阿爾哈達鉛鋅礦728 m中段采空區頂柱回收方案研究

賈瀚文 周亞博 劉 龍 劉溪鴿 閆保旭(.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽089；.錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒 06000)

空場采礦法不僅遺留了大量的采空區，形成安全隱患，同時殘存的頂底柱和邊角礦造成了資源的浪費[1]。如何在保證采空區安全穩定的前提下，進行殘礦安全高效回采是國內學者關注的熱點問題，學者們在空場法殘礦回收技術上取得了一系列的研究成果。周科平[2]利用3DMINE-MIDAS-FLAC3D軟件耦合的方式，計算某礦山殘礦回收后圍巖的應力、位移和塑性區變化，以此判別采空區的穩定程度；馬姣陽等[3]在柏杖子金礦殘礦回收中提出了多分段與底部雙塹溝協同拉底的誘導冒落法回采方案；李現區[4]采用斜面蹬碴落礦采礦方法進行殘礦回收；常帥等[5]利用斜進路與平底塹溝結構相結合采礦方法回采空區下殘礦；王薪榮[6]利用中深孔及束狀孔聯合整體崩落頂柱與間柱；鄧紅衛等[7-10]采用FLAC3D數值計算研究空區殘礦回采方法。雖然國內學者在空場法殘礦回收方面進行了大量的研究，但由于采空區的高度復雜性[11]，不同空區的殘礦回收方法也不盡相同，仍需要根據不同的地質工程情況，進行具體殘礦回采方法研究[12-13]。

阿爾哈達礦業公司現已回采結束的中段有888、848、808、768 m中段，目前主要回采中段為728、688、648、608、568 m中段。728 m中段以下所有采場，均使用充填法開采，728 m中段以上采場基本為空場法開采。為了提高資源回收率，選擇7231采場作為試驗地點開展頂柱回收采礦方法試驗，待試驗成功后，推廣至7227采場、7223采場等其他空場法采場頂柱回收。本研究根據阿爾哈達鉛鋅礦728 m 中段7231采場頂柱的開采技術條件，提出中深孔崩落采礦法，并通過FLAC3D數值模擬驗證開采方案的可行性，為阿爾哈達空區下頂柱的回采提供了理論依據。

1 工程概況

7231采場(如圖1)位于728 m中段勘探線31線至35線，礦體走向北西，傾向南西，傾角50°～65°，圍巖多為板巖，呈灰、灰黑色，局部夾有凝灰巖，礦石及圍巖堅固性系數8～10，在礦塊內整體未見大的破碎構造和節理，水文情況簡單，鉛加鋅平均品位3.88%，礦物組成主要以Zn、Pb、Fe為主，呈團塊狀、細脈浸染狀、星點狀，金屬礦物成分主要為方鉛礦、閃鋅礦、自然銀、輝銀礦等。頂柱位于763.4 m～768.4 m標高，頂柱厚度5 m，礦體平均厚度3.34 m，沿走向長度85 m，儲量4 300 t，頂柱上部為7631采場留礦法采后空區，空區底部含存窿礦及塌落廢石，頂柱下部為7231采場充填尾砂體(灰砂比1∶6)，膠結面厚度0.3 m，充填面標高760.45 m，作業面控頂高度2.95 m。采場中部設人行天井、順路溜井。

圖1 7231采場礦體形態Fig.1 Shape of No.7231 orebody

2 頂柱回收方案

7231采場頂柱上部為7631采場空場法采后空區，本著穩妥、安全、可靠的原則，根據地質條件、工程現狀設計采用中深孔崩落法回收頂柱。采場進入頂柱回采前的最后分層，按照灰砂比1∶10對7231采場進行充填，充填空頂2.8 m；在充填后的水平開掘至上部中段的鏟運機道，在采場兩翼掘鑿切割天井，炮孔采用垂直扇形布置；回采時，先對切割井擴爆形成切割槽，之后由兩翼后退式逐排爆破落礦，崩落礦石經順路溜井運出，采場及井巷采用管縫式錨桿+鋼帶+木立柱進行支護。采礦方法如圖2所示。

圖2 采礦方法示意Fig.2 Sketch of mining method1—充填回風井；2—人行泄水井；3—礦石溜井；4—上中段出礦穿脈；5—上中段采場脈外運輸巷；6—鏟運機斜坡道；7—切割井；8—礦石；9—存隆礦；10—充填體；11—頂柱

2.1 采場結構及采切工程

采場沿走向布置，長100 m，頂柱厚5 m，礦體厚度2～8 m，鏟運機斜坡道處的頂柱(沿走向長度12 m)不回收，作為永久損失。

采場進入頂柱回采前的最后分層充填，確保充填體空頂2.8 m，之后開掘至上部中段的斜坡道，再施工頂柱兩翼端部的切割井，為中深孔落礦提供條件。采準參數如表1所示。

2.2 回采工藝

(1)回采順序。采用后退方式，自兩翼向中間溜礦井位置回采崩落頂柱。

表1 采準參數Table 1 Preliminary mining parameters

(2)鑿巖爆破。使用QZJ-100B型井下潛孔鉆機，炮孔直徑100 mm，垂直扇形排列布置，炮孔共計31排(西側13排，東側18排)，正常排距2.2 m，孔底距1.5～2.2 m。切割井處設有擴井炮孔，共4排。

(3)出礦方式。采用1 m3電動鏟運機出礦，將崩落的礦石倒入采場順路溜礦井，溜井上設置格篩，下放至中段水平經漏斗放礦，采用7 t電機車和2 m3礦車運出。

(4)通風。新鮮風流經人行井進入采場，經鏟運機斜坡道回風上中段。

3 FLAC3D數值模擬研究

針對上節提出的頂柱回收方法，采用FLAC3D軟件進行初始原巖應力的構造，開挖、回填采場及回采頂柱，分析頂柱及上下盤應力、位移及塑性區變化規律，驗證頂柱回收方案的可行性。

3.1 模型描述

計算模型通過ANSYS-FLAC3D耦合建模方式構建，模型在突出問題核心的基礎上做了必要簡化。數值計算強度準則選擇在巖土材料中普遍使用的摩爾庫倫本構模型，通過試算最終確定建立模型標高自地表948 m至578 m。如圖3所示，坐標系以礦體走向為Z軸，礦體傾向方向為X軸，鉛垂方向為Y軸。計算模型在X方向上的長度為350 m，Y方向上的長度為350 m，Z方向上的高度為300 m，共劃分509 105個單元，85 475個節點。

圖3 FLAC3D計算模型Fig.3 FLAC3D calculation model

3.2 巖體物理力學參數

根據前期室內巖石力學試驗確定本次分析模型中各巖層的力學參數如表2所列。

表2 巖體物理力學參數Table 2 Physico-mechanical parameters of rock mass

3.3 模擬開采分析

按實際生產情況一步開挖7631采場，下部留5 m底柱；一步開挖7231采場，按灰砂比1∶10對7231采場進行充填至空頂2.8 m；分6步回采頂柱，每步回采后頂柱沿走向長度分別為80，60，40，30，20，12 m(其中12 m為頂柱殘采最小作業空間)，如圖4。

圖4 頂柱回采過程Fig.4 Sketch of cap pillar mining process

3.3.1 位移分析

在頂柱走向方向中心處(Z=50 m)設置剖面分析頂柱回采過程中，不同頂柱長度(沿走向)時，圍巖上下盤及礦柱的垂直位移，數值模擬結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，垂直位移在頂柱的上下盤處較大，頂柱回采第6步結束(即頂柱長度剩余12 m)時，上盤最大垂直位移為4.5 mm，下盤最大位移為4.14 mm，垂直方向位移較小，采場結構較為穩定。

3.3.2 塑性區分析

在頂柱走向方向中心處(Z=50 m)設置剖面分析頂柱回采過程中，不同頂柱長度(沿走向)時，圍巖上下盤及頂柱的塑性變形，數值模擬結果如圖6所示。

頂柱回采過程中塑性變形主要集中在頂柱上部與斜坡道處，當頂柱回采至長度為20 m時，塑性區域范圍逐漸變大，整個頂柱塑性區域并未貫通，頂柱對上盤依然起到支撐作用；斜坡道上部塑性區主要為拉伸破壞，下部塑性區較小，斜坡道整體結構較為完整，足以保證頂柱回采過程中行車行人安全。

4 結 論

(1)7231采場礦體較薄、走向長度大、形態規整、頂板圍巖結構完整，且頂柱上部為7631采場留礦法采后空區，適合于中深孔崩落法回收頂柱。

(2)根據7231采場工程現狀確定在充填后的760 m水平開掘至上部中段的鏟運機道，在采場兩翼掘鑿切割天井，炮孔采用垂直扇形布置，兩翼后退式逐排爆破落礦，崩落礦石經順路溜井運出的頂柱回收方案。

(3)數值模擬計算結果表明，頂柱回收結束后最大垂直位移出現在礦體上盤為4.5 mm， 塑性區域范圍隨開采過程逐漸變大，整個頂柱塑性區域并未貫通，斜坡道整體結構較為完整，足以保證頂柱回采過程中行車行人安全。

圖6 采場塑性區Fig.6 Plastic zone of stope

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