王乃斌 趙繼銀 張傳信 郭 偉

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司仙人橋銅礦，江蘇 南京 211131；2.中鋼集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；安徽 馬鞍山 243000)

盤(pán)區(qū)礦柱回采方案的優(yōu)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(tuán)股份有限公司仙人橋銅礦，江蘇 南京 211131；2.中鋼集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；安徽 馬鞍山 243000)

盤(pán)區(qū)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(pán)區(qū)礦柱回采厚度不但能夠提高資源的回收率和經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠降低礦柱回采過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。在提出不同的回采方案的基礎(chǔ)上，對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理的折減處理，并通過(guò)自下而上的三維實(shí)體建模技術(shù)建立分析模型，并在分析中以摩爾-庫(kù)倫巖土模型為破壞準(zhǔn)則。采用FLAC3D分析軟件對(duì)盤(pán)區(qū)礦柱不同的回采厚度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究盤(pán)區(qū)礦柱及其周?chē)煽諈^(qū)圍巖內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)盤(pán)區(qū)礦柱不同回采厚度模擬結(jié)果的分析比較，確定了盤(pán)區(qū)礦柱合理的回采厚度，能夠保證盤(pán)區(qū)礦柱安全的回采。最后通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全等多方面因素得出結(jié)論，選擇其中的最優(yōu)回采方案。

盤(pán)區(qū)礦柱 回采方案 數(shù)值模擬

冬瓜山銅礦大團(tuán)山礦床-580 m水平以上的各中段以盤(pán)區(qū)為基本的回采單元進(jìn)行開(kāi)采。在每一中段內(nèi)沿礦體走向劃分成5個(gè)盤(pán)區(qū)，盤(pán)區(qū)間垂直礦體走向預(yù)留設(shè)30 m寬的盤(pán)區(qū)礦柱。盤(pán)區(qū)內(nèi)劃分采場(chǎng)，采場(chǎng)間不留礦柱，連續(xù)回采，采用下向大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法回采。先回采各盤(pán)區(qū)內(nèi)的礦體，在盤(pán)區(qū)內(nèi)礦體開(kāi)采結(jié)束后根據(jù)礦巖的穩(wěn)定條件合理回收部分盤(pán)區(qū)礦柱。盡管以盤(pán)區(qū)為基本回采單元具有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、采礦成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在盤(pán)區(qū)礦柱占有礦量大的缺點(diǎn)。為了充分回收有限的礦產(chǎn)資源，提高資源利用率，冬瓜山銅礦擬對(duì)部分盤(pán)區(qū)礦柱進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕厥?。本研究主要針?duì)Ⅲ號(hào)盤(pán)區(qū)與Ⅳ號(hào)盤(pán)區(qū)之間的31A礦柱回采方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 礦柱回采方案

31A礦柱是留設(shè)在Ⅲ、Ⅳ號(hào)盤(pán)區(qū)之間的盤(pán)區(qū)礦柱，其平面位置見(jiàn)圖1，剖面見(jiàn)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(biāo)高之間，其在-565 m水平以上的礦量為54萬(wàn)t。與31A礦柱相鄰的Ⅲ、Ⅳ號(hào)盤(pán)區(qū)沿走向長(zhǎng)約95 m，寬為礦體的水平厚度。目前，Ⅲ、Ⅳ號(hào)盤(pán)區(qū)-580 m水平以上各中段已回采結(jié)束，并且Ⅳ盤(pán)區(qū)已采用尾礦膠結(jié)充填完畢。由于-580 m中段采場(chǎng)的底部結(jié)構(gòu)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(xué)強(qiáng)度較高，普氏堅(jiān)固性系數(shù)9～13，為半堅(jiān)硬巖石。礦體及圍巖結(jié)構(gòu)完整，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

根據(jù)31A礦柱的賦存條件、礦巖力學(xué)性質(zhì)和與其相鄰盤(pán)區(qū)的采空區(qū)充填情況，礦柱回采可分2種方案：方案一為Ⅲ盤(pán)區(qū)不充填的情況下，利用Ⅲ盤(pán)區(qū)已形成的采空區(qū)作為崩礦空間，回采靠近Ⅲ盤(pán)區(qū)的部分盤(pán)區(qū)礦柱；方案二為Ⅲ盤(pán)區(qū)充填后，分別在31A礦柱靠近Ⅲ、Ⅳ號(hào)盤(pán)區(qū)充填體的部位各留設(shè)5 m厚的礦柱不回采，作為永久礦柱，回采盤(pán)區(qū)礦柱中間寬20 m的部分礦柱。下面將采用數(shù)值模擬的方法對(duì)上述2種回采方案進(jìn)行分析計(jì)算。

2 數(shù)值模擬模型的建立

本次研究采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。FLAC3D軟件主要用在巖土數(shù)值分析計(jì)算，尤其是對(duì)于巖土體這類(lèi)連續(xù)介質(zhì)的應(yīng)力位移場(chǎng)的計(jì)算。

2.1 本構(gòu)模型及破壞準(zhǔn)則

本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)倫模型。該模型將礦巖視為各向同性的彈塑性體，采用復(fù)合破壞準(zhǔn)則。

2.2 礦巖力學(xué)參數(shù)

由于巖石與巖體的差異，實(shí)驗(yàn)室的巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)不能直接應(yīng)用于巖體工程時(shí)，須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度折減。根據(jù)大團(tuán)山礦床礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度，本次研究將巖石力學(xué)試驗(yàn)所獲得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減處理，折減后的礦巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模擬分析中礦巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模型的建立

本次研究以冬瓜山銅礦大團(tuán)山礦床31A礦柱的實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立數(shù)值模型。

(1)為能很好地對(duì)不規(guī)則礦柱進(jìn)行匹配，采用自下而上的三維實(shí)體建模，即點(diǎn)—線(xiàn)—面—體，層層搭建。劃分網(wǎng)格時(shí)，礦柱及其附近網(wǎng)格單元?jiǎng)澐州^密，其他部位網(wǎng)格可稀疏些，盤(pán)區(qū)礦柱三維立體模型見(jiàn)圖3(右邊的礦柱為31A礦柱)。

(2)以礦體傾向?yàn)閄方向，礦體走向?yàn)閆方向，鉛直方向?yàn)閅方向建立數(shù)值模擬模型。分別以勘探線(xiàn)剖面和中段平面圖為基礎(chǔ)作垂直剖面和水平面。計(jì)算范圍為采空區(qū)跨度的3～5倍，對(duì)于已有巷道在模型中不體現(xiàn)。數(shù)值模擬的模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=790 m×600 m×900 m。

(3)對(duì)實(shí)體模型選取八節(jié)點(diǎn)的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，具體有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

3 數(shù)值模擬分析研究

3.1 數(shù)值模擬方案簡(jiǎn)介

根據(jù)可供選擇的盤(pán)區(qū)礦柱回采方案，本次模擬分別針對(duì)Ⅲ盤(pán)區(qū)充填前后回收不同厚度的盤(pán)區(qū)礦柱進(jìn)行模擬。模擬時(shí)，對(duì)于30 m寬的盤(pán)區(qū)礦柱，在Ⅲ盤(pán)區(qū)充填前，分別以回采10 m，15 m厚的盤(pán)區(qū)礦柱(方案一)為研究對(duì)象；在Ⅲ盤(pán)區(qū)充填后，以回采20m厚的盤(pán)區(qū)礦柱(方案二)為研究對(duì)象。

圖4 模型網(wǎng)格劃分圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

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

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析的結(jié)果，應(yīng)力與位移分布代表性云圖見(jiàn)圖5～圖9，數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 模型初始應(yīng)力分布云圖

圖6 方案二拉應(yīng)力分布云圖

通過(guò)對(duì)回采不同厚度盤(pán)區(qū)礦柱的數(shù)值模擬結(jié)果可知：

(1)各方案無(wú)論是壓應(yīng)力、拉應(yīng)力或者是剪應(yīng)力，其應(yīng)力分布狀態(tài)(或分布規(guī)律)基本相似，僅是應(yīng)力值大小有所不同，表現(xiàn)為應(yīng)力集中分布區(qū)域不同。

圖7 15 m方案一剪應(yīng)力分布云圖

圖8 10 m方案一壓應(yīng)力分布云圖

圖9 方案二位移分布云圖

方 案剪應(yīng)力/MPa壓應(yīng)力/MPa拉應(yīng)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(shuō)明：“/”前后數(shù)值分別代表周?chē)鷩鷰r與礦柱中的極值。

(2)盤(pán)區(qū)礦柱未回采時(shí)的情況。從礦柱回采前的初始應(yīng)力狀態(tài)來(lái)看，礦柱及其相鄰采空區(qū)的受力狀態(tài)較好，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)盤(pán)區(qū)礦柱回采厚度為10 m的情況。整個(gè)礦柱內(nèi)部產(chǎn)生了3個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)，1個(gè)分布在礦柱與頂板接觸的邊緣，另外2個(gè)分布在預(yù)留垂直礦柱和斜礦柱內(nèi)。最大壓應(yīng)力達(dá)到36.9 MPa，并未出現(xiàn)在預(yù)留礦柱中，而是出現(xiàn)在礦柱與頂、底板接觸的邊緣。同時(shí)礦柱內(nèi)部出現(xiàn)2個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)，分別位于預(yù)留垂直礦柱兩側(cè)，但數(shù)值較小，約為1.15 MPa。而剪應(yīng)力集中區(qū)主要分布在礦柱腰部以上，最大剪應(yīng)力達(dá)到4.12 MPa。從位移數(shù)值大小來(lái)看，未見(jiàn)明顯的異常位移產(chǎn)生。總之，從各種應(yīng)力云圖來(lái)看，雖然個(gè)別應(yīng)力偏高，但并未達(dá)到極限強(qiáng)度，故該方案能夠滿(mǎn)足礦柱安全回采的要求。

(4)盤(pán)區(qū)礦柱回采厚度為15 m的情況。頂柱層中應(yīng)力值進(jìn)一步加大，最大拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3.49 MPa，已經(jīng)接近本次模擬采用的礦體抗拉強(qiáng)度，壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移值則變化不大。對(duì)于上下盤(pán)圍巖，拉應(yīng)力已經(jīng)高達(dá)3.55 MPa，已經(jīng)達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，最大剪應(yīng)力高達(dá)7.38 MPa，已經(jīng)超過(guò)了巖體極限抗剪強(qiáng)度。盡管該類(lèi)應(yīng)力只是局部性的，但是從安全角度出發(fā)，該方案風(fēng)險(xiǎn)較大，難以滿(mǎn)足礦柱安全回采的要求。

(5)盤(pán)區(qū)礦柱回采厚度為20 m的情況。從前面的分析來(lái)看，在Ⅲ盤(pán)區(qū)的采空區(qū)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(pán)區(qū)采空區(qū)充填后，回采20 m厚的礦柱。從相關(guān)的數(shù)值模擬云圖6和圖9來(lái)看，礦柱及其相鄰采空區(qū)圍巖的應(yīng)力、位移量數(shù)值分布合理均勻，無(wú)明顯突變現(xiàn)象。礦柱中最大剪應(yīng)力為4.99 MPa，最大拉應(yīng)力為1.91 MPa，最大壓應(yīng)力為31.0 MPa，均未超過(guò)礦巖的極限強(qiáng)度。從空區(qū)剖面來(lái)看，壓應(yīng)力達(dá)到了41.9 MPa，這是整個(gè)礦柱回采中產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力。但由于充填體的存在改善了整個(gè)盤(pán)區(qū)的受力狀況，并未有高的拉、剪應(yīng)力集中產(chǎn)生，剪應(yīng)力數(shù)值反而相對(duì)于前面方案一的2個(gè)子方案有所下降。因此，該方案也能滿(mǎn)足礦柱安全回采的要求。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

通過(guò)上面的數(shù)值模擬分析，在Ⅲ盤(pán)區(qū)充填前，31A礦柱可安全回采的厚度為10 m；在Ⅲ盤(pán)區(qū)充填后，31A礦柱可安全回采厚度為20 m。

對(duì)上述2種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可知，在綜合考慮盤(pán)區(qū)礦柱回采的采礦成本和Ⅲ盤(pán)區(qū)的充填成本情況下，在Ⅲ盤(pán)區(qū)充填前，回采10 m厚的盤(pán)區(qū)礦柱最終經(jīng)濟(jì)效益為4 500萬(wàn)元，即便如此在31A礦柱回采10 m后，Ⅲ盤(pán)區(qū)的采空區(qū)仍要充填，此時(shí)還要增加一部分充填費(fèi)用。在按1∶6的灰砂比充填Ⅲ盤(pán)區(qū)后，回采20 m厚的盤(pán)區(qū)礦柱最終經(jīng)濟(jì)效益為4 890萬(wàn)元；在按1∶10的灰砂比充填Ⅲ盤(pán)區(qū)后，回采20 m厚的盤(pán)區(qū)礦柱最終經(jīng)濟(jì)效益為6 500萬(wàn)元。同時(shí)在Ⅲ盤(pán)區(qū)充填后，消除了采空區(qū)所帶來(lái)的安全隱患，更有利于盤(pán)區(qū)礦柱的回采。

因此，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全方面等因素，在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，選擇Ⅲ盤(pán)區(qū)充填后，31A礦柱回采厚度為20 m的方案。

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(責(zé)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(jīng)理，工程師。

TD853.391

A

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