隔離礦柱回采穩(wěn)定性影響因素的正交試驗分析

黨 潔 張晨潔 郭生茂 何良軍 趙文奇 劉 濤

(西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900)

隔離礦柱回采穩(wěn)定性影響因素的正交試驗分析

黨 潔 張晨潔 郭生茂 何良軍 趙文奇 劉 濤

(西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900)

通過分析隔離礦柱在回采過程中的影響因素，結(jié)合工程實際，選取了隔離礦柱礦房側(cè)壁的回采高度(A)、側(cè)壁厚度(B)、采場長度(C)、采場寬度(D)、是否采一充一(E)和第二步驟充填是否采用全尾砂膠結(jié)充填(F)6個影響因素，每個影響因素取2個水平，選用L8(27)正交表，確定了8個模擬試驗方案。建立了隔離礦柱回采模型，對隔離礦柱開挖之前的應(yīng)力分布進行反演分析，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對正交試驗方案進行開挖模擬運算，分析了各個方案隔離礦柱回采之后的應(yīng)力分布情況及其位移變化，得出模擬結(jié)果。分析結(jié)果顯示：A、B、C、D、E、F6個影響因素產(chǎn)生的Y方向位移極差分別為4.8、0.698、1.404、1.305、1.623、0.164 mm，即隔離礦柱礦房側(cè)壁的回采高度(A)對其穩(wěn)定性影響最為顯著，而第二步驟是否采用全尾膠充填(F)影響最小。

隔離礦柱 穩(wěn)定性分析 正交試驗 影響因素

隨著我國礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，越來越多的金屬礦山都進入了深部開采，礦山隨著開采深度的增加，采空區(qū)的數(shù)量和面積也在不斷增加[1-3]。對于非充填礦山，礦柱是影響采空區(qū)穩(wěn)定性的重要組成單元，其穩(wěn)定性對采空區(qū)的穩(wěn)定有著至關(guān)重要的影響[4-6]。礦柱失穩(wěn)破壞從而導(dǎo)致采空區(qū)大面積的坍塌的事故時有發(fā)生，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，在回收礦柱的之前，需對其開采后的穩(wěn)定性進行評價分析，保證礦柱的安全高效回采[7-9]。

1 工程背景

1.1 開采現(xiàn)狀與分析

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市獅子山區(qū)，礦體開采條件較為復(fù)雜，礦體埋藏深度-670～-1 100 m，礦體厚度為20～100 m，沿走向長度為1 800 m，平均傾角為20°，最大傾角35°，礦體嚴格受層位控制并呈不完整的馬鞍狀，礦體中部厚大，向兩翼厚度逐漸減小直至尖滅。礦體主要有含銅矽卡巖、含銅磁鐵礦和蛇紋巖等組成，礦體直接頂板為黃龍族大理巖，直接底板為石英閃長巖和粉砂巖。礦體最大主應(yīng)力方向為NE—SW，與礦體走向基本一致，并近似水平方向，最大主應(yīng)力為30～35 MPa。采用無礦柱連續(xù)回采階段空場嗣后充填采礦方法進行回采，該方法的主要特點為沿礦體走向每隔100 m劃分1個盤區(qū)，盤區(qū)尺寸為礦體寬度×100 m×礦體高度，盤區(qū)間留18 m的隔離礦柱，保證礦體的安全回采和盤區(qū)之間開采相互獨立，不受干擾，隔離礦柱尺寸為礦體寬度×18 m×礦體高度。在盤區(qū)內(nèi)每隔18 m垂直礦體走向布置采場和礦柱，采場尺寸為82 m×18 m×礦體高度，礦柱尺寸為78 m×18 m×礦體高度。整個盤區(qū)分3步回采：第一步回采礦房，即隔一采一，回采完畢后進行全尾砂膠結(jié)充填；第二步回采礦柱，采用全尾砂充填；第三步回采隔離礦柱。圖1為首采區(qū)開采布置圖。

圖1 首采區(qū)開采布置Fig.1 First district of mining layout

冬瓜山銅礦于2007年開始正式投產(chǎn)，到2011年5月已基本完成了首采區(qū)礦房和礦柱的回采，共開辟盤區(qū)6個，有5個盤區(qū)隔離礦柱，由于5條隔離礦柱兩旁的盤區(qū)開采狀態(tài)不一致，部分采場還在采準階段，一些采場還在充填階段，故回采方案首先針對兩邊盤區(qū)已基本完成采掘和充填的54#線開始。

1.2 隔離礦柱回采方案及穩(wěn)定性影響因素

隔離礦柱回采的基本思路是：從礦體厚大一側(cè)逐漸向兩翼退采，這樣回采的好處在于便于底部巷道的通風(fēng)，風(fēng)流從開采區(qū)流向已采區(qū)，同時還可以有效地控制地壓，避免應(yīng)力集中。原設(shè)計的隔離礦柱回采單元尺寸為18 m×36 m×礦體高度。這樣劃分的好處在于每個回采單元對應(yīng)一個盤區(qū)采場和礦柱，布置較為規(guī)則，在回采單元的周圍布置2 m寬的永久礦壁用于支撐采場；這樣布置的缺點在于由于礦體厚度變化很大，按照36 m劃分采場長度，造成隔離礦柱不同采場之間礦量差別較大，礦石回采效率較低，損失較大。因此，需要在原回采方案上進行優(yōu)化調(diào)整，選擇更加合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證礦柱回收的安全高效。圖2為回采單元布置。

根據(jù)以往的礦柱回采經(jīng)驗，影響礦柱回采過程穩(wěn)定性的因素較多，結(jié)合本工程現(xiàn)場實際情況，擬選取隔離礦柱礦房的側(cè)壁的回采高度(A)、側(cè)壁厚度(B)、采場長度(C)、采場寬度(D)、是否采一充一(E)和第二步驟充填是否采用全尾砂膠結(jié)充填(F)6個影響因素，每個影響因素取2個水平，對礦柱回采的礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)和充填方式對礦柱回采穩(wěn)定性影響大小進行分析和評價，有針對性地調(diào)整其回采方式和礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證隔離礦柱安全高效回采。

圖2 原隔離礦柱回采單元布置Fig.2 Original isolation unit layout of Ore Pillar Extraction1—端壁;2—側(cè)壁;①—礦房采場; ②—間柱采場;③—隔離礦柱采場

2 正交模擬試驗分析

2.1 試驗方案

對影響礦柱回采穩(wěn)定的6個因素，每個因素取2個水平進行正交分析，該正交試驗方案為6因素2水平正交試驗。通過查閱正交試驗表，確定選用L8(27)正交試驗表較為合理，能夠滿足方案要求，即只需做8次模擬試驗即可確定各影響因素的影響權(quán)重和最優(yōu)方案，8次試驗各因素的取值水平見表1。正交模擬試驗結(jié)果見表2。

表1 正交模擬試驗因素水平安排Table 1 Category of date analog orthogonal

表2 正交模擬試驗結(jié)果Table 2 Analog orthogonal table

2.2 正交試驗數(shù)值模擬

運用FLAC3D數(shù)值模擬軟對試驗方案進行開挖模擬。圖3為簡化后的52～54線隔離礦柱模型。模擬計算的結(jié)果顯示，各方案開挖之后，隔離礦柱兩側(cè)的應(yīng)力分布變化不大，最大應(yīng)力范圍為55～65 MPa，且都主要集中在隔離礦柱頂板邊角附近；最大拉應(yīng)力范圍為0.98～1.43 MPa，小于礦巖和圍巖的抗拉強度。由于隔離礦柱頂板相對于側(cè)壁暴露面積較小，因此，X方向的位移相對較小，各方案相差不大，對礦房穩(wěn)定性影響較?。谎豗方向的位移各方案相差較大，對礦房穩(wěn)定性影響最大。因此，本次正交分析的統(tǒng)計數(shù)據(jù)取Y(隔離礦柱走向)方向的位移分量。限于篇幅，本次數(shù)值模擬的應(yīng)力與位移圖從略。

圖3 簡化后的隔離礦柱模型Fig.3 The simplified isolation pillar

2.3 正交分析

將各方案開挖模擬后側(cè)壁沿Y方向的最大位移量進行統(tǒng)計，8個方案的最大位移分別為6.08，5.655，8.076，7.866，10.72，13.43，9.792，12.94 mm。正交分析的結(jié)果見表3所示。

表3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

Table 3 The numerical analysis results mm

從表3來看，A、B、E、C、E、F產(chǎn)生的極差分別為4.8、0.698、1.404、1.305、1.623、0.164 mm?？梢?，隔離礦柱礦房的回采高度(A)對其穩(wěn)定性影響最為顯著，而第二步驟是否采用全尾砂膠充填影響(F)最小。

在礦柱回采中，嚴格控制礦房的高度。對于厚度大于50 m的隔離礦柱，采用分層開采，嚴格將礦房的高度控制在50 m以內(nèi)，長度取36 m，寬為14 m；厚度在20～50 m的隔離礦柱，礦房高度定為礦柱厚度，長度取36 m或54 m，寬為14 m；厚度在20 m以下的隔離礦柱，礦房高度為礦柱厚度，長度取72 m或者更大，寬為14 m。

3 結(jié) 論

(1)分析結(jié)果顯示：6個影響因素的極差排序為A>E>C>D>B>F，隔離礦柱礦房的回采高度(A)對其穩(wěn)定性影響最為顯著，而第二步驟是否采用全尾砂膠充填影響(F)最小。

(2)結(jié)合正交分析結(jié)果，給出了隔離礦柱回采結(jié)構(gòu)參數(shù)建議，以保證隔離礦柱的高效安全回采，該參數(shù)在冬瓜山銅礦得到應(yīng)用。

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(責任編輯 徐志宏)

Orthogonal Tests Analysis on the Influencing Factors for the Stoping Stability of Isolated Pillars

Dang Jie Zhang Chenjie Guo Shengmao He Liangjun Zhao Wenqi Liu Tao

(NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China)

By analyzing the influencing factors for isolated pillars in recovery process，and combining with practical engineering，six influencing factors for the isolated pillar and room including stope sidewall height(A)，sidewall thickness(B)，stope length (C), stope width (D), whether alternating backfill after mining(E), whether the full tailings cementing backfill at second step(F).Two levels are selected for each factor.8 simulation experimental programs were identified by analyzing the selected orthogonal table L8(27).The isolated pillar model was established，and the stress distribution of the isolated pillar before excavation was analyzed by refutation.The excavation with orthogonal scheme was simulated based on FLAC3Dnumerical simulation software.The simulation of stress distribution and displacement after the isolated pillar was mined.The analysis results show: the displacement ranges of 6 influence factorsA,B,C,D,E,andFinYdirection are respectively 4.8,0.698,1.404,1.305,1.623 and 0.164 mm.That is to say,the stope sidewall height (A) of isolated pillar has the most significant impact on its stability，and whether adopting the full tailings cementing backfill at second step (F) has a minimal impact.

Isolated pillar，Stability analysis，Orthogonal test，Influencing factors

2014-01-25

黨 潔(1988—)，男，助理工程師。

TD803

A

1001-1250(2014)-03-024-03