罕王傲牛鐵礦三采區間柱回采方案研究

王 強 胡世利，2 邱景平 邢 軍 孫曉剛

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.撫順罕王傲牛礦業股份有限公司，遼寧撫順113001）

目前，撫順罕王傲牛礦業股份有限公司三采區設計開采范圍內128～134線的主礦體為Fe15和Fe17礦體，按現在的生產規模開采，大約還有一年半的時間主礦體將全部開采完畢。屆時，將遺留礦柱約107萬t，且Fe15、Fe17開采礦界下部蘊藏部分礦量，下一步將會對該采區進行擴界設計。為延長礦山服務年限，最大限度回收資源，需要在對礦柱進行回收利用的同時，保證下部采場的穩定［1］。采區內的礦石、圍巖都比較穩固，借鑒類似礦山回采礦柱的經驗，采取上向水平分層充填法回采礦柱，并提出幾種間柱回采方案，通過FLAC3D數值模擬的方法對比不同方案的結果得出優選方案，指導現場施工［2］。

1 工程地質條件

傲牛鐵礦三采區主礦體分為370 m、320 m、265 m、215 m 4個中段，采場上部為露天邊坡，留有一定厚度的保護頂柱。礦體之前采用分段鑿巖階段礦房法進行開采形成眾多空區，由于礦巖的穩固性較好，空區保持穩定。礦體殘留礦柱及空區分布詳見圖1（以Fe15為例）。采場寬度為礦體厚度（平均厚度14 m），頂柱高度8 m，間柱寬度8～16 m。礦床內基巖基本屬于堅硬的塊狀或層狀工程地質巖組，巖體較完整，穩定性較好，礦巖硬度系數f=8～14［3］。

2 數值模型

本次模型在建立時，定義模型參數：水平方向1 000 m，豎直方向700 m，寬度取礦體平均厚度14 m。根據Fe15礦體開采現狀，空區主要分布在4個中段，需要對各中段的空區進行充填，待充填體達到一定強度之后才能回采礦柱［4-5］。初始定義回采礦柱的順序為從下至上，本構關系采用Mohr-Coulomb準則，巖石力學參數如表1所示［6］。

3 采空區灰砂比的確定

根據傲牛鐵礦現場的情況，若沿用原有的分段鑿巖階段礦房嗣后充填來開采礦柱，考慮到大規模充填體的自立穩定性以及充填配比實驗的結果，需要對原有采空區按照1∶6的灰砂比、76%的料漿濃度進行嗣后充填，而現場采空區較多，體積較大，勢必造成總體充填采礦成本很高。為降低傲牛鐵礦充填采礦成本，礦柱回采宜采用上向分層充填方法，此時礦柱回采按照1∶6的灰砂比、76%的料漿濃度進行分層充填，原有采空區應選用低灰砂比進行嗣后充填，以大幅降低充填采礦成本。

為此，對原有采空區采用1∶6、1∶10、1∶20、水砂充填4種方案進行對比分析，方案見表2，通過FLAC3D數值模擬對比研究確定合理的充填料漿配比［7］。

4個中段間柱回采時，先充填空區，待充填體達到一定強度（28 d強度）后，采用水平上向分層回采間柱，靠近空區充填體一側各留3 m間隔礦柱，以增加空區充填體的穩定性，對表2中4種方案進行數值模擬實驗，得出實驗結果。

圖2為充填后主應力分布特征。可以看出，留設3 m保護礦柱對充填體的穩定性起到了良好的促進作用，留設礦柱應力集中，且應力分布值要遠大于充填體的應力分布值，這是由于礦石與充填體的剛度差異所造成的［8］。由該圖可以看出，4種方案充填體區域所受應力均為拉應力0～0.2 MPa，且分布區域相近，這是由于固體充填體在充滿空區后，即使受到應力發生破壞，也具有一定的承載能力，這與巖石破壞后的強度很相似［9-10］。方案4水砂充填體拉應力極小，這時容易發生貫通破壞。

4種方案空區充填體內部最大豎直位移值分別為-16 mm、-22 mm、-30 mm、-6 000 mm，且由圖3塑性區可以看出，隨著所采用灰砂比越來越小，充填體的強度也越來越小，各方面力學性能降低，受到載荷以后發生拉、剪塑性區。由于靠近底柱、間柱處應力集中，所以會優先出現塑性破壞區并貫通，貫通區域面積越來越大，方案4塑性破壞區完全貫通。

由以上應力塑性區分布特征圖（見圖3）對比分析4種灰砂配比充填空區時對回采間柱的影響，從安全角度考慮，灰砂比越大，采礦安全性越高，這樣會大幅度增加采礦成本，灰砂比越小，安全性又會受到限制［11］。故此推薦充填礦房空區灰砂比為1∶10～1∶20。

4 間柱開采方案及模擬結果分析

傲牛鐵礦原有遺留采空區均未處理，需要在對采空區充填后進行間柱回采，回采間柱時采場穩定性影響因素較多，需要列舉多個方案進行比較，但基于實際情況，主要考慮開采間柱對充填體穩定性影響和降低礦石貧化率2方面，提出表3所示幾種開采方案。

對4種方案進行數值模擬分析得出如圖4和表4所示。

總體來看，間柱受兩側礦房的開采影響，出現高應力集中的現象，應力集中部分主要分布在間柱的頂、底兩端，由于埋深較淺，拉應力區域存在但不明顯，不會對采場的穩定性造成較大影響。埋深越深的采場應力集中越明顯，最大主應力高達36～38 MPa且均為壓應力，遠遠高于原巖應力，顯示出礦柱對維護階段礦房采空區穩定性的重要作用。由于采場所取得工藝參數較小且礦巖均穩固、不破碎，整體豎直方向位移較小，埋深較大采場底板在側向水平應力擠壓作用下產生向上位移，位移速率為1～2×10-8m/s，隨著時間的累積，空區采場底部將會產生鼓包現象。如果不及時充填采空區，這種現象也會影響鄰近采場階段運輸巷道的服務年限，給運輸回收間柱礦石帶來不便［12］。

由圖4可以看出，方案1出現大面積的剪切屈服區域且貫通，如果上部采場繼續充填，使下部充填體承壓繼續增大，將會引起下部充填體失穩而發生較大的豎直位移，影響間柱回采，大面積的塑性區是由于上部均布載荷的作用，傳遞應力的主應力差超出充填的剪切極限［13］；而方案2、3、4只是在靠近頂柱處出現少量拉應力塑性區，說明充填體穩定性相對較好。表3說明了4種方案回采間柱時充填體的破壞程度與方式［14］。

綜合分析可知：方案1的礦房充填體很有可能發生剪切破壞，其他方案由于有未開采間柱，礦房充填體與未采間柱有接觸支撐和摩擦的作用，可提高相鄰充填體的穩定性，且在考慮盡可能地回收礦石，參考國內礦山實例及礦巖穩定性條件，推薦使用方案3。

5 結論

（1）結合礦山實際情況，對膠結充填材料采用4種不同配比進行對比，分析充填后采場的應力分布、塑性區及位移情況，結合經濟成本因素，灰砂比推薦選用1∶10～1∶20。

（2）對回采時間柱保留的不同寬度進行對比，在保障安全生產的同時最大程度地回收資源，綜合考慮充填體的穩定性和開采的技術條件，采用靠近礦房充填體間柱保留2 m的間柱回采方案。

礦柱回采在提高回采率，增加經濟效益，建立資源節約型社會方面具有重要意義。本研究針對傲牛鐵礦三采區空區充填以及間柱回采提出設計方案，可為類似礦山提供借鑒和參考。