萬孝衡 林衛(wèi)星 歐任澤 周禮

摘要：謙比希銅礦N1礦體產狀較平緩，厚度薄，采用房柱采礦法回采。為安全經濟回采該礦體，對采場結構參數(shù)進行了優(yōu)化，得出最優(yōu)的采場結構參數(shù)為：一步驟采場寬度8?m，礦柱寬度和長度均為5.0?m，礦柱間距3?m?，F(xiàn)場試驗表明：該采場結構參數(shù)下試驗采場回采安全系數(shù)為1.15，回采過程中礦體安全穩(wěn)定，未發(fā)生采空區(qū)垮塌等安全生產事故，礦石貧化率為10.50?%，礦石回采率為74.80?%，提高了礦山的經濟效益。

關鍵詞：薄礦體;房柱采礦法;采場結構參數(shù);安全經濟;礦石回采率

中圖分類號：TD853.32文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）02-0048-04doi：10.11792/hj20210209

礦山資源開采時，為了安全經濟回采緩傾斜薄礦體，采場結構參數(shù)的選擇至關重要，相關學者在這方面進行了大量研究。康虔等[1]將變權重理論引入到采場結構參數(shù)方案評價中，通過建立變權重—理想點模型對采場結構參數(shù)進行了優(yōu)化研究。歐任澤等[2-3]運用3D-σ有限元分析軟件對礦山可能采用的采場結構參數(shù)方案，在不同埋藏深度時的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究。對于有色金屬礦山而言，礦體賦存條件的差異化導致礦山開采技術條件不盡相同，根據特定礦山的特定開采技術條件，采用不同的分析方法從不同的角度考慮確定最優(yōu)的采場結構參數(shù)是十分必要的。

1?工程概況

謙比希銅礦東南礦體位于非洲贊比亞銅帶省，設計年生產能力330萬t，礦體走向北西，傾向北東，走向長2?700?m，傾向寬569～1?237?m，礦體厚5～25?m，傾角5°～20°，Cu平均品位1.88?%，埋深在地表下469～1?242?m。

東南礦體分為南北2個區(qū)域，北采區(qū)980?m中段4#～6#探礦穿脈間有一個長約350?m、寬約130?m的N1礦體。N1礦體產狀較平緩，礦體傾角10°以內，礦體厚度3～6?m，礦體上下盤圍巖穩(wěn)固。由于N1礦體產狀平緩，厚度3～6?m，擬采用房柱采礦法回采。N1礦體分兩步驟回采：一步驟采場參數(shù)為寬7～9?m，高4～6?m，長80～90?m;二步驟采場參數(shù)為寬4～5?m，高4～6?m，長80～90?m。首先回采一步驟采場，然后回采二步驟采場，最終形成4?m×4?m或5?m×5?m的規(guī)則點柱。為了安全經濟回采N1礦體，選用理論計算方法對可能采用的采場結構參數(shù)進行計算，從安全經濟方面定量評價并選出最優(yōu)的采場結構參數(shù)。同時，在N1礦體北采區(qū)980?m中段980-W1采場進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，取得了較好的效果。

2?巖石物理力學參數(shù)

N1礦體的頂板圍巖為石英巖，單軸抗壓強度為98.23?MPa，RQD值96?%，巖體質量中等。N1礦體巖性為黃鐵礦化砂質板巖，單軸抗壓強度為125.29?MPa，RQD值95?%，巖體質量中等。底板圍巖為石英巖、礫巖，平均單軸抗壓強度為97.65?MPa，RQD值95?%，巖體質量中等。N1礦體圍巖物理力學性質試驗結果見表1。

3?采場結構參數(shù)評價原則

3.1?安全原則

N1礦體房柱采礦法開采采場結構參數(shù)主要包括礦房寬度、礦柱長度、礦柱寬度和間距等[4]。首先應保證采場在回采期間安全穩(wěn)定，不會發(fā)生采空區(qū)垮塌等安全生產事故，不會給工人和設備造成傷害和損害。

為研究礦柱的穩(wěn)定性，需解決作用于礦柱的載荷、礦柱強度等問題。本文選用Bieniawski礦柱強度理論對礦柱強度進行計算[5]：

ps=σc0.64+0.36bphα（1）

式中：ps為礦柱能夠承受的最大壓力（MPa）;σc為礦體單軸抗壓強度（MPa）;bp為礦柱寬度（m）;h為礦柱高度（m）;α為方程冪指數(shù)，其取值依據為礦柱高度和寬度的關系，當?shù)V柱寬度小于5倍的礦柱高度時取1.0，當?shù)V柱寬度大于5倍的礦柱高度時取1.4。

礦柱尺寸由其抗壓強度確定。根據面積承載力理論，假設上覆巖層的重力按面積均勻分布，礦柱支撐其上覆巖層的重力，該礦柱承載范圍的底面積為礦柱分攤的開采面積與礦柱自身面積之和[6-8]（見圖1）。

對作用于礦柱上的載荷問題，為正確估算礦柱所受的載荷，采用礦柱的面積承載理論進行計算，因此矩形礦柱的平均應力（σp）為：

式中：γ為上覆巖層的容重（N/m3）;δ為上覆巖層厚度（m）;lp、bp分別為礦柱的長度和寬度（m）;l0、b0分別為礦柱間隔的長度和寬度（m）。

由作用于礦柱的載荷、礦柱強度得到礦柱的安全系數(shù)（K）為：

K=psσp=σc0.64+0.36bphαγδ1+b0bp1+l0lp（3）

由于謙比希銅礦東南礦體北采區(qū)采場埋深為980?m，為保證計算結果的可靠性選取最大埋深980?m作為計算標準，上覆圍巖的密度為2?711?kg/m3，則容重為27?110?N/m3。

3.2?經濟原則

采場內礦柱分布見圖2。確定合理的采場結構參數(shù)，不僅要保證回采期間工作的安全，也應考慮礦石的最大回采率，從而提高礦山的經濟效益，對于薄礦體來說礦石回采率是一個重要指標。

礦房寬度和礦柱尺寸的不同組合對應的礦石回采率不同。利用式（4）計算在極限寬度條件下，單元內礦石回采率（ε）為：

4?優(yōu)化結果及分析

4.1?最優(yōu)方案選擇

根據N1礦體的賦存特征、開采技術條件和類似礦山經驗，針對不同的一步驟采場寬度、礦柱寬度和長度、礦柱間距參數(shù)，采用正交試驗確定N1礦體可采用的采場結構參數(shù)方案，見表2。

采用某計算軟件對N1礦體可采用的采場結構參數(shù)方案計算結果進行擬合處理，得到的擬合曲線見圖3～5。由圖3～5可知：在相同的礦柱尺寸下，礦柱間距越大，礦石回采率越大，但礦柱安全系數(shù)越小。在不同的礦柱間距下，礦柱的安全系數(shù)和礦石回采率是2個線型相關的函數(shù)，這2條曲線之間存在一個交點，該點所對應的礦柱間距就是最佳礦柱間距。當?shù)V柱尺寸分別為4.0?m、4.5?m、5.0?m、5.5?m和6.0?m時，計算結果及對應的最優(yōu)礦柱間距、安全系數(shù)和礦石回采率見表3。

在工程設計中，一般所選的采場結構參數(shù)安全系數(shù)應大于1.15。由表3可知：當一步驟采場寬度為7?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m時，礦柱間距應大于2.93?m，對應的安全系數(shù)為1.24，礦石回采率為73.73?%;當一步驟采場寬度為8?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m時，礦柱間距應大于2.92?m，對應的安全系數(shù)為1.15，礦石回采率為75.72?%;當一步驟采場寬度為9?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m時，礦柱間距應大于2.41?m，對應的安全系數(shù)為1.14，礦石回采率為75.90?%。因此，最終選擇的最優(yōu)采場結構參數(shù)為：一步驟采場寬度8?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m，礦柱間距3?m。

4.2?應用效果

在生產實踐中，礦山針對N1礦體北采區(qū)980?m中段布置采場，首采980-W1采場采用房柱采礦法開采時，選用的采場結構參數(shù)為一步驟采場寬度8?m，礦柱寬度和長度均為5.0?m，礦柱間距3?m。在采用該采場結構參數(shù)進行回采過程中取得的主要技術經濟指標見表4。該采場結構參數(shù)下安全系數(shù)達到不小于1.15的要求，礦石回采率在考慮安全條件下達到了最大，同時該采場回采過程中采空區(qū)無垮塌冒頂事故，頂板和兩幫礦巖穩(wěn)固，給礦山節(jié)省了安全費用投入，實現(xiàn)了礦石回采率最大化，該采場結構參數(shù)可以給同類礦山開采提供借鑒。

5?結?論

1）從安全經濟方面得出最優(yōu)采場結構參數(shù)具有可靠性。在相同的礦柱尺寸下，礦柱間距越大，

礦石回采率越大，但安全系數(shù)越小。在不同的礦柱間距下，安全系數(shù)和礦石回采率是2個線型相關的函數(shù)，這2條曲線之間存在一個交點，該點所對應的礦柱間距就是最佳礦柱間距。

2）在N1礦體賦存條件下，當一步驟采場寬度為7?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m時，礦柱間距應大于2.93?m，對應的安全系數(shù)為1.24，礦石回采率為73.73?%;當一步驟采場寬度為8?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m時，礦柱間距應大于2.92?m，對應的安全系數(shù)為1.15，礦石回采率為75.72?%;當一步驟采場寬度為9?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m時，礦柱間距應大于2.41?m，對應的安全系數(shù)為1.14，礦石回采率為75.90?%。

3）在現(xiàn)場工業(yè)生產中選取最優(yōu)采場結構參數(shù)為：一步驟采場寬度8?m，礦柱寬度和長度均取5.0?m，礦柱間距3?m。采用該參數(shù)回采，礦石回采率在考慮安全條件下達到了最大，無垮塌冒頂情況發(fā)生，采場穩(wěn)定性好，給礦山節(jié)省了安全費用投入，實現(xiàn)了礦石回采率最大化。

4）在回采過程中，可在礦柱上布置一系列地壓或位移監(jiān)測點實時監(jiān)測礦柱的穩(wěn)定性，進一步為礦山的安全生產提供指導。

[參?考?文?獻]

[1]?康虔，張欽禮，張楚旋，等.理想點法在采場結構參數(shù)優(yōu)化中的應用[J].黃金科學技術，2018，26（1）：25-30.

[2]?歐任澤，何立夫.基于3D-σ有限元法的采場結構參數(shù)優(yōu)化[J].有色金屬（礦山部分），2019，71（4）：5-11.

[3]?陳冰潔.基于有限元極限分析法的地下采場結構穩(wěn)定性研究[D].長沙：中南大學，2013.

[4]?林業(yè)成.云南某銅礦房柱法采場結構參數(shù)優(yōu)化研究[D].昆明：昆明理工大學，2017.

[5]?袁錦鋒.羅河鐵礦采場穩(wěn)定性影響因素分析[J].銅業(yè)工程，2014（5）：40-43.

[6]?胡慧明.房柱法地壓處理及人工礦柱結構參數(shù)研究[D].贛州：江西理工大學，2011.

[7]?冉光建，陳紹清，何朝遠，等.石灰?guī)r礦山房柱法開采礦柱直徑優(yōu)化研究[J].中國礦山工程，2015，44（6）：47-52.

[8]?唐紹輝，郭葵，鄭榮祥.階段礦房法采場結構參數(shù)優(yōu)化研究[J].有色金屬（礦山部分），2009，61（1）：3-4，10.