFig.9 Horizontal pillar thickness of 12 m

分析塑性区随着两中段之间矿体变薄过程可知：在水平矿柱厚度为36～28 m左右时，塑性破坏区区域较小，贯通至1 000 m中段分布少；但在水平矿柱厚度为20 m以下时，塑性破坏区区域明显增大，扩展到整个矿体中部。

1 000 m中段与850 m双中段同时大面积连续开采过程中，临时水平矿柱大于44 m时较稳固；小于36 m时，塑性区接近50%。结合矿区1 150 m中段和1 000 m中段同时开采过程中，1 150 m中段水平矿柱在整体塑性破坏后回采的生产实践，留设长期矿柱已没有意义。

3 水平矿柱回采方案研究

借鉴国内外关于水平矿柱回收方法研究的专业文献[5-6]，结合二矿区生产实际，制定了针对1 000 m水平矿柱的回收方案，以1 000 m水平上盘沿脉运输道作为分段道、978 m水平新掘矿石运输道，将分段划分为东、西部两个独立的回采单元，最大限度地避开了现有在用的重点工程，保障了二矿区安全生产和出矿任务在后续中段衔接过程中有序进行。

1)采准工程布置

受已开凿的溜井、风井、管缆井等工程的限制，以及最大限度地利用1 000 m水平运输道减小掘进工程量，分段道工程可适时选择全部利用1 000 m上盘沿脉运输道和下盘沿脉运输道及部分出矿道。

(1)利用本方案时1 018 m分段按设计回采五层，1 000 m分段回采五层。

(2)按照目前1 000 m水平上盘沿脉运输道返修频率和周围岩石情况看，1 000 m水平上盘沿脉运输道与各穿脉出矿道岔口和1 000 m水平上盘沿脉运输道(1#出矿道至2#出矿道)岩石较差、变形较快，后续需要特殊加强支护(钢管梁/钢筋砼/长锚索)，其他预留区域至少必须采用双层喷锚网+U36钢拱架+锚注支护。

2)分段通风

(1)1 000 m分段道(目前1 000 m水平上盘沿脉运输道)继续利用1 000 m中段通风系统，分段西利用FA2″进风井(1 150～1 000 m)，分段东进风利用FA1″进风井(1 150～1 000 m)，将新鲜风流引入分段巷道，从而进入盘区采场，再由1 050 m副中段进入14行回风井。

(2)978 m水平运输道通风

978 m水平运输道基建时期的新鲜风流经18行副井进入，采用局扇及风筒加强通风。投入使用后新鲜风流经18行副井进入，经978 m水平运输道通过通风排污小井和通风小井排至998 m分段道，再进入采场，通过1 050 m副中段进入14行回风井排至地表。

3)分段矿石运输

998 m分段道(即1 000 m水平上盘沿脉运输道)新掘溜井联络道并施工溜井(1 000～978 m)，并且在978 m新掘矿石运输道1 138.5 m，978 m至1 000 m矿石运输道措施斜坡道202 m，即采场矿石→分段溜井→978 m分段矿石运输道→978至1 000 m矿石运输道→中心溜井→850 m水平有轨卸矿站旁侧的卸矿溜槽中。

利用本方案可安全高效地回收1 000 m中段底部水平矿柱，最大限度地回收矿石资源，为1 000 m中段水平矿柱的安全高效回采提供技术支撑与保障，有利于二矿区的生产组织的有序衔接。

4 结论

1)本文根据金川二矿区1 000 m、 850 m中段开采现状，建立起了矿山的数值模型，模拟水平矿柱随着开采深度变化的形成过程，得出当两中段之间矿体垂直厚度小于36 m时，塑性区接近50%，水平矿柱厚度为20 m以下时，塑性破坏区区域明显增大，扩展到整个矿体中部，矿柱完全破坏。

2)通过对1 000 m中段水平矿柱安全高效回采进行探索和研究，形成了矿柱回采的方案，首次提出将一个分段划分为东、西部两个独立的回采单元进行回采，最大限度地避开了现有在用的重点工程，保障了二矿区安全生产和出矿任务在后续中段衔接过程中有序进行。

3)本文研究成果，可为二矿区850 m中段乃至深部开采工程的底部矿柱的回收提供宝贵的实践经验，起到良好的示范与借鉴作用，有利于二矿区实现长周期安全生产。