采場點(diǎn)柱回收數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

孫祥鑫，馬明輝，王祿海，李建杰

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；2.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州市 261442）

采場點(diǎn)柱回收數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

孫祥鑫1，馬明輝2，王祿海2，李建杰2

（1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；2.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州市 261442）

三山島金礦是我國第一個進(jìn)行海底采礦的硬巖礦山，礦山逐步采用上向分層進(jìn)路充填采礦法取代點(diǎn)柱式機(jī)械化上向水平分層充填法開采，并在接頂充填后將采場內(nèi)點(diǎn)柱進(jìn)行回收。通過FLAC3D數(shù)值模擬方法，計算和分析點(diǎn)柱回收后采場頂板變化和穩(wěn)定性，提出最優(yōu)回采方案，為三山島金礦直屬礦區(qū)點(diǎn)柱回收提供了技術(shù)支持。

三山島金礦；點(diǎn)柱回收；數(shù)值模擬；回收順序

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦包括直屬、新立、平里店3個礦區(qū)。其中直屬礦區(qū)采用的采礦方法有點(diǎn)柱式機(jī)械化上向分層充填法［1］、上向分層進(jìn)路充填采礦法和機(jī)械化盤區(qū)充填采礦法［2］。伴隨著黃金價格的不斷攀升，點(diǎn)柱法采場正在逐步改為進(jìn)路法采場，即點(diǎn)柱采場當(dāng)前層回采結(jié)束后進(jìn)行接頂充填，下層回采采用進(jìn)路法。在點(diǎn)柱采場接頂充填后，部分下盤或邊幫存在高品位點(diǎn)柱，可以通過在充填尾砂中施工進(jìn)路進(jìn)行回收。本文以258＃采場點(diǎn)柱回收為例，通過采用FLAC3D軟件建立了采場模型，模擬不同的點(diǎn)柱回收方案，通過分析頂板變化情況，提出最優(yōu)的回采方案，為點(diǎn)柱的安全高效回收提供技術(shù)支持。

1 采場環(huán)境

1.1 采場概況

三山島金礦直屬礦區(qū)－210m中段258＃采場回采已接近收尾階段，在本分層回采過程中發(fā)現(xiàn)采場節(jié)理裂隙發(fā)育，局部區(qū)域品位較高，但頂板不穩(wěn)固、容易冒落，為保證回采安全，更加有效地回收資源，決定本分層結(jié)束后進(jìn)行接頂充填，下一分層采用進(jìn)路法進(jìn)行回采。由于局部區(qū)域品位較高，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)單個點(diǎn)柱價值超過百萬，因此必須將經(jīng)濟(jì)合理的點(diǎn)柱進(jìn)行回收，提高資源回收率，降低損失。采場實(shí)測圖如圖1所示。

圖1 采場實(shí)測示意

1.2 地質(zhì)條件和礦巖物理力學(xué)參數(shù)

采場礦體由黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖組成，2種巖性呈漸變關(guān)系，礦化連續(xù)。礦體直接上盤圍巖為絹英化碎裂巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖；礦體下盤為黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖或黃鐵絹英巖化碎裂巖。礦巖硬度系數(shù)f＝6～14，靠近Fl斷層的礦巖硬度系數(shù)f＝4～6，屬半堅(jiān)硬巖石。通過對直屬礦區(qū)巖體工程地質(zhì)調(diào)查、上下盤巖石取樣測試及充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，得出三山島金礦巖體和充填體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體和充填體力學(xué)參數(shù)

1.3 應(yīng)力環(huán)境

三山島金礦最大主應(yīng)力位于近水平方向，最大水平主應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，三山島金礦地應(yīng)力場是以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。最大水平主應(yīng)力的走向位于北西西向，基本與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力的方向相一致。使用線性回歸分析的方法，得出了最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力隨深度變化的回歸方程。水平構(gòu)造應(yīng)力中最大主應(yīng)力σhmax垂直礦體走向，最小主應(yīng)力σhmin沿礦體走向，構(gòu)造應(yīng)力變化規(guī)律如下［3－5］：

式中，H為垂直方向深度。

2 直屬礦區(qū)點(diǎn)柱回收數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

按照采場的實(shí)際情況，并在進(jìn)行了一定優(yōu)化的基礎(chǔ)上建立了計算模型，如圖2所示。點(diǎn)柱的規(guī)格為4m×4m，點(diǎn)柱與點(diǎn)柱邊間距為10m，點(diǎn)柱與圍巖邊間距為10m，圖上部為下盤、下部為上盤，將點(diǎn)柱分為5組，由不同的顏色表示，經(jīng)濟(jì)合理的點(diǎn)柱為圖中編號的4個點(diǎn)柱，下盤右側(cè)靠近采聯(lián)點(diǎn)柱為1號，下盤左側(cè)點(diǎn)柱為4號，中部右側(cè)為2號，正中間點(diǎn)柱為3號，其余位置點(diǎn)柱由于品位較低，施工進(jìn)路困難，所以不再進(jìn)行回收。

圖2 計算模型

2.2 不同回收方案分析

回收1～4號4個點(diǎn)柱的方案有6種：1—2—3—4，1—2—4—3，1—3—2—4，1—3—4—2，1—4—2—3，1—4—3—2，首先分析兩個點(diǎn)柱撤除后頂板變化情況，比較第一步回收1、2和1、3和1、4三種方案的優(yōu)劣，回收后在沿傾向方向設(shè)置了16個截面分析不同位置的Z方向位移值，模擬結(jié)果見圖3。

圖3 采場位移變化

由圖3可以看出，撤除1和4號點(diǎn)柱采場頂板的變形較小，因此在接頂充填結(jié)束后，應(yīng)該首先回收1號和4號點(diǎn)柱。

其次，分析第二步第3個點(diǎn)柱的回收順序，通過回收模擬得出數(shù)據(jù)，見表2。

表2 不同回采順序頂板位移值

由表2可以看出，1—2—4—3和1—4—2—3兩順序?yàn)檩^優(yōu)的順序，結(jié)合上面模擬的順序，第二步回采4號點(diǎn)柱較優(yōu)，因此回采的最優(yōu)順序?yàn)?—4—2—3［6－8］。

3 點(diǎn)柱回收方案與施工

（1）充填。首先對已經(jīng)回采結(jié)束的本分層采場進(jìn)行接頂充填，采場空頂高為3.5m，底部3.1m采用廢石尾砂充填，上部0.4m采用膠結(jié)充填，在采聯(lián)口進(jìn)行封閉。

（2）施工通道。待充填結(jié)束后，按照預(yù)定的點(diǎn)柱回采方案施工通道，首先回收采聯(lián)口點(diǎn)柱，然后同時向下盤和邊幫點(diǎn)柱施工通道。

（3）尾砂爆破。通道處于尾砂當(dāng)中，爆破尾砂成為關(guān)鍵問題，爆破尾砂容易發(fā)生堵孔、拒爆、爆破效果差等現(xiàn)象，因此在施工中，要求邊打眼邊裝藥，最后安裝導(dǎo)爆管的措施，取得了較好的效果。

（4）支護(hù)。通道兩幫尾砂容易垮落，造成頂板暴露面積大、不穩(wěn)固，因此采用木立柱的支護(hù)形式，以保證回采安全。

（5）再充填。回采結(jié)束后，對采場進(jìn)行封閉，按照下部廢石尾砂充填，上部膠結(jié)充填的方案進(jìn)行再次充填。

4 結(jié) 論

通過采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，動態(tài)模擬并計算了三山島金礦直屬礦區(qū)采場點(diǎn)柱不同回收順序下采場的位移情況和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，采場點(diǎn)柱回收應(yīng)該從下盤和邊幫開始，逐步向內(nèi)部點(diǎn)柱進(jìn)行回收，為三山島金礦直屬礦區(qū)安全高效回采礦石資源提供了技術(shù)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，按照預(yù)定的回收方案，成功將采場內(nèi)高品位點(diǎn)柱回收，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 袁 勇，李 威，盧俊華.三山島金礦深部采場的充填與支護(hù)技術(shù)［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（2）：12－14，54.

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2012－08－17）

孫祥鑫（1987－），男，河北邯鄲人，研究生，主要從事采礦與巖石力學(xué)、爆破和支護(hù)方法、礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略的研究。