冬瓜山銅礦隔離礦柱開(kāi)采方法及穩(wěn)定性分析

汪洪濤 隋少飛

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦)

冬瓜山銅礦是我國(guó)深井開(kāi)采的代表礦山之一，礦區(qū)礦體厚大且圍巖穩(wěn)固，開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)巖爆等現(xiàn)象。針對(duì)礦區(qū)的開(kāi)采條件，采用預(yù)留隔離礦柱的分礦房礦柱階段空?qǐng)龇ㄋ煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采［1-7］，礦房膠結(jié)充填，礦柱非膠結(jié)充填，待礦房和礦柱回采完后再回采隔離礦柱。隨著資源的進(jìn)一步消耗，隔離礦柱成為開(kāi)采對(duì)象;但是開(kāi)采隔離礦柱時(shí)，由于開(kāi)采深度達(dá)1 000 m左右，地壓現(xiàn)象凸顯，開(kāi)拓巷道掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象及巖石壓裂的聲音。鑒于此，研究采用何種開(kāi)采方法實(shí)現(xiàn)安全高效地回采隔離礦柱及確定其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)成為必要。

1 冬瓜山銅礦開(kāi)采技術(shù)條件

冬瓜山礦區(qū)是我國(guó)開(kāi)采深度達(dá)1 000 m以上的銅礦床，儲(chǔ)量達(dá)9 546萬(wàn)t。50#～58#勘探線內(nèi)礦體范圍為首采區(qū)，本礦段走向上長(zhǎng)度為400 m，寬平均為380 m，真厚度為38.1 m，礦體厚度大于50 m時(shí)采用隔2～3個(gè)盤(pán)區(qū)回采1個(gè)盤(pán)區(qū)的方式，中厚礦體開(kāi)采為隔1個(gè)盤(pán)區(qū)回采1個(gè)盤(pán)區(qū)，礦房先開(kāi)采，再采礦柱，礦房膠結(jié)充填，礦柱非膠結(jié)充填，預(yù)留隔離礦柱的分礦房礦柱階段空?qǐng)龇ㄋ煤蟪涮?見(jiàn)圖1)。第三盤(pán)區(qū)為垂直走向劃分采場(chǎng)，采場(chǎng)分礦房礦柱，礦房、礦柱長(zhǎng)82 m，寬為18 m。預(yù)留盤(pán)區(qū)間隔離礦柱的長(zhǎng)度是礦體的寬度，大概為350～420 m，寬度18 m。

圖1 預(yù)留隔離礦柱的分礦房礦柱階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?/p>

2 隔離礦柱開(kāi)采方法選擇

2.1 隔離礦柱開(kāi)采方法選擇依據(jù)

隔離礦柱開(kāi)采方案的選擇要考慮的因素很多，包含安全程度、回收率、貧化率、開(kāi)采成本等。綜合各種開(kāi)采技術(shù)條件，總結(jié)出冬瓜山礦隔離礦柱的開(kāi)采方案選擇應(yīng)遵循下面幾點(diǎn):①開(kāi)采結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性;②開(kāi)采能力的大小，開(kāi)采效率的高低;③爆炸沖擊力的大小，對(duì)高階段充填體的破壞程度;④貧化損失率的范圍，開(kāi)采效益的高低;⑤地壓控制與管理難易程度。

2.2 采礦方法

隔離礦柱寬度為18 m，長(zhǎng)度為礦體水平厚度，大概在300～420 m，兩側(cè)為高階段膠結(jié)尾砂充填體。為了發(fā)揮冬瓜山銅礦無(wú)軌大型深孔鑿巖設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，提升開(kāi)采效率，保護(hù)環(huán)境及控制地壓，規(guī)定隔離礦柱用大直徑深孔嗣后充填法開(kāi)采，多個(gè)采場(chǎng)同時(shí)開(kāi)采，嗣后一次全尾膠結(jié)填充采空區(qū)，隔離礦柱開(kāi)采方法如圖2所示。

2.3 采切工程

采切工程盡量利用以前布置在隔離礦柱里的采準(zhǔn)工程，鑿巖硐室采用以前的采準(zhǔn)工程內(nèi)的上部采準(zhǔn)平巷、聯(lián)絡(luò)道，鑿巖硐室內(nèi)留部分礦柱支撐硐室頂板。出礦進(jìn)路利用以前隔離礦柱里的穿脈，采用V形塹溝集礦，施工V形塹溝的中深孔炮孔排距為1.8～2 m。

圖2 大直徑深孔嗣后充填法方案

2.4 回采作業(yè)

采用T－150潛孔鉆機(jī)鉆鑿下向深孔，炮孔直徑為165 mm，炮排距×孔間距為3 m×3 m，邊孔參數(shù)為2 m×2 m，每次崩礦長(zhǎng)度是8 m左右。采用V型塹溝集礦，經(jīng)振動(dòng)放礦機(jī)落礦至礦車(chē)，然后到主溜井。回采完采用全尾膠結(jié)充填。

3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 回采作業(yè)

根據(jù)冬瓜山銅礦隔離礦柱深井開(kāi)采技術(shù)條件，選擇3種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇:方案一為采場(chǎng)寬14 m，長(zhǎng)32 m，永久礦柱厚4 m;方案二為采場(chǎng)寬14 m，長(zhǎng)28 m，永久礦柱厚4 m;方案三為采場(chǎng)寬12 m，長(zhǎng)30 m，永久礦柱厚5 m。

3.2 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

采用MIDAS/GTS建模，然后導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果內(nèi)剖選各方案54#勘探線的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大位移和塑性區(qū)計(jì)算云圖，如圖3～圖8所示。

圖3 方案一下54#勘探線內(nèi)隔離礦柱最大主應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果表明:①隨著采場(chǎng)的回采，頂板與兩邊礦體呈現(xiàn)應(yīng)力集中。從最大主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采場(chǎng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，采場(chǎng)寬度越大時(shí)，圍巖里面的最大主應(yīng)力越大。采場(chǎng)的長(zhǎng)度為28 m、寬度為14 m時(shí)最大主應(yīng)力最小，數(shù)值是40.19 MPa;采場(chǎng)的長(zhǎng)度是32 m、寬是14 m時(shí)最大主應(yīng)力最大，數(shù)值是40.24 MPa。②采場(chǎng)永久礦柱厚度由4 m增加至5 m時(shí)，圍巖拉應(yīng)力值明顯降低，降低到1 MPa上下。③隨著回采的進(jìn)行，頂板發(fā)生較大的位移，采場(chǎng)的長(zhǎng)度為32 m，寬度為14 m時(shí)垂直位移最大，數(shù)值是26.3 cm，安全性最差。④當(dāng)采場(chǎng)寬是14 m，長(zhǎng)是32 m，永久礦柱厚度是4 m時(shí)，采場(chǎng)塑性區(qū)范圍最大;當(dāng)采場(chǎng)寬是14 m，長(zhǎng)是28 m，永久礦柱厚度是4 m時(shí)，采場(chǎng)塑性區(qū)范圍最小，此組參數(shù)被定為隔離礦柱的最終采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)為了發(fā)揮冬瓜山銅礦無(wú)軌大型深孔鑿巖設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，提升開(kāi)采效率，保護(hù)環(huán)境及控制地壓，規(guī)定隔離礦柱用大直徑深孔嗣后充填法開(kāi)采，多個(gè)采場(chǎng)同時(shí)開(kāi)采，嗣后一次全尾膠結(jié)填充采空區(qū)。

(2)通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件模擬3種不同的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析采場(chǎng)的穩(wěn)定性。當(dāng)采場(chǎng)寬是14 m，長(zhǎng)是28 m，永久礦柱厚度是4 m時(shí)，最大主應(yīng)力、采場(chǎng)塑性區(qū)范圍最小，此組參數(shù)定為隔離礦柱的最終采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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