劉偉強(qiáng)

（湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

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峪耳崖金礦盲21＃脈采空區(qū)隱患資源回采技術(shù)研究

劉偉強(qiáng)

（湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

為最大限度地回收峪耳崖金礦盲21＃脈采空區(qū)隱患資源，利用MIDAS軟件對(duì)該礦21＃盲采空區(qū)進(jìn)行了模型建立、模擬計(jì)算以及穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果表明當(dāng)空區(qū)暴露面積達(dá)到600 m2時(shí)空區(qū)周邊拉應(yīng)力較大，并存在塑性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)確定空區(qū)暴露面積不應(yīng)超過(guò)350 m2，采取設(shè)置人工礦柱的方式對(duì)隱患資源順序回采，并配合相應(yīng)的地壓監(jiān)測(cè)措施，保障隱患資源回收安全進(jìn)行。

隱患資源回收；數(shù)值模擬；穩(wěn)定性

礦產(chǎn)資源作為一種不可再生資源，其開(kāi)采過(guò)程即是不斷減少的過(guò)程，在礦產(chǎn)資源逐漸匱乏的今天，對(duì)礦產(chǎn)資源的綜合回收和利用已顯得尤為重要。國(guó)外礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于地下隱患資源的回收利用研究工作進(jìn)行得較早，我國(guó)對(duì)隱患資源的回收利用研究開(kāi)展相對(duì)較晚，且我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)采過(guò)程長(zhǎng)期存在著采富棄貧、采易棄難的現(xiàn)象。為保障我國(guó)礦產(chǎn)資源回收利用率，對(duì)隱患資源的安全回采及采空區(qū)的處理是必須解決的重要技術(shù)問(wèn)題。由此，能夠準(zhǔn)確分析采場(chǎng)穩(wěn)定性狀況并依此指導(dǎo)隱患資源開(kāi)采具有重要意義。

數(shù)值模擬的飛速發(fā)展為采場(chǎng)穩(wěn)定性分析提供了有利的工具，尤其是有限元、有限差分、離散元等數(shù)值模擬方法的廣泛應(yīng)用，可對(duì)采場(chǎng)暴露面積變化時(shí)圍巖及礦柱各點(diǎn)的變形進(jìn)行仿真模擬，為深入研究采場(chǎng)應(yīng)力分布狀態(tài)及復(fù)雜采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性分析開(kāi)創(chuàng)了一條新的途徑。本文針對(duì)峪耳崖金礦盲21＃脈隱患資源（頂?shù)字?、點(diǎn)柱）開(kāi)采工程，采用有限元軟件進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并依據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)相應(yīng)的保障措施，以確保該礦隱患資源回采過(guò)程中圍巖保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)還有利于保障回采順利進(jìn)行以及工程技術(shù)人員的生命安全。

1 工程概況

河北峪耳崖黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司是個(gè)百年老礦，礦脈成群成帶出現(xiàn)，礦體多為緩傾斜、傾斜極薄礦脈，礦石品位較高。采用全面法和削壁充填采礦法回采，空區(qū)內(nèi)留下大量礦柱，由于礦體圍巖為花崗巖，屬脆性巖石，且?guī)r體節(jié)理裂隙發(fā)育，礦柱回采時(shí)常出現(xiàn)巖爆等地壓現(xiàn)象，礦井逐步向深部開(kāi)拓，地壓增大，礦柱礦量損失將更大。礦山目前已開(kāi)采至45 m標(biāo)高，礦山淺部資源隨著開(kāi)采的進(jìn)行急劇減少。而45 m以下中段所探明的礦脈厚度大部分在0.1 m以下，品位也不高，目前井下平均出礦品位僅3 g／t。根據(jù)公司提交的資源儲(chǔ)量調(diào)查報(bào)告，公司目前122b保有儲(chǔ)量592.10萬(wàn)t，333保有儲(chǔ)量231.46萬(wàn)t，礦山資源日漸枯竭的現(xiàn)狀要求峪耳崖金礦對(duì)隱患資源進(jìn)行回收。盲21＃脈是該礦一條主礦脈，礦體規(guī)模較大，走向長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)600 m，傾斜長(zhǎng)度達(dá)900 m，賦存標(biāo)高330～125 m水平。該脈于2009年回采結(jié)束，采空區(qū)留下大量礦柱和充填料（充填料為低品位礦石），礦柱礦量約9 094 t，品位36.21 g／t，金屬量329 kg，充填料6.74萬(wàn)t，品位1.6 g／t，金屬量108 kg，合計(jì)金金屬量是437 kg，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

為了最大限度回收該礦隱患資源，本研究采用MIDAS系列軟件對(duì)盲21＃脈隱患資源（頂?shù)字?、點(diǎn)柱）開(kāi)采過(guò)程中的圍巖的穩(wěn)定性變化進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)峪耳崖黃金礦業(yè)隱患資源回收方案進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，指導(dǎo)該礦隱患資源開(kāi)采，提高資源綜合利用率及礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 礦柱開(kāi)采前的空區(qū)穩(wěn)定性模擬

為保證生產(chǎn)安全，礦柱回收工作前必須掌握空區(qū)圍巖及礦柱的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，以便制定相應(yīng)的安全措施，確定合理的回采方案。因此，在回收礦柱資源前首先進(jìn)行了空區(qū)圍巖及礦柱穩(wěn)定性有限元數(shù)值分析。根據(jù)礦體勘探剖面和平面圖及該礦多年來(lái)礦體回采圖紙作出三維模型，進(jìn)行模擬分析，開(kāi)采前的空區(qū)周邊應(yīng)力分布如圖1所示，位移分布如圖2所示。

圖1 采空區(qū)周邊應(yīng)力分布云圖

圖2 采空區(qū)周邊位移分布云圖

礦柱開(kāi)采前的空區(qū)穩(wěn)定性模擬結(jié)果顯示：礦房開(kāi)采后，采場(chǎng)周邊出現(xiàn)卸壓帶，但采場(chǎng)頂?shù)装搴偷V柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，模擬范圍內(nèi)未見(jiàn)拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的部位時(shí)是采場(chǎng)中間的點(diǎn)柱；最大位移出現(xiàn)在采場(chǎng)上下盤(pán)圍巖內(nèi)，但數(shù)值較小，模擬范圍內(nèi)最大位移值為2.87 mm，應(yīng)力集中的部位，尤其是采場(chǎng)點(diǎn)柱與上盤(pán)圍巖交界處，應(yīng)作為空區(qū)處理及礦柱回采的關(guān)鍵部位妥善處理，生產(chǎn)中建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，做好監(jiān)測(cè)工作，用地壓結(jié)果指導(dǎo)頂板地壓管理和礦柱回采工作，防止局部失穩(wěn)誘發(fā)大規(guī)模地壓活動(dòng)。從應(yīng)力分布云圖可以看出，模擬范圍內(nèi)未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，這說(shuō)明應(yīng)力集中的程度在安全的范圍之內(nèi)，礦柱開(kāi)采前，空區(qū)可以依靠礦柱的支撐，維持穩(wěn)定。

2.2 頂板極限暴露面積的模擬

礦柱是支撐空區(qū)頂板、維持空區(qū)穩(wěn)定性的主要手段，因此，其開(kāi)采方案的制定必須首先評(píng)估礦柱回采對(duì)頂板的影響，確定頂板允許的極限暴露面積，以便確定一次回采的范圍，設(shè)計(jì)人工礦柱的距離等參數(shù)。

為確定該礦脈頂板允許的最大暴露面積，確?？諈^(qū)礦柱安全回采，模擬采用反演的方式對(duì)空區(qū)允許暴露最大面積進(jìn)行分析計(jì)算。采用MIDAS軟件分別對(duì)該礦空區(qū)面積為450 m2、600 m2、750 m2進(jìn)行了模擬，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：當(dāng)空區(qū)面積在450 m2以?xún)?nèi)時(shí)，空區(qū)周邊拉應(yīng)力極小，無(wú)塑性區(qū)出現(xiàn)；當(dāng)空區(qū)面積達(dá)到600 m2時(shí)，空區(qū)周邊拉應(yīng)力已較大，但未出現(xiàn)塑性區(qū)；當(dāng)空區(qū)面積達(dá)到750 m2時(shí)，模擬范圍開(kāi)始出現(xiàn)塑性區(qū)破壞。其空區(qū)周邊應(yīng)力隨頂板暴露面積變化如圖3所示，空區(qū)周邊圍巖塑性變形變化如圖4所示。

圖3 空區(qū)應(yīng)力隨頂板暴露面積變化圖

圖4 空區(qū)圍巖塑性變化圖

巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，考慮到實(shí)際工程巖體中存在的弱結(jié)構(gòu)面等因素，拉應(yīng)力的出現(xiàn)不利于圍巖的穩(wěn)定，而塑性形變的發(fā)展往往會(huì)導(dǎo)致局部失穩(wěn)，結(jié)合上述數(shù)值模擬的結(jié)果，礦柱回采過(guò)程中，空區(qū)的暴露面積應(yīng)控制在600 m2以?xún)?nèi)。

3 回采技術(shù)路線(xiàn)

3.1 人工礦柱的設(shè)置

盲21＃脈頂、底柱均為不連續(xù)礦柱，在回采頂?shù)字包c(diǎn)柱時(shí)，利用數(shù)值模擬得到的穩(wěn)定性結(jié)論，采場(chǎng)空區(qū)的暴露面積必需控制在600 m2以?xún)?nèi)。因此，礦柱回采的過(guò)程中采用設(shè)置人工礦柱以控制空區(qū)的暴露面積，并考慮實(shí)際生產(chǎn)中以安全生產(chǎn)為首要任務(wù)，需保留一定的安全系數(shù)，每個(gè)人工點(diǎn)柱負(fù)擔(dān)的頂板面積取350 m2，選取的混凝土標(biāo)號(hào)為C20。

據(jù)此由式（1）和式（2）計(jì)算人工礦柱的尺寸：

極限狀態(tài)下（1）式可寫(xiě)為：

式中：S為每個(gè)礦柱負(fù)擔(dān)的頂板面積／m2；H為開(kāi)采深度／m；γ為頂板巖層的平均容重／t·m－3；S1為礦柱橫截面積／m2；h為礦柱高度／m；γ1為人工點(diǎn)柱容重／t·m－3；RC為人工礦柱極限抗壓強(qiáng)度／kg·cm－2；n為安全系數(shù)，取2～12。

根據(jù)式（2）計(jì)算，人工混凝土點(diǎn)柱橫截面積應(yīng)不小于40.96 m2，為方便施工，人工點(diǎn)柱設(shè)計(jì)為方形斷面，即斷面尺寸6.4 m×6.4 m，考慮安全等因素，實(shí)際生產(chǎn)中取斷面尺寸7 m×7 m?？諈^(qū)中人工礦柱間隔15～20 m布置，圖5即為該礦脈部分人工礦柱（人工點(diǎn)柱及人工連續(xù)礦柱）在采場(chǎng)中布置的示意圖。布置時(shí)首先在預(yù)定位置將基巖刷平，可采用臺(tái)階狀但不能呈斜坡?tīng)?，設(shè)置人工點(diǎn)柱時(shí)需在基巖和頂板打2.5 m的錨桿，錨桿出露1 m，以便固定人工點(diǎn)柱。

3.2 回采程序設(shè)計(jì)

通過(guò)在采場(chǎng)中設(shè)置人工礦柱，保證空區(qū)暴露面積在安全的范圍內(nèi)，方可對(duì)隱患資源（頂?shù)字?、點(diǎn)柱）進(jìn)行順序回收，其回采程序研究如下：

1.總的礦柱回采順序是先下中段后上中段，即從165中段回采至300中段。

2.每個(gè)中段中點(diǎn)柱回采順序是先回采本中段中央的礦柱，從中央向兩端前進(jìn)式進(jìn)行。對(duì)于單個(gè)采場(chǎng)中的礦柱，先回采采場(chǎng)內(nèi)的點(diǎn)柱和間柱，然后回采頂?shù)字V柱回采順序有利于地壓控制，又便于生產(chǎn)組織管理。

圖5 人工礦柱在采場(chǎng)空區(qū)布置的示意圖

3.每個(gè)中段頂?shù)字幕夭身樞蚴窍然夭蓛啥说捻?、底柱，再回采中央的頂、底柱，從兩端往中央后退式進(jìn)行。

頂、底柱的回采應(yīng)滿(mǎn)足采場(chǎng)內(nèi)人工點(diǎn)柱（或人工連續(xù)礦柱）充分凝固達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的先決條件，回收時(shí)應(yīng)先回采人工點(diǎn)柱位置的頂、底柱，保證空區(qū)暴露面積在安全范圍，同時(shí)在回采其余位置的頂、底柱時(shí)，需待前一階段人工礦柱充填、養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3.3 監(jiān)控安全保證

由于空區(qū)巖體穩(wěn)定性具有較大的不確定性，巖體殘余構(gòu)造應(yīng)力及暴露面積的形狀各異等因素均可對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為確保礦柱回采過(guò)程安全，地壓監(jiān)測(cè)需配合礦柱回采同時(shí)進(jìn)行，根據(jù)采場(chǎng)地壓活動(dòng)的一般規(guī)律，在礦體回采過(guò)程中，對(duì)空區(qū)上部頂板和兩側(cè)的礦巖及礦體內(nèi)應(yīng)力大小及變化情況，形成一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)準(zhǔn)確掌握空區(qū)周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況。若地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示可能有巖體失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)立即停止作業(yè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1.利用MIDAS軟件對(duì)峪耳崖盲21＃脈隱患資源回收前空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，模擬結(jié)果顯示采場(chǎng)頂?shù)装搴偷V柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的程度在安全的范圍之內(nèi)，采場(chǎng)圍巖位移數(shù)值較小，指出在礦柱開(kāi)采前，空區(qū)可以依靠礦柱的支撐，維持穩(wěn)定。

2.通過(guò)反演的方式模擬計(jì)算出頂板允許暴露面積的最大面積，模擬顯示當(dāng)空區(qū)暴露面積為600 m2時(shí)，空區(qū)周邊圍巖拉應(yīng)力已較大，并存在塑性破壞的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合反演結(jié)果并考慮礦柱回采時(shí)保留一定安全系數(shù)，確定空區(qū)最大暴露面積為350 m2。

3.依據(jù)模擬結(jié)果研究采用設(shè)置人工礦柱的方法控制空區(qū)暴露面積，在空區(qū)中間隔15～20 m布置截面尺寸為7 m×7 m人工點(diǎn)柱或人工連續(xù)礦柱，可滿(mǎn)足空區(qū)穩(wěn)定性的要求。

4.數(shù)值模擬能對(duì)隱患資源的回采工作提供一定指導(dǎo)作用，但由于地質(zhì)體的非均質(zhì)性和不連續(xù)性，要做到真正意義上的定量數(shù)值模擬較為困難，巖體穩(wěn)定性仍具有某些不確定性，因此地壓監(jiān)測(cè)需配合礦柱回采同時(shí)進(jìn)行，礦方需成立專(zhuān)門(mén)的監(jiān)測(cè)小組，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，確保回采的安全。

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The Study on Hidden Danger Resources M ining Technology in No.21 Blind Vein of Yuerya Gold M ine

LIUWei-qiang
（Hunan Labour Protection Institute of NonferrousMetals，Changsha 410014，China）

In order tomaximized the recovery rate of hidden danger resources in No.21 blind vein of Yuerya goldmine，themined－out areamodel in No.21 blind vein ismade and simulated by MIDAS in this article.Its stability analysis result shows that surrounding rock of themined zone have a large tensile stress and a risk of plastic failurewhen the exposed area exceed 600 squaremeters.Based on the analysis，we conclude that the exposed area should not exceed 350 squaremeters.Artificial pillar are set tomake sure the hidden danger resources order stoping and theminingmust combine with the ground pressuremonitoringmeasures simultaneously tomake sure residual ore recovery safety.

hidden danger resources recovery；numerical analysis；stability

TD355

：A

：1003－5540（2014）02－0001－04

2014－01－20

劉偉強(qiáng)（1963－），男，工程師，主要從事有色金屬采礦工藝研究技術(shù)工作。