采場點柱回收數值模擬研究與應用

孫祥鑫，馬明輝，王祿海，李建杰

（1.北京科技大學土木與環境工程學院， 北京 100083；2.山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州市 261442）

采場點柱回收數值模擬研究與應用

孫祥鑫1，馬明輝2，王祿海2，李建杰2

（1.北京科技大學土木與環境工程學院， 北京 100083；2.山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州市 261442）

三山島金礦是我國第一個進行海底采礦的硬巖礦山，礦山逐步采用上向分層進路充填采礦法取代點柱式機械化上向水平分層充填法開采，并在接頂充填后將采場內點柱進行回收。通過FLAC3D數值模擬方法，計算和分析點柱回收后采場頂板變化和穩定性，提出最優回采方案，為三山島金礦直屬礦區點柱回收提供了技術支持。

三山島金礦；點柱回收；數值模擬；回收順序

山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦包括直屬、新立、平里店3個礦區。其中直屬礦區采用的采礦方法有點柱式機械化上向分層充填法［1］、上向分層進路充填采礦法和機械化盤區充填采礦法［2］。伴隨著黃金價格的不斷攀升，點柱法采場正在逐步改為進路法采場，即點柱采場當前層回采結束后進行接頂充填，下層回采采用進路法。在點柱采場接頂充填后，部分下盤或邊幫存在高品位點柱，可以通過在充填尾砂中施工進路進行回收。本文以258＃采場點柱回收為例，通過采用FLAC3D軟件建立了采場模型，模擬不同的點柱回收方案，通過分析頂板變化情況，提出最優的回采方案，為點柱的安全高效回收提供技術支持。

1 采場環境

1.1 采場概況

三山島金礦直屬礦區－210m中段258＃采場回采已接近收尾階段，在本分層回采過程中發現采場節理裂隙發育，局部區域品位較高，但頂板不穩固、容易冒落，為保證回采安全，更加有效地回收資源，決定本分層結束后進行接頂充填，下一分層采用進路法進行回采。由于局部區域品位較高，經計算發現單個點柱價值超過百萬，因此必須將經濟合理的點柱進行回收，提高資源回收率，降低損失。采場實測圖如圖1所示。

圖1 采場實測示意

1.2 地質條件和礦巖物理力學參數

采場礦體由黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖組成，2種巖性呈漸變關系，礦化連續。礦體直接上盤圍巖為絹英化碎裂巖、絹英巖化花崗質碎裂巖；礦體下盤為黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖或黃鐵絹英巖化碎裂巖。礦巖硬度系數f＝6～14，靠近Fl斷層的礦巖硬度系數f＝4～6，屬半堅硬巖石。通過對直屬礦區巖體工程地質調查、上下盤巖石取樣測試及充填體強度試驗，得出三山島金礦巖體和充填體力學參數如表1所示。

表1 巖體和充填體力學參數

1.3 應力環境

三山島金礦最大主應力位于近水平方向，最大水平主應力值遠遠大于自重應力，三山島金礦地應力場是以水平構造應力為主。最大水平主應力的走向位于北西西向，基本與區域構造應力場最大主應力的方向相一致。使用線性回歸分析的方法，得出了最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力隨深度變化的回歸方程。水平構造應力中最大主應力σhmax垂直礦體走向，最小主應力σhmin沿礦體走向，構造應力變化規律如下［3－5］：

式中，H為垂直方向深度。

2 直屬礦區點柱回收數值模擬分析

2.1 模型的建立

按照采場的實際情況，并在進行了一定優化的基礎上建立了計算模型，如圖2所示。點柱的規格為4m×4m，點柱與點柱邊間距為10m，點柱與圍巖邊間距為10m，圖上部為下盤、下部為上盤，將點柱分為5組，由不同的顏色表示，經濟合理的點柱為圖中編號的4個點柱，下盤右側靠近采聯點柱為1號，下盤左側點柱為4號，中部右側為2號，正中間點柱為3號，其余位置點柱由于品位較低，施工進路困難，所以不再進行回收。

圖2 計算模型

2.2 不同回收方案分析

回收1～4號4個點柱的方案有6種：1—2—3—4，1—2—4—3，1—3—2—4，1—3—4—2，1—4—2—3，1—4—3—2，首先分析兩個點柱撤除后頂板變化情況，比較第一步回收1、2和1、3和1、4三種方案的優劣，回收后在沿傾向方向設置了16個截面分析不同位置的Z方向位移值，模擬結果見圖3。

圖3 采場位移變化

由圖3可以看出，撤除1和4號點柱采場頂板的變形較小，因此在接頂充填結束后，應該首先回收1號和4號點柱。

其次，分析第二步第3個點柱的回收順序，通過回收模擬得出數據，見表2。

表2 不同回采順序頂板位移值

由表2可以看出，1—2—4—3和1—4—2—3兩順序為較優的順序，結合上面模擬的順序，第二步回采4號點柱較優，因此回采的最優順序為1—4—2—3［6－8］。

3 點柱回收方案與施工

（1）充填。首先對已經回采結束的本分層采場進行接頂充填，采場空頂高為3.5m，底部3.1m采用廢石尾砂充填，上部0.4m采用膠結充填，在采聯口進行封閉。

（2）施工通道。待充填結束后，按照預定的點柱回采方案施工通道，首先回收采聯口點柱，然后同時向下盤和邊幫點柱施工通道。

（3）尾砂爆破。通道處于尾砂當中，爆破尾砂成為關鍵問題，爆破尾砂容易發生堵孔、拒爆、爆破效果差等現象，因此在施工中，要求邊打眼邊裝藥，最后安裝導爆管的措施，取得了較好的效果。

（4）支護。通道兩幫尾砂容易垮落，造成頂板暴露面積大、不穩固，因此采用木立柱的支護形式，以保證回采安全。

（5）再充填。回采結束后，對采場進行封閉，按照下部廢石尾砂充填，上部膠結充填的方案進行再次充填。

4 結 論

通過采用FLAC3D數值模擬方法，動態模擬并計算了三山島金礦直屬礦區采場點柱不同回收順序下采場的位移情況和穩定性。結果表明，采場點柱回收應該從下盤和邊幫開始，逐步向內部點柱進行回收，為三山島金礦直屬礦區安全高效回采礦石資源提供了技術依據。在實際應用過程中，按照預定的回收方案，成功將采場內高品位點柱回收，取得了良好的經濟效益。

［1］ 袁 勇，李 威，盧俊華.三山島金礦深部采場的充填與支護技術［J］.礦業研究與開發，2012，32（2）：12－14，54.

［2］ 何順斌，修國林，齊兆軍.交替式盤區機械化充填采礦法在三山島金礦的研究與應用［C］//2010全國采礦技術與裝備進展年評報告會論文集.長沙：中國有色金屬學會采礦學術委員會，2010.

［3］ 彭 康，李夕兵，彭述權，等.三山島金礦中段盤區間合理回采順序動態模擬選擇［J］.礦冶工程，2010（3）：1－2.

［4］ 喬 蘭，歐陽振華，來興平，等.三山島金礦采空區地應力測量及其結果分析［J］.北京科技大學學報，2004，26（6）：2－3.

［5］ 張永亮.東升廟礦柱回采順序研究［J］.礦業研究與開發，2011，31（2）：4－7.

［6］ 彭文斌.FLAC3D實用教程［M］.北京：機械工業出版社，2008：81－89.

［7］ 陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2009：101－102.

［8］ 管佳林，羅周全，馮富康，等.盤區隔離礦柱回采順序數值優化［J］.礦業研究與開發，2012，32（3）：18－21.

2012－08－17）

孫祥鑫（1987－），男，河北邯鄲人，研究生，主要從事采礦與巖石力學、爆破和支護方法、礦產資源戰略的研究。