摘要：近年來，受政策、礦山資源枯竭、深部資源開采難度大等因素的影響，中國黃金產量呈下降趨勢，而上述因素同樣也是目前大部分企業(yè)面臨的難題。如何在政策允許范圍內安全高效回收資源是企業(yè)亟須解決的問題。通過Mathews穩(wěn)定性圖解法并結合現(xiàn)場實際情況，對排山樓金礦上排礦區(qū)主井保安礦柱開采結構參數(shù)進行了初判，并利用Flac3D數(shù)值模擬的方法對保安礦柱內礦體安全回采可行性進行研究。數(shù)值模擬結果表明：保安礦柱范圍內礦體安全回采具有可行性，回采造成的塑性區(qū)主要集中在采空區(qū)周圍，回采區(qū)域與現(xiàn)有采空區(qū)間留設的間柱寬度以10～15 m為宜；回采會導致主井中下部產生一定變形，暫無應力集中現(xiàn)象，對主井的使用無大影響。研究結果為主井保安礦柱范圍內T4礦體的開采提供了理論支撐，具有重要的實踐意義。

關鍵詞：豎井；保安礦柱；殘礦回收；采場結構參數(shù)；充填采礦；數(shù)值模擬

[中圖分類號：TD853 文章編號：1001-1277（2025）04-0013-06 文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250403 ]

引言

遼寧排山樓黃金有限責任公司（下稱“排山樓金礦”）隸屬于中國黃金集團有限公司，是一家集采選冶于一體的大型黃金礦山企業(yè)。排山樓金礦于1996年9月開始建設，1997年7月建成投產，原為露天開采，自2005年起全部轉入地下開采。經過多年開采，礦山已進入生產末期，資源成為制約企業(yè)發(fā)展的重要因素。為盡量回收資源，礦山生產后期針對設計預留的主井保安礦柱進行回采，因此開展了主井保安礦柱安全開采研究，以期在高效利用資源的同時，延長礦山服務年限。

豎井工程在地下礦山生產中起著至關重要的作用，提升、運輸、通風、排水等生產系統(tǒng)，以及安全避險六大系統(tǒng)也是通過豎井來完成。因此，豎井周邊需留設一定范圍的保安礦柱，以保證豎井整體穩(wěn)定［1］。主井保安礦柱范圍的圈定：通常根據(jù)房屋、構筑物的保護等級確定安全距離，沿其周邊繪出保護區(qū)范圍，再從保護區(qū)邊緣向外側以選取的巖石移動角確定移動邊界線，移動邊界線所圈定的立體范圍即為主井保安礦柱。保安礦柱的圈定通常采用平面三視圖方式，需要在平面圖、剖面圖上多次定點、連線，用三視圖反映礦柱的三維空間形態(tài)。隨著三維礦業(yè)軟件的推廣和應用，主井保安礦柱的圈定可以更容易實現(xiàn)［2］。

主井布置在礦體側翼的地下礦山，根據(jù)巖石移動角圈定主井保安礦柱，隨著開采深度的增加，生產將面臨主井壓礦的難題。近年來，隨著充填采礦技術的應用愈加廣泛，賦存在復雜地質條件下的礦體開采具備了技術條件，前期排山樓金礦已開展了活動采空區(qū)安全治理技術研究［3］及碎石膠結充填工藝研究，并取得了良好效果，為主井保安礦柱安全回收提供了相關技術保障與支撐［4］。本次研究以排山樓金礦上排礦區(qū)主井以北XXⅣ勘探線—XXXⅧ勘探線T4礦體回采為例，針對主井周邊復雜采空區(qū)條件下礦體回采開展研究。采用多種三維礦業(yè)軟件圈定主井保安礦柱，計算礦石量，繪制采空區(qū)開挖模型，應用數(shù)值模擬方法分析、評價XXⅣ勘探線—XXXⅧ勘探線T4礦體回采對主井穩(wěn)定性的影響［5］。

1工程背景

排山樓金礦上排礦區(qū)主井周邊XXⅣ勘探線—XXXⅧ勘探線T4礦體有較高回采價值，在保證主井安全的情況下對礦體進行回采。根據(jù)最新生產探礦資料，該礦體賦存于0～135 m，走向長度90 m，厚度6～30 m，平均厚度15 m，T4礦體走向NE43°，傾角25°～35°。排山樓金礦主井井口標高393 m，井底標高-60 m，井深453 m，地表需要保護對象有井架和卷揚機房。礦體、采空區(qū)與主井空間位置關系如圖1所示。

2Mathews穩(wěn)定性圖解法

Mathews穩(wěn)定性圖解法是MATHEWS等于1980年首先提出的，該方法主要適用于硬巖礦山的開采設計［6］。Mathews穩(wěn)定圖解是一種用圖形方法表示的巖體質量、開采深度、采場尺寸和穩(wěn)定性間的經驗關系。該方法最初是基于50個工程實例的崩落水力半徑和穩(wěn)定系數(shù)繪制的穩(wěn)定圖，后期由多位專家在分析500個工程實例的基礎上，重新繪制了修正的穩(wěn)定圖，使計算更加可靠。

由于采場的穩(wěn)定性受巖石力學、地質條件及開采順序等不確定性因素的影響，因此對采場穩(wěn)定性評估成為一個復雜的系統(tǒng)工程［7-8］。本次研究結合排山樓金礦上排礦區(qū)巖體質量的具體評價，尤其是考慮到復雜地質條件下軟弱巖體這一特殊條件，采用基于半經驗的Mathews穩(wěn)定性圖解法進行采場初步設計，為最終設計合理的采場尺寸提供科學依據(jù)。

3采場參數(shù)初判

在Mathews穩(wěn)定性圖解法的基礎上，通過修正的巖體質量指數(shù)、巖石應力系數(shù)、節(jié)理方位修正系數(shù)、重力調整系數(shù)對采場結構參數(shù)進行了初判，所得結果如下：

1）標高50～75 m參數(shù)初判。利用Mathews穩(wěn)定性圖解法對采場結構參數(shù)進行了計算，由于標高50～75 m巖體完整性較好，礦體傾角為25°，在礦體厚度為采場長度（最大厚度20 m），采場豎直高度為20～25 m的情況下，采場寬度不宜超過40 m。初判結果如表1所示。

2）標高75～100 m參數(shù)初判。由于標高75～100 m巖體完整性一般，礦體傾角為40°，在礦體厚度為采場長度（最大厚度20 m），采場豎直高度為30 m的情況下，采場寬度不宜超過30 m。初判結果如表2所示。

4主井保安礦柱范圍確定

主井保安礦柱圈定通常利用平面圖構成三維視圖以展示三維效果，繪制步驟如下：首先，在平面圖上確定主井井口安全區(qū)，主要包括井筒、井架和卷揚機房，并向外側延伸20 m。然后，以井筒中心線作垂直走向剖面，將井筒分為左右兩側，即根據(jù)上下盤不同巖石移動角繪制移動線，移動線與底層的交點為邊界點，并將此點投影到俯視圖。從剖面上依次繪制邊界點，連接邊界點獲得保安礦柱邊界線，邊界線圈定的范圍即為保安礦柱［9-10］。近年來，隨著三維礦業(yè)軟件和三維繪圖技術的普及推廣，三維模型在表達礦山地形地貌、不規(guī)則礦脈、復雜采空區(qū)形態(tài)等方面得到了廣泛應用。采用三維軟件可以更快速、精確地繪制保安礦柱模型，而且可以統(tǒng)計出礦柱體積、礦石量等［11-12］。

根據(jù)排山樓金礦的實際情況，由于主井布置在礦體側翼，在設計開采初期，為保證主井的整體安全穩(wěn)定，以主井中心為圓點，半徑30 m范圍為安全區(qū)域，側翼保安礦柱巖石移動角為70°，整體為圓臺形。主井保安礦柱三維模型如圖2所示。采用此種保安礦柱圈定方法技術要求低，可操作性強，礦柱邊界整齊分明，為今后礦柱內礦體的開采帶來了一定便利，是礦山建立初期常用的一種方法。

5待采T4礦體三維圈定

需要回采的礦體位于主井保安礦柱范圍內，該礦體為T4礦體，總體走向北東43°左右，傾向北西313°左右，在125 m中段以下傾角為25°～35°。礦體產于黑云斜長糜棱巖（太古代地層）中，頂盤為糜棱巖化大理巖（中元古代地層），東北部為大石溝似斑狀黑云母花崗巖（中生代侏羅紀地層）。礦巖穩(wěn)固性較好，局部偶有破碎，未見大的系統(tǒng)性破壞斷層［13-14］，屬緩傾斜—傾斜的中厚—厚大礦體。巖石致密堅硬，穩(wěn)固性好，根據(jù)礦體賦存條件，礦山現(xiàn)采用的主要采礦方法為分段空場采礦法及分段空場嗣后碎石充填采礦法。

根據(jù)礦山實測地質資料，主井直徑3.5 m，標高0～393 m；待采T4礦體走向長90 m，標高0～125 m，厚度6～30 m，繪制礦體平面圖和剖面圖，效果如圖3所示。礦體的三維模型如圖4所示。利用三維軟件進行統(tǒng)計分析，該部分礦體礦石量為40.4萬t，金品位1.75 g/t，金金屬量706.03 kg。

6保安礦柱回采數(shù)值模擬

6.1模型建立

數(shù)值分析模型分地表和井下2部分建立。其中，地表部分通過地形等高線、高程點數(shù)據(jù)，建立東西長1 770 m，南北長1 460 m，底部標高-100 m的大型模型；井下部分通過48張實測平面圖和79張剖面圖繪制工程、礦體及采空區(qū)模型。將地表和井下2部分模型合并，繪制Flac3D數(shù)值計算模型，模型以六面體網格為主，共計38.11萬個節(jié)點，219.08萬個單元。Flac3D數(shù)值計算模型［15-16］如圖5所示。

6.2礦巖物理力學參數(shù)

1）物理力學參數(shù)。根據(jù)排山樓金礦區(qū)地質條件，礦床屬于大型韌性剪切帶變質熱液型金礦床，近礦圍巖為糜棱巖，遠礦圍巖為初糜棱巖和糜棱巖化巖石。以金礦帶為中心，向兩側依次為糜棱巖、初糜棱巖、糜棱巖化巖石，它們平行于金礦帶呈東西向展布。礦體位于糜棱巖化最強部位。礦體、圍巖及充填體共5部分，物理力學參數(shù)如表3所示。

2）地應力。本次研究礦體賦存較淺，且區(qū)域內地質條件較簡單，無大型地質構造，因此數(shù)值模擬僅考慮礦巖自重產生的地應力，未考慮構造地應力。

3）破壞準則。本計算模型采用莫爾-庫侖強度準則，其表達式為：

式中：[σ1]、[σ3]分別為最大主應力和最小主應力（MPa）；C為內聚力（MPa）；φ為內摩擦角（°）。

屈服函數(shù)的表達式為：

當[fs]gt;0時，材料受到的壓應力超過其抗壓強度，材料將發(fā)生剪切破壞。在拉應力狀態(tài)下，如果拉應力超過材料的抗拉強度，材料會發(fā)生拉伸破壞。

6.3模擬回采方案

根據(jù)礦體的賦存條件，基于Mathews穩(wěn)定性圖解法，在礦體走向上布置1～2個礦房，礦房長35 m，高25 m。各中段礦房布置情況如圖6所示。礦房與礦房之間、礦房與采空區(qū)之間留有寬10 m的連續(xù)性間柱［17-19］。礦體采用后退式回采，每個中段先回采①號礦房，再回采②號礦房，礦房回采完畢需對采空區(qū)進行充填，充填完成后回采下一個礦房。各中段自下而上開采，低中段礦房回采并充填后，再回采高中段［20］。

7數(shù)值模擬結果及分析

模擬選取主井與T4礦體最近處連線作為重點剖面，即A—A剖面，對位移場、應力場和塑性區(qū)進行分析；同時選取2個垂直于礦體走向的剖面，分別穿過1# 間柱和2# 間柱，即B—B、C—C剖面，對塑性區(qū)進行分析。剖面位置如圖7所示。另外，在豎井周邊以井口為起點自上而下每隔20 m設置1個參考點，共設置20個。

7.1位移分析

回采過程中主井變形曲線如圖8所示。由圖8可知：綜合考慮包括現(xiàn)有采空區(qū)形成過程對主井產生的影響，當T4礦體回采完畢，井筒最大變形發(fā)生在井深約300 m處，且x方向變形最大，可達2 mm，y方向變形1 mm。主井沉降方面，沉降最大處位于主井井口，沉降值4 mm。產生上述現(xiàn)象的原因主要有：礦體走向方向與x、y方向夾角基本相等，在x、y方向上變形趨勢基本一致；主井深300 m處為巖體上下盤交界處，下盤巖體受采動影響較小，且主井井底標高與礦體最低回采水平均為0 m，因此主井位于巖體下盤部分變形較小。

7.2塑性區(qū)分析

剖面A—A的塑性區(qū)分布如圖9所示。由圖9可知：T4礦體回采完畢后，采場間柱局部分布有塑性區(qū)，塑性區(qū)以剪切破壞為主。其中，1# 間柱塑性區(qū)面積明顯大于2# 間柱，主要原因為1# 間柱一側存在大面積未充填的采空區(qū)，間柱水平方向受到的支撐力明顯小于2# 間柱，剪切破壞明顯。由圖9-b）、c）可知：B—B剖面塑性區(qū)面積明顯大于C—C剖面，且2個剖面塑性區(qū)集中的高度不同。其中，B—B剖面塑性區(qū)多集中于25 m中段采場，主要由于該中段礦體較厚，采后巖體擾動較大，間柱受到的圍壓較小，1# 間柱產生的剪切破壞多集中于此；同理，C—C剖面上，50 m中段礦體較厚，塑性破壞多集中于此。

7.3應力分析

根據(jù)應力分布云圖（如圖10所示），模型在1#、2#間柱及采場邊界處產生了較大的應力集中，主要由于T4礦體開采后充填的過程中，間柱起主要的支撐作用，因此充填體和上下盤圍巖承受的應力較小。應力激增區(qū)域與間柱發(fā)生剪切破壞的塑性區(qū)基本重合，該部分區(qū)域承受的應力明顯大于其他區(qū)域，回采期間是應力監(jiān)控的重點。

8結論

1）利用翔實的地質信息與完備的巖體力學數(shù)據(jù)，開展了主井保安礦柱及采空區(qū)的三維建模和數(shù)值分析計算工作。根據(jù)數(shù)值分析結果，排山樓金礦上排礦區(qū)主井保安礦柱回采具有技術可行性，所判定的采場結構參數(shù)合理。

2）回采T4礦體產生塑性區(qū)主要集中在采場周邊及充填體內部，主井周邊并無塑性區(qū)?；夭蓪χ骶a生的變形量較小，最大垂直變形4 mm，不會威脅主井穩(wěn)定，主井側向變形最大區(qū)域位于上下盤分界線處，回采過程中應做好監(jiān)測。

3）在T4礦體回采過程中，應保證1#間柱寬度不低于10 m，以10～15 m為宜，防止間柱整體發(fā)生剪切破壞。由于現(xiàn)有采空區(qū)對地表有一定影響，建議回填后，在地表開展重點區(qū)域變形監(jiān)測，防止生產事故的發(fā)生。

4）通過數(shù)值模擬研究，在主井井筒變形可控范圍內，主井保安礦柱開采具有可行性，但應按照數(shù)值模擬結果進行方案設計，及時嗣后充填，同時做好變形監(jiān)測。

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Preliminary determination of stope structural parameters and numerical simulation of mining for the main shaft security pillars in the Paishanlou Gold Mine

Liu Hongru1， Li Chuanying2， Jin Changyu3

（1.Liaoning Zhongjin Gold Co.， Ltd.; 2.Liaoning Paishanlou Gold Co.， Ltd.;

3.Key Laboratory of Safe Mining of Deep Metal Mines （Ministry of Education）， Northeastern University）

Abstract： In recent years， China’s gold production has declined due to policy constraints， resource depletion， and challenges in deep mining， which are common issues faced by most enterprises. Therefore， safely and efficiently recovering resources within policy limits has become a critical priority for enterprises. This study preliminarily determines the structural parameters for mining the main shaft security pillars in the Shangpai mining district of the Paishanlou Gold Mine using the Mathews stability graphical method based on field conditions. Flac3D numerical simulations were employed to evaluate the feasibility of safely recovering ore bodies within the security pillar. Results indicate that safe extraction is feasible： plastic zones induced by mining are mainly concentrated around the goaf， and 10-15 m width is recommended for pillars retained between the mining area and existing goafs. Mining causes minor deformation in the middle?lower sections of the main shaft without significant stress concentration， posing no major impact on shaft functionality. These findings provide theoretical support and practical guidance for mining the T4 orebody within the vertical shaft security pillar.

Keywords： vertical shaft; security pillar; residual ore recovery; stope structural parameters; filling mining; numerical simulation

收稿日期：2024-09-30；修回日期：2024-11-05

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項基金項目（N2101041）

作者簡介：柳宏儒（1981—），男，高級工程師，從事金屬礦山采礦技術及管理工作；E?mail：416245020@qq.com