大規(guī)模充填體下保安礦柱規(guī)劃及礦體回采順序研究

朱必勇 楊 偉 王新民

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012;3.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

近年來，由于現有淺部礦山資源逐年減少，采礦有向深部地下發(fā)展的總體趨勢［1-2］。相對于空場采礦法，充填采礦法有回采率高、貧化率低、地壓及地表塌陷易控、環(huán)保、等顯著特點［3-5］。但是國內某些礦山充填規(guī)模較大，采場充填體質量不高，在這種條件下進行開采活動，容易誘發(fā)很多安全問題［6-7］。在此以某金屬礦為例，研究如何在大規(guī)模充填體下進行安全生產。

某金屬礦多年的生產實踐表明，井下采場充填質量較差，尤其是充填接頂率較低，若在大規(guī)模充填體下進行回采工作就會存在極大的安全隱患。為了更加安全地進行回采工作，需要盤區(qū)留設永久礦柱，并且優(yōu)化盤區(qū)間的回采順序。目前－300 m 水平仍然采用按照兩步驟回采工藝布置，礦房、礦柱交替垂直走向布置，先第一步采礦柱(10 m)并進行膠結充填，第二步采礦房并水砂充填。－300 m 中段以Z4 剖面為界向東西兩翼劃分采場與盤區(qū)，東西翼各7 個盤區(qū)，東翼41 個采場，西翼38 個采場。

1 盤區(qū)礦柱規(guī)劃方案

研究礦段采用上向水平分層充填法進行回采，－300 m中段面臨上部充填面積較大、下部回采時充填接頂率不高的情況，盤區(qū)類似巖體力學中“薄板”力學模型［8］，采場巖體有發(fā)生頂板拉伸破壞的可能。此時，必須留設永久盤區(qū)礦柱來保證安全回采，盤區(qū)礦柱可以支撐頂板并傳遞上部產生的自重應力，但不回采盤區(qū)礦柱，因此將導致礦石損失。所以，在確保回采過程安全的情況下，應盡量少地設置永久礦柱，盡可能多地回收礦石。

1.1 礦體開采模型的建立

1.1.1 模型建立

采用MIDAS/GTS 模擬計算各礦柱留設方案的頂板應力、位移等指標的變化特性，從而確定安全礦柱的最佳位置［9-10］。根據－270 ～－300 m 水平礦體賦存情況建立模型，首先以－270 m 水平礦體為基準，以礦體平均傾角為拉伸方向，向下延伸至－300 m 水平(5 倍重點分析區(qū)域－270 ～－300 m 水平)生成礦體實體，向上拉伸至－180 m 水平生成充填體實體;關鍵區(qū)域為整個－300 m 中段礦體，在此基礎上導入地形模型，規(guī)定整個模型的邊界，從而建立礦體箱形模型。

1.1.2 力學參數選取

對現場取得的巖樣進行強度試驗，所得試驗數據結合Hoek－Brown 節(jié)理化巖體破壞準則［11-12］、Nicholson 和Bieniawski 提出的回歸公式進行處理［13］，結果見表1。

表1 巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters

1.2 安全礦柱位置數值模擬

1.2.1 永久礦柱留設方案

主要研究開采初期(所有采準工作完成之后)、中期(所有回采工作進行一半后)和后期(所有回采工作完成后)頂板的位移和應力情況，具體方案見表2。

表2 安全礦柱位置方案Table 2 Permanent pillar arrangement

1.2.2 數值模擬結果及分析

不同安全礦柱位置時，數值模擬頂板的相關參數最大值統(tǒng)計見表3 ～表5。

表3 方案A 頂板的力學參數Table 3 Mechanical parameters of roof at scheme A

表4 方案B 頂板的力學參數Table 4 Mechanical parameters of roof at scheme B

表5 方案C 頂板的力學參數Table 5 Mechanical parameters of roof at scheme C

1.3 最佳方案

由數值模擬分析結果可知:開采初期各方案最大抗拉安全系數均大于3，3 個方案的開采環(huán)境都非常安全;開采中期，隨著礦柱的數量增加，頂板最大拉應力和頂板最大位移都有所減小，最大抗拉安全系數也逐漸增大，方案C 的開采環(huán)境最為安全;開采后期，隨著礦柱的數量增加，頂板最大位移有所減小，但方案B 的頂板最大拉應力最小，并且方案B 的最大抗拉安全系數最大，此時，方案B 的開采環(huán)境最安全。對比來說，開采前期和中期，方案C 優(yōu)于方案B 和方案A，但回采至后期時，方案A 頂板抗拉安全系數最低，僅為1.14，方案B 和方案C 相差不大，均為1.5左右。故隨著回采持續(xù)進行，由頂板沉降引起的拉應力集中對于方案B 和方案C 沒有明顯區(qū)別，方案B和方案C 在開采階段整體安全性明顯優(yōu)于方案A，因而二者優(yōu)劣不明顯。

考慮到永久性安全礦柱無法回收或回收難度較大，所以要盡可能避免留設安全礦柱，以減少損失率。方案B 礦柱數量少，故方案B 為最佳方案。另外，E101 采場正是上下盤聯(lián)絡道布置位置，勢必會在整個中段回采結束后再考慮回采，故在此處布置永久性連續(xù)盤區(qū)礦柱也較為合適。

2 盤區(qū)礦體回采順序優(yōu)化研究

2.1 回采順序方案

由于盤區(qū)只留E101 采場作為連續(xù)永久礦柱，因此不考慮開拓工程影響的條件下可行的盤區(qū)間回采順序有如表6 所示4 種。按照日生產能力3 000 t 和改進后回采工藝單個采場的生產能力計算(礦房礦柱綜合考慮)，同時回采的采場需5 ～6 個，故按6 個進行模擬。

表6 回采順序優(yōu)化方案Table 6 Optimal programs of mining sequence

2.2 各方案模擬結果及分析

(1)各方案西部礦區(qū)頂板安全情況。由表7 可知:采用4 種不同的方案回采礦體時，在開采初始狀態(tài)下頂板均無拉應力，頂板的最大位移相接近。開采到中期，方案二的頂板應力和位移均最小，也最為安全;至開采末段，方案二、三的安全程度相近。綜合前期，中期，后期的頂板最大拉應力，頂板Z 方向上最大位移的資料表明，方案二在控制頂板拉應力和控制頂板Z 方向上位移優(yōu)于其他3 個方案。

表7 頂板力學參數比較Table 7 Comparison of maximum tensile stress and maximum displacement of the roof

(2)各方案西部礦區(qū)直接頂板安全情況。根據表8 可知:開采初期，方案一直接頂板的應力和位移均最小，但和其他方案的差距不大;開采到中期，方案二的頂板應力和位移均最小，開采環(huán)境也最為安全;開采至末期，各方案的安全程度相接近。因此方案二在控制直接頂板拉應力及控制直接頂板位移方面優(yōu)于其他3 個方案。

表8 直接頂板力學參數比較Table 8 Comparison of maximum tensile stress and maximum displacement of the direct roof

(3)各方案下礦壁的安全情況。由表9 可知:在4 種不同的開采方案下，開采初期方案一礦壁所受的最大壓應力最小，為19.00 MPa，其余3 個方案的礦壁最大壓應力相接近，均在20.86 ～20.87 MPa。開采中期，方案四礦壁所受的拉應力最小，為35.10 MPa，方案二壁面所受的拉應力次之，為41.96 MPa。在開采后期，4 種方案的礦壁最大壓應力相接近。因此，各方案礦壁穩(wěn)定性沒有明顯區(qū)別。

表9 各方案礦壁最大壓應力比較Table 9 Comparison of maximum tensile stress of the sides

(4)各方案西部礦區(qū)充填體安全情況。由表10可知:在4 種不同的開采方案下，方案二和方案三在前期開采回填時充填體所受的最大壓應力較小，分別為0.12 MPa 和0.13 MPa;方案一在前期開采時充填體所受的最大壓應力較大，為1.71 MPa，方案四在初始狀態(tài)下的充填體所受的最在壓應力最大，為3.37 MPa;在開采中期，方案二的充填體所受的壓應力最小，為2.51 MPa，方案三的充填體所受的最大壓應力最大，為3.37 MPa;在開采后期，充填體的安全程度接近。4 種開采方案開采前期，中期，后期中充填體所受的最大壓應力表明，方案二的充填體所受最大壓應力優(yōu)于其他3 個開采方案。

表10 充填體承受最大壓應力比較Table 10 Comparison of maximum tensile stress of the backfill body

根據不同開采方案下的頂板穩(wěn)定性分析、直接頂板穩(wěn)定性分析、礦壁穩(wěn)定性分析、充填體穩(wěn)定性分析綜合比較認為:方案二為西部開采的最優(yōu)方案，即從礦體中央連續(xù)永久盤區(qū)礦柱E101 采場向兩翼同時開采。

3 結 論

(1)將E101 采場作為永久性連續(xù)盤區(qū)時，開采后期采場頂板的抗拉安全系數為1.53，整個頂板巖體穩(wěn)定性較好，確定將E101 作為盤區(qū)永久礦柱。

(2)從礦體中央連續(xù)永久盤區(qū)礦柱E101 采場向兩側分盤區(qū)開采為改進后回采工藝條件下最優(yōu)的盤區(qū)間回采順序。

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