黄沙坪矿区阶段空场嗣后充填法采场结构参数研究

2022-08-17马金亚廖九波王筱添

采矿技术 2022年4期

马金亚，廖九波，王筱添

(1.湖南有色黄沙坪矿业有限公司，湖南郴州市 423000； 2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 3.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

0 引言

地下金属矿开采作为国家工业发展的基础行业，对于各行各业的工业生产有着不可替代的重要作用。采矿行业是一个具有较大危险性的行业，存在的安全风险点较多，在开展采矿作业时，需要将存在的安全风险点排除，以获得良好的作业环境。地下矿山采矿作业风险来源影响最大的是采场的结构参数，矿体开采后，采场是否能维持稳定是安全作业的关键性因素。因此选择安全性最好、经济效益最大的采场结构参数是决定矿山企业经营好坏的根本。

矿房长度、间柱宽度、顶柱厚度和底部结构等是地下矿山采场结构的主要组成部分。针对上述采场结构参数，已经有众多的学者开展了相关的研究。胡建非等[1]建立了基于博弈论-改进TOPSIS的采场结构参数优化模型；杨海彬等[2]对某金矿的采场结构参数及回采顺序进行了优化研究；焦国芮等[3]针对缓倾斜极薄矿体的采场结构参数进行了优化研究；陈晖等[4]研究了“三软”条件下某金矿采场的最优结构参数；郝益民等[5]以金山店铁矿为工程背景，结合理论计算与数值模拟得出了既能保证采场稳定，又能兼顾高效生产的采场结构参数；张明天等[6]采用3D-σ有限元软件对不同跨度顶板的稳定性进行了数值模拟分析，优化了矿段的采场结构参数；龚原等[7]将熵权-理想点法评价模型引入采场结构参数优化研究；周乐等[8]将充填体力学问题简化为平面应变问题,推导出充填体在一侧暴露情况下的底部剪应力表达式，提出一种采场结构参数的优化方式；欧任泽等[9]为解决地下矿山安全隐患的问题，利用3D-σ有限元法对采场结构参数进行了优化研究；孙国文等[10]对松湖铁矿无底柱分段崩落法采场结构参数进行优化，提升了矿石总回采率。

为获取合理可行的地下矿山采场结构参数，利用FLAC3D模拟软件进行模拟试验，对黄沙坪矿区钨钼厚大矿体采场结构参数进行优化设计。

1 矿山概况

黄沙坪矿业主要回采铅锌矿石，探明的铅锌矿体厚度较薄，价值高。经前期的技术经济对比，选择了上向水平分层废石充填采矿法回采铅锌矿石。上向水平分层废石充填采矿法回采铅锌矿石可有效提升矿石的回采率，降低矿石贫化率。但是该方法存在生产成本与管理费用较高、生产效率较低等问题。

近年来，黄沙坪矿区深部的探矿发现了大量的钨钼矿石，以探明的W216-4矿体为例，其钨钼多金属矿石量1 823 197 t，平均品位为WO3：0.35%，Mo：0.05%，Bi：0.06%，Fe：19.92%，CaF2：27.61%，倾角为70°～88°，平均厚度为63 m，矿区水文地质条件、工程地质条件和环境地质条件均为中等类型。由此可知，探明的钨钼矿石赋存条件良好，矿体厚大、品位较高，综合价值较高，资源储量可靠，具备开发价值。黄沙坪矿区钨钼厚大矿体赋存条件好，可采用阶段空场嗣后充填采矿法回采矿石。

针对上述问题，应在目前的市场行情和开采技术条件下，通过采矿方法的研究和优化，选择合适的采矿方法，有效控制和降低生产成本，提高资源回收率，提高采矿效率，保障井下回采安全，保证企业的利润。基于此，本文对黄沙坪矿区厚大矿体采场结构参数进行研究。

2 采场结构参数数值模拟

2.1 模拟计算方案

针对黄沙坪矿业的工程实际，进行数值模拟分析。沿走向布置分段凿岩阶段空场嗣后充填法，主要针对矿房长度、矿柱宽度、顶柱厚度3个决定采场稳定性的因素进行分析，顶柱留设在两个采场之间，上部和下部采场采高均为80 m。

根据前述分析，沿走向布置选取矿房长度、间柱宽度、顶柱厚度作为正交试验的3个因素，每个因素4个水平；针对垂直走向布置选取一步骤矿房宽度、二步骤矿柱宽度、顶柱厚度作为正交试验的3个因素，每个因素4个水平，因素和水平选取见表1。

表1 正交数值模拟试验因素和水平

2.2 岩石力学参数选取

黄沙坪矿区岩体力学参数来源为取自黄沙坪矿区的岩体进行的岩石力学参数特性室内试验所得结果，岩石力学参数见表2。

表2 岩体力学参数

3 数值模拟结果分析

3.1 综合分析

各因素对采场稳定性的影响见表3，分析结果中的数值越大代表采场越不稳定。

表3 多指标综合直观分析（无量纲）

从表3可以看出，矿房长度的极差最大，对采场的稳定性影响最大，矿房长度越大采场越不稳定；矿柱宽度和顶柱厚度对采场稳定性影响的敏感性相近。随着矿房长度的增大，采场的稳定性逐渐降低；随着矿柱宽度的增大，采场的稳定性逐渐提高；顶柱厚度对采场稳定性的影响非常小，且没有明显的规律。

3.2 间柱压应力分析

间柱压应力直观分析见表4。

表4 间柱压应力分析

从表4可知，矿柱宽度的极差最大，说明矿房宽度对压应力的影响最大，并且随矿柱宽度越大，间柱压应力越小；其次为矿房长度，矿房长度越大，间柱压应力越大；顶柱厚度对压应力大小的影响相对较小。在各采场结构参数的组合下，间柱压应力的变化范围为21～24 MPa，并未产生过大的压应力。故所选取的采场结构参数组合均可以实现稳定的要求。

3.3 顶板沉降位移分析

各方案矿房回采后的顶、底板竖向位移见表5。由表5可知，矿房长度的极差最大，说明矿房长度对顶板沉降变形的影响最大、最敏感；其次为矿柱宽度的影响；而顶柱厚度对顶板沉降变形的影响程度非常小。

表5 顶板沉降变形分析

根据以上分析认为，矿房长度是对顶板沉降变形影响最大的因素，并且顶板沉降位移随矿房宽度的增大而增大。因此，为确保回采矿石的稳定性，不应选取较大的矿房长度，但是矿房长度越大，采出的矿石量越多，故应在采场稳定性与采出矿石的控制下取临界值。

3.4 采场结构参数选择

根据容许极限位移量判据可知，小于30 mm的位移对采场稳定性基本不构成影响。矿房长度为50 m时，采场顶板沉降位移非常接近30 mm，因此，兼顾采下矿石量与采场稳定性的考虑，矿房长度应选取50 m。

根据上述影响程度分析，顶板沉降随矿柱宽度的增大而减小，矿柱宽度越大，矿石的损失率越大。因此，兼顾采场稳定性与矿石回采率，矿柱宽度应可同时满足上述两点要求。根据模拟结果，矿柱宽度在8～12 m范围内时，顶板沉降均小于30 mm，故选取8 m的间柱宽度可以满足稳定性的要求，同时间柱宽度取8 m，矿石的回采率也最大，故建议矿柱宽度为8 m。

顶柱厚度对间柱压应力的影响为先减小后增大，最优顶板厚度为5 m。