盤區礦柱回采方案的優化研究

王乃斌 趙繼銀 張傳信 郭 偉

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司仙人橋銅礦，江蘇 南京 211131；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；安徽 馬鞍山 243000)

盤區礦柱回采方案的優化研究

王乃斌1趙繼銀2，3張傳信2，3郭 偉2，3

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司仙人橋銅礦，江蘇 南京 211131；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；安徽 馬鞍山 243000)

盤區礦柱回采厚度是影響資源回收率的重要因素之一。合理的盤區礦柱回采厚度不但能夠提高資源的回收率和經濟效益，而且能夠降低礦柱回采過程中的安全風險。在提出不同的回采方案的基礎上，對巖體力學參數進行合理的折減處理，并通過自下而上的三維實體建模技術建立分析模型，并在分析中以摩爾-庫倫巖土模型為破壞準則。采用FLAC3D分析軟件對盤區礦柱不同的回采厚度進行數值模擬分析，研究盤區礦柱及其周圍采空區圍巖內應力和應變的變化規律。通過對盤區礦柱不同回采厚度模擬結果的分析比較，確定了盤區礦柱合理的回采厚度，能夠保證盤區礦柱安全的回采。最后通過技術經濟分析比較，綜合考慮技術、經濟和安全等多方面因素得出結論，選擇其中的最優回采方案。

盤區礦柱 回采方案 數值模擬

冬瓜山銅礦大團山礦床-580 m水平以上的各中段以盤區為基本的回采單元進行開采。在每一中段內沿礦體走向劃分成5個盤區，盤區間垂直礦體走向預留設30 m寬的盤區礦柱。盤區內劃分采場，采場間不留礦柱，連續回采，采用下向大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法回采。先回采各盤區內的礦體，在盤區內礦體開采結束后根據礦巖的穩定條件合理回收部分盤區礦柱。盡管以盤區為基本回采單元具有采場結構簡單、勞動生產率高、采礦成本低等優點，但存在盤區礦柱占有礦量大的缺點。為了充分回收有限的礦產資源，提高資源利用率，冬瓜山銅礦擬對部分盤區礦柱進行適當的回收。本研究主要針對Ⅲ號盤區與Ⅳ號盤區之間的31A礦柱回采方案進行數值模擬研究。

1 礦柱回采方案

31A礦柱是留設在Ⅲ、Ⅳ號盤區之間的盤區礦柱，其平面位置見圖1，剖面見圖2。31A礦柱沿走向厚度30 m，寬度為礦體的水平厚度，高度介于-580 m至-460 m標高之間，其在-565 m水平以上的礦量為54萬t。與31A礦柱相鄰的Ⅲ、Ⅳ號盤區沿走向長約95 m，寬為礦體的水平厚度。目前，Ⅲ、Ⅳ號盤區-580 m水平以上各中段已回采結束，并且Ⅳ盤區已采用尾礦膠結充填完畢。由于-580 m中段采場的底部結構在-565 m水平。因此，31A礦柱目前只能回收-565 m水平以上的礦體。

圖1 31A礦柱平面位置

圖2 31A礦柱剖面

31A礦柱有用組份主要為銅，其次為金、銀、硫和鐵。礦柱所在地段礦體及頂、底板圍巖力學強度較高，普氏堅固性系數9～13，為半堅硬巖石。礦體及圍巖結構完整，水文地質條件簡單。

根據31A礦柱的賦存條件、礦巖力學性質和與其相鄰盤區的采空區充填情況，礦柱回采可分2種方案：方案一為Ⅲ盤區不充填的情況下，利用Ⅲ盤區已形成的采空區作為崩礦空間，回采靠近Ⅲ盤區的部分盤區礦柱；方案二為Ⅲ盤區充填后，分別在31A礦柱靠近Ⅲ、Ⅳ號盤區充填體的部位各留設5 m厚的礦柱不回采，作為永久礦柱，回采盤區礦柱中間寬20 m的部分礦柱。下面將采用數值模擬的方法對上述2種回采方案進行分析計算。

2 數值模擬模型的建立

本次研究采用FLAC3D軟件進行模擬計算。FLAC3D軟件主要用在巖土數值分析計算，尤其是對于巖土體這類連續介質的應力位移場的計算。

2.1 本構模型及破壞準則

本構模型選用摩爾-庫倫模型。該模型將礦巖視為各向同性的彈塑性體，采用復合破壞準則。

2.2 礦巖力學參數

由于巖石與巖體的差異，實驗室的巖石力學試驗參數不能直接應用于巖體工程時，須對其進行強度折減。根據大團山礦床礦巖節理裂隙發育程度，本次研究將巖石力學試驗所獲得的力學參數進行折減處理，折減后的礦巖力學參數見表1。

表1 模擬分析中礦巖物理力學參數

2.3 數值模型的建立

本次研究以冬瓜山銅礦大團山礦床31A礦柱的實際地質條件為基礎，建立數值模型。

(1)為能很好地對不規則礦柱進行匹配，采用自下而上的三維實體建模，即點—線—面—體，層層搭建。劃分網格時，礦柱及其附近網格單元劃分較密，其他部位網格可稀疏些，盤區礦柱三維立體模型見圖3(右邊的礦柱為31A礦柱)。

(2)以礦體傾向為X方向，礦體走向為Z方向，鉛直方向為Y方向建立數值模擬模型。分別以勘探線剖面和中段平面圖為基礎作垂直剖面和水平面。計算范圍為采空區跨度的3～5倍，對于已有巷道在模型中不體現。數值模擬的模型尺寸為長×寬×高=790 m×600 m×900 m。

(3)對實體模型選取八節點的六面體網格進行劃分，具體有限元網格模型如圖4所示。

3 數值模擬分析研究

3.1 數值模擬方案簡介

根據可供選擇的盤區礦柱回采方案，本次模擬分別針對Ⅲ盤區充填前后回收不同厚度的盤區礦柱進行模擬。模擬時，對于30 m寬的盤區礦柱，在Ⅲ盤區充填前，分別以回采10 m，15 m厚的盤區礦柱(方案一)為研究對象；在Ⅲ盤區充填后，以回采20m厚的盤區礦柱(方案二)為研究對象。

圖4 模型網格劃分圖

3.2 數值模擬結果分析

由于巖體最主要的破壞是由受(強)拉作用帶來的張性斷裂破壞及受(強)剪作用帶來的剪切破壞，并且過量的垂直位移會帶來大面積垮落。因此，本次模擬主要考慮以下兩個方面：一是判斷礦柱內部塑性破壞區是否貫通；二是拉、剪應力區，垂直位移的大小與分布范圍。

根據數值模擬計算分析的結果，應力與位移分布代表性云圖見圖5～圖9，數值模擬結果見表2。

圖5 模型初始應力分布云圖

圖6 方案二拉應力分布云圖

通過對回采不同厚度盤區礦柱的數值模擬結果可知：

(1)各方案無論是壓應力、拉應力或者是剪應力，其應力分布狀態(或分布規律)基本相似，僅是應力值大小有所不同，表現為應力集中分布區域不同。

圖7 15 m方案一剪應力分布云圖

圖8 10 m方案一壓應力分布云圖

圖9 方案二位移分布云圖

方 案剪應力/MPa壓應力/MPa拉應力/MPa最大位移/cm10m方案一694/412369/312319/115527/33915m方案一741/555382/322355/190583/353方案二655/499419/310227/191559/619

說明：“/”前后數值分別代表周圍圍巖與礦柱中的極值。

(2)盤區礦柱未回采時的情況。從礦柱回采前的初始應力狀態來看，礦柱及其相鄰采空區的受力狀態較好，均處于穩定狀態。

(3)盤區礦柱回采厚度為10 m的情況。整個礦柱內部產生了3個壓應力集中區，1個分布在礦柱與頂板接觸的邊緣，另外2個分布在預留垂直礦柱和斜礦柱內。最大壓應力達到36.9 MPa，并未出現在預留礦柱中，而是出現在礦柱與頂、底板接觸的邊緣。同時礦柱內部出現2個拉應力集中區，分別位于預留垂直礦柱兩側，但數值較小，約為1.15 MPa。而剪應力集中區主要分布在礦柱腰部以上，最大剪應力達到4.12 MPa。從位移數值大小來看，未見明顯的異常位移產生?？傊?，從各種應力云圖來看，雖然個別應力偏高，但并未達到極限強度，故該方案能夠滿足礦柱安全回采的要求。

(4)盤區礦柱回采厚度為15 m的情況。頂柱層中應力值進一步加大，最大拉應力已經達到3.49 MPa，已經接近本次模擬采用的礦體抗拉強度，壓應力、剪應力、位移值則變化不大。對于上下盤圍巖，拉應力已經高達3.55 MPa，已經達到極限抗拉強度，最大剪應力高達7.38 MPa，已經超過了巖體極限抗剪強度。盡管該類應力只是局部性的，但是從安全角度出發，該方案風險較大，難以滿足礦柱安全回采的要求。

(5)盤區礦柱回采厚度為20 m的情況。從前面的分析來看，在Ⅲ盤區的采空區未充填的情況下，31A礦柱僅能安全回采厚度為10 m左右?？紤]到回采礦量較少，為了提高資源利用率，在Ⅲ盤區采空區充填后，回采20 m厚的礦柱。從相關的數值模擬云圖6和圖9來看，礦柱及其相鄰采空區圍巖的應力、位移量數值分布合理均勻，無明顯突變現象。礦柱中最大剪應力為4.99 MPa，最大拉應力為1.91 MPa，最大壓應力為31.0 MPa，均未超過礦巖的極限強度。從空區剖面來看，壓應力達到了41.9 MPa，這是整個礦柱回采中產生的最大壓應力。但由于充填體的存在改善了整個盤區的受力狀況，并未有高的拉、剪應力集中產生，剪應力數值反而相對于前面方案一的2個子方案有所下降。因此，該方案也能滿足礦柱安全回采的要求。

4 技術經濟分析

通過上面的數值模擬分析，在Ⅲ盤區充填前，31A礦柱可安全回采的厚度為10 m；在Ⅲ盤區充填后，31A礦柱可安全回采厚度為20 m。

對上述2種方案進行技術經濟分析可知，在綜合考慮盤區礦柱回采的采礦成本和Ⅲ盤區的充填成本情況下，在Ⅲ盤區充填前，回采10 m厚的盤區礦柱最終經濟效益為4 500萬元，即便如此在31A礦柱回采10 m后，Ⅲ盤區的采空區仍要充填，此時還要增加一部分充填費用。在按1∶6的灰砂比充填Ⅲ盤區后，回采20 m厚的盤區礦柱最終經濟效益為4 890萬元；在按1∶10的灰砂比充填Ⅲ盤區后，回采20 m厚的盤區礦柱最終經濟效益為6 500萬元。同時在Ⅲ盤區充填后，消除了采空區所帶來的安全隱患，更有利于盤區礦柱的回采。

因此，綜合考慮技術、經濟和安全方面等因素，在現有技術經濟條件下，選擇Ⅲ盤區充填后，31A礦柱回采厚度為20 m的方案。

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(責任編輯 石海林)

The Optimization Research of Panel Pillar Recovery Scheme

Wang Naibin1Zhao Jiyin2,3Zhang Chuanxin2,3Guo Wei2,3

(1.XianrenqiaoCopperMine，TonglingNonferrousMetalsGroupCo.，Ltd.，Nanjing211131，China；2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.Maanshan243000，China；3.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China)

The mining thickness of the panel pillar is one of the important factors influencing the recovery rate of resources.Reasonable mining thickness can not only improve the recovery rate of resources and economic benefits，but also reduce the security risks in the recovery process.On the basis of different mining methods，reduction processing of rock mass mechanics parameters is reasonably treated.Through a bottom-up 3d entity modeling technology，the analysis model is set up with Mohr-Coulomb model as the failure criteria.The FLAC3Danalysis software is adopted to make numerical simulation analysis on the different mining thickness of panel pillar to investigate the variation law of stress and strain in panel pillars and at the internal of surrounding rock of gob.Through comparison with simulation analysis results of the different thickness，the reasonable mining thickness of the panel pillar is determined，which can ensure the safety of panel pillar recovery.Finally through the technical and economic analysis，and the comprehensive consideration of various factors such as technology，economy and security，the optimal mining scheme is determined.

Panel pillar，Mining scheme，Numerical simulation

2014-10-10

王乃斌(1967—)，男，總經理，工程師。

TD853.391

A

1001-1250(2015)-02-049-04