大规模充填体下保安矿柱规划及矿体回采顺序研究

朱必勇 杨 伟 王新民

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙410012;2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙410012;3.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

近年来，由于现有浅部矿山资源逐年减少，采矿有向深部地下发展的总体趋势［1-2］。相对于空场采矿法，充填采矿法有回采率高、贫化率低、地压及地表塌陷易控、环保、等显著特点［3-5］。但是国内某些矿山充填规模较大，采场充填体质量不高，在这种条件下进行开采活动，容易诱发很多安全问题［6-7］。在此以某金属矿为例，研究如何在大规模充填体下进行安全生产。

某金属矿多年的生产实践表明，井下采场充填质量较差，尤其是充填接顶率较低，若在大规模充填体下进行回采工作就会存在极大的安全隐患。为了更加安全地进行回采工作，需要盘区留设永久矿柱，并且优化盘区间的回采顺序。目前－300 m 水平仍然采用按照两步骤回采工艺布置，矿房、矿柱交替垂直走向布置，先第一步采矿柱(10 m)并进行胶结充填，第二步采矿房并水砂充填。－300 m 中段以Z4 剖面为界向东西两翼划分采场与盘区，东西翼各7 个盘区，东翼41 个采场，西翼38 个采场。

1 盘区矿柱规划方案

研究矿段采用上向水平分层充填法进行回采，－300 m中段面临上部充填面积较大、下部回采时充填接顶率不高的情况，盘区类似岩体力学中“薄板”力学模型［8］，采场岩体有发生顶板拉伸破坏的可能。此时，必须留设永久盘区矿柱来保证安全回采，盘区矿柱可以支撑顶板并传递上部产生的自重应力，但不回采盘区矿柱，因此将导致矿石损失。所以，在确保回采过程安全的情况下，应尽量少地设置永久矿柱，尽可能多地回收矿石。

1.1 矿体开采模型的建立

1.1.1 模型建立

采用MIDAS/GTS 模拟计算各矿柱留设方案的顶板应力、位移等指标的变化特性，从而确定安全矿柱的最佳位置［9-10］。根据－270 ～－300 m 水平矿体赋存情况建立模型，首先以－270 m 水平矿体为基准，以矿体平均倾角为拉伸方向，向下延伸至－300 m 水平(5 倍重点分析区域－270 ～－300 m 水平)生成矿体实体，向上拉伸至－180 m 水平生成充填体实体;关键区域为整个－300 m 中段矿体，在此基础上导入地形模型，规定整个模型的边界，从而建立矿体箱形模型。

1.1.2 力学参数选取

对现场取得的岩样进行强度试验，所得试验数据结合Hoek－Brown 节理化岩体破坏准则［11-12］、Nicholson 和Bieniawski 提出的回归公式进行处理［13］，结果见表1。

表1 岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters

1.2 安全矿柱位置数值模拟

1.2.1 永久矿柱留设方案

主要研究开采初期(所有采准工作完成之后)、中期(所有回采工作进行一半后)和后期(所有回采工作完成后)顶板的位移和应力情况，具体方案见表2。

表2 安全矿柱位置方案Table 2 Permanent pillar arrangement

1.2.2 数值模拟结果及分析

不同安全矿柱位置时，数值模拟顶板的相关参数最大值统计见表3 ～表5。

表3 方案A 顶板的力学参数Table 3 Mechanical parameters of roof at scheme A

表4 方案B 顶板的力学参数Table 4 Mechanical parameters of roof at scheme B

表5 方案C 顶板的力学参数Table 5 Mechanical parameters of roof at scheme C

1.3 最佳方案

由数值模拟分析结果可知:开采初期各方案最大抗拉安全系数均大于3，3 个方案的开采环境都非常安全;开采中期，随着矿柱的数量增加，顶板最大拉应力和顶板最大位移都有所减小，最大抗拉安全系数也逐渐增大，方案C 的开采环境最为安全;开采后期，随着矿柱的数量增加，顶板最大位移有所减小，但方案B 的顶板最大拉应力最小，并且方案B 的最大抗拉安全系数最大，此时，方案B 的开采环境最安全。对比来说，开采前期和中期，方案C 优于方案B 和方案A，但回采至后期时，方案A 顶板抗拉安全系数最低，仅为1.14，方案B 和方案C 相差不大，均为1.5左右。故随着回采持续进行，由顶板沉降引起的拉应力集中对于方案B 和方案C 没有明显区别，方案B和方案C 在开采阶段整体安全性明显优于方案A，因而二者优劣不明显。

考虑到永久性安全矿柱无法回收或回收难度较大，所以要尽可能避免留设安全矿柱，以减少损失率。方案B 矿柱数量少，故方案B 为最佳方案。另外，E101 采场正是上下盘联络道布置位置，势必会在整个中段回采结束后再考虑回采，故在此处布置永久性连续盘区矿柱也较为合适。

2 盘区矿体回采顺序优化研究

2.1 回采顺序方案

由于盘区只留E101 采场作为连续永久矿柱，因此不考虑开拓工程影响的条件下可行的盘区间回采顺序有如表6 所示4 种。按照日生产能力3 000 t 和改进后回采工艺单个采场的生产能力计算(矿房矿柱综合考虑)，同时回采的采场需5 ～6 个，故按6 个进行模拟。

表6 回采顺序优化方案Table 6 Optimal programs of mining sequence

2.2 各方案模拟结果及分析

(1)各方案西部矿区顶板安全情况。由表7 可知:采用4 种不同的方案回采矿体时，在开采初始状态下顶板均无拉应力，顶板的最大位移相接近。开采到中期，方案二的顶板应力和位移均最小，也最为安全;至开采末段，方案二、三的安全程度相近。综合前期，中期，后期的顶板最大拉应力，顶板Z 方向上最大位移的资料表明，方案二在控制顶板拉应力和控制顶板Z 方向上位移优于其他3 个方案。

表7 顶板力学参数比较Table 7 Comparison of maximum tensile stress and maximum displacement of the roof

(2)各方案西部矿区直接顶板安全情况。根据表8 可知:开采初期，方案一直接顶板的应力和位移均最小，但和其他方案的差距不大;开采到中期，方案二的顶板应力和位移均最小，开采环境也最为安全;开采至末期，各方案的安全程度相接近。因此方案二在控制直接顶板拉应力及控制直接顶板位移方面优于其他3 个方案。

表8 直接顶板力学参数比较Table 8 Comparison of maximum tensile stress and maximum displacement of the direct roof

(3)各方案下矿壁的安全情况。由表9 可知:在4 种不同的开采方案下，开采初期方案一矿壁所受的最大压应力最小，为19.00 MPa，其余3 个方案的矿壁最大压应力相接近，均在20.86 ～20.87 MPa。开采中期，方案四矿壁所受的拉应力最小，为35.10 MPa，方案二壁面所受的拉应力次之，为41.96 MPa。在开采后期，4 种方案的矿壁最大压应力相接近。因此，各方案矿壁稳定性没有明显区别。

表9 各方案矿壁最大压应力比较Table 9 Comparison of maximum tensile stress of the sides

(4)各方案西部矿区充填体安全情况。由表10可知:在4 种不同的开采方案下，方案二和方案三在前期开采回填时充填体所受的最大压应力较小，分别为0.12 MPa 和0.13 MPa;方案一在前期开采时充填体所受的最大压应力较大，为1.71 MPa，方案四在初始状态下的充填体所受的最在压应力最大，为3.37 MPa;在开采中期，方案二的充填体所受的压应力最小，为2.51 MPa，方案三的充填体所受的最大压应力最大，为3.37 MPa;在开采后期，充填体的安全程度接近。4 种开采方案开采前期，中期，后期中充填体所受的最大压应力表明，方案二的充填体所受最大压应力优于其他3 个开采方案。

表10 充填体承受最大压应力比较Table 10 Comparison of maximum tensile stress of the backfill body

根据不同开采方案下的顶板稳定性分析、直接顶板稳定性分析、矿壁稳定性分析、充填体稳定性分析综合比较认为:方案二为西部开采的最优方案，即从矿体中央连续永久盘区矿柱E101 采场向两翼同时开采。

3 结 论

(1)将E101 采场作为永久性连续盘区时，开采后期采场顶板的抗拉安全系数为1.53，整个顶板岩体稳定性较好，确定将E101 作为盘区永久矿柱。

(2)从矿体中央连续永久盘区矿柱E101 采场向两侧分盘区开采为改进后回采工艺条件下最优的盘区间回采顺序。

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