礦山隔離礦柱回采穩定性分析及開采方案研究

劉 濤 唐禮忠 郭生茂

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

礦山隔離礦柱回采穩定性分析及開采方案研究

劉 濤1唐禮忠2郭生茂1

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

冬瓜山銅礦在進行完大規模1步驟礦房回采和2步驟礦柱回采后，形成了大量的采空區和充填采場，致使巖體應力分布十分復雜，盤區隔離礦柱的回采條件已發生根本性改變。通過對開采狀態的調研分析，以52-54線隔離礦柱為例，提出了2種隔離礦柱回采方案，從開采難度、礦石回收率、采切工程量等方面進行了對比分析，并結合數值模擬軟件FLAC3D對2種礦柱回采方案進行了模擬。模擬分析顯示：方案1隔離礦柱在回采過程中側壁出現了較大的位移，容易形成側壁垮塌，并且其塑性區面積較大；方案2在隔離礦柱回采后，采場側壁位移很小，對于在回采過程中出現的應力集中區域，減小礦房跨度，避免礦壁受到進一步破壞，回采作業對圍巖的影響最小。通過綜合比較，認為方案2較為合理，為可行性較高的方案。

深井開采 隔離礦柱 穩定性分析 數值模擬 回采方案

隨著淺部資源的逐漸消耗，礦床開采逐漸向深部延伸[1]。深部開采由于高地應力、高溫和高巖溶水壓力等問題，開采難度增大。在礦體開采過程中，礦體圍巖隨著礦體開挖應力重新分布，形成二次應力場，圍巖容易形成局部應力集中，甚至導致破壞[2-4]。由于高地應力和開挖引起的應力集中造成巷道圍巖集聚了大量的彈性能，當受到爆破振動等動力擾動時，集聚在巖體內部的彈性能突然釋放，造成巷道圍巖垮塌、冒落，嚴重時有碎塊彈射和爆炸聲，對礦體的安全回采造成重大影響[5-10]。深部開采過程中，采用合理的采場結構參數、回采順序可以有效地改善圍巖應力集中和較好地控制因頻繁采動造成的應力增高帶的相互重疊[12-14]。

1 開采狀態調查與分析

冬瓜山銅礦位于安徽省銅陵市獅子山區，礦體開采條件較為復雜，礦體埋藏標高-670～-1 100 m，礦體厚度為20～100 m，沿走向長度為1 800 m，平均傾角為20°，最大傾角35°，礦體嚴格受層位控制并呈不完整的馬鞍狀，礦體中部厚大，向兩翼厚度逐漸減小直至尖滅。礦體主要由含銅矽卡巖、含銅磁鐵礦和蛇紋巖等組成，礦體直接頂板為黃龍族大理巖，直接底板為石英閃長巖和粉砂巖。圖1為首采區開采布置圖。礦體最大主應力方向為NE～SW，與礦體走向基本一致，并近似水平方向，最大主應力為30～35 MPa。采用無礦柱連續回采階段空場嗣后充填采礦方法進行回采，該方法的主要特點為沿礦體走向每隔100 m劃分1個盤區，盤區尺寸為：礦體寬度×100 m×礦體高度，盤區間留18 m的隔離礦柱，保證礦體的安全回采和盤區之間開采相互獨立，不受干擾，隔離礦柱尺寸為：礦體寬度×18 m×礦體高度。在盤區內每隔18 m垂直礦體走向布置采場和礦柱，采場尺寸為82 m×18 m×礦體高度，礦柱尺寸為78 m×18 m×礦體高度。整個盤區分3步回采，第1步回采礦房，即隔一采一，回采完畢后進行全尾砂膠結充填，第2步回采礦柱，采用全尾砂充填，第3步回采隔離礦柱，采用全尾砂充填。

圖1 首采區開采布置

冬瓜山銅礦于2007年開始正式投產，到2011年5月已基本完成了首采區礦房和礦柱的回采，共開辟盤區6個，共有5個盤區隔離礦柱，由于5條隔離礦柱兩旁的盤區開采狀態不一致，部分采場還在采準階段，一些采場還在充填階段，故回采方案首先針對兩邊盤區已基本完成采掘、充填的54#線開始。從冬瓜山礦體賦存的地質條件即巖石條件和應力條件來看，存在著發生巖爆的條件。自開采以來，冬瓜山銅礦地壓活動較為穩定，只發生過一些輕微的地壓活動，并未產生較強的巖爆，對生產的影響較小。但隨著大規模開采，圍巖應力集中現象更加突出，巖爆發生的幾率增大，做好地壓防治工作是保障礦體安全開采的首要條件。為監測隨著礦體開采井下地壓活動的實時變化，冬瓜山銅礦2005年引進了南非ISS公司微震監測系統，可用于分析礦山地震事件的時空分布以及相對集中區域，作為礦山地壓實時監測和巖層活動評價的主要依據。圖2和圖3分別為某時刻微震監測系統的實時分析數據。

圖2 礦山地震活動區域的圈定

圖3 54#線隔離礦柱應力分布

冬瓜山銅礦自投產以來，一直采用CMS空區精密探測儀與SURPAC礦業軟件相結合的方法對采空區進行實時監測，從中可以直接獲取礦山各階段單個采空區的實際形態、總體分布情況等信息，并分析各采空區(礦房采場或間柱采場)超界爆破和空區跨落情況，為隔離礦柱的回采方案設計提供更可靠和更直觀的參考依據。

2 隔離礦柱開采方案

2.1 回采單元的劃分

隔離礦柱的回采基本思路是從礦體厚大一側逐漸向兩翼退采，這樣回采的優勢在于便于底部巷道的通風，風流從開采區流向已采區，同時還可以有效地控制地壓，避免應力集中。原設計的隔離礦柱回采單元尺寸為14 m×36 m×礦體高度，這樣劃分的好處在于每個回采單元對應1個盤區采場和礦柱，布置較為規則，在回采單元的周圍布置2 m寬的永久礦壁用于支撐采場，原隔離礦柱回采單元布置如圖4所示。這樣布置的缺點在于由于礦體厚度變化很大，統一按照36 m劃分采場長度，造成隔離礦柱不同采場之間礦量差別較大，造成礦石回采效率較低，損失較大。這樣劃分顯然不夠合理，但在保證各個回采單元回采礦量基本相同和回采單元與盤區采場、礦柱之間保持一定的對應關系的前提下，將54#隔離礦柱回采單元劃分提出2種方案，以保證礦柱的合理、安全回采。

圖4 原隔離礦柱回采單元布置

2.2 回采方案1

表1為方案1隔離礦柱回采單元結構參數表，圖5為方案1的礦塊布置剖面圖。從表1中可以看出，54-G1和54-G2礦房高度較大，達到82 m，可能會因為開采長度偏大造成礦壁出現垮塌。

表1 方案1回采單元結構參數Table 1 The mining project unit structure parameters of scheme 1

圖5 方案1礦塊布置剖面

2.3 回采方案2

表2為方案2隔離礦柱回采單元結構參數表，圖6為方案2礦塊布置剖面圖。方案2將方案1中較大的礦房54-G1分上下2層開采，并調整了其他礦房的結構參數，降低了礦房的高度。

表2 方案2回采單元結構參數Table 2 The mining project unit structure parameters of scheme 2

圖6 方案2礦塊布置剖面

3 隔離礦柱開采穩定性數值模擬

由于隔離礦柱的回采工作是在1步驟礦房回采和2步驟礦柱回采之后進行的，造成隔離礦柱開采條件極為復雜，隔離礦柱應力集中明顯，地壓活動頻繁。因此，需對開采方案1和方案2隔離礦柱回采穩定性進行模擬分析，選擇較為合理安全的回采方案。

由于隔離礦柱的回采是在采場和礦柱回采充填之后進行的，因此在模擬隔離礦柱回采之前，因按照實際開采順序模擬礦體開挖和充填后的隔離礦柱應力分布和位移變化情況。圖7為用FLAC建立的54線盤區和隔離礦柱模型，圖8、圖9分別為54#線隔離礦柱回采前最大主應力和最小主應力分布云圖。54#線隔離礦柱在兩邊盤區回采充填完畢之后，其最大主應力在隔離礦柱中部，為47.5 MPa，最小主應力為6 MPa，分布于隔離礦柱中部，在隔離礦柱厚大部分出現了不到1 MPa的拉應力，小于礦體抗拉強度3.04 MPa，故在1步驟、2步驟回采之后，隔離礦柱不會發生破壞。

圖7 54#線盤區及隔離礦柱模型

圖8 54#線隔離礦柱回采前最大主應力分布

圖9 54#線隔離礦柱回采前最小主應力分布

通過模擬發現，隨著盤區礦房礦柱的回采和充填，隔離礦柱的位移也隨之變化，通過數值模擬分別從礦體走向Y方向和垂直礦體走向X這2個方向分別觀測了隔離礦柱的位移變化情況，圖10、圖11分別為Y=6 m和Y=-6 m隔離礦柱沿Y軸的位移分布云圖。從圖中可以看出，隔離礦柱沿走向Y方向最大位移為8.8 cm，位于隔離礦柱中部靠近下盤部分，向兩翼位移逐漸減小。回采前隔離礦柱位移變化區域主要分為2個部分，上部分的位移沿Y軸正值方向，指向52#盤區采場方向，下部分的位移變化沿Y軸負方向，指向54#盤區采場方向，可以分析得出，隔離礦柱產生位移的主要原因是由兩側盤礦體開采造成的。

圖10 Y=6 m剖面隔離礦柱沿Y軸位移分布

圖11 Y=-6 m剖面隔離礦柱沿Y軸位移分布

從上面的分析來看，隔離礦柱在1步驟、2步驟回采之后，其內部的應力和位移已發生了改變，應力集中更加明顯，隔離礦柱最大位移達到11.87 cm。因此在隔離礦柱的回采中，對于應力集中區域應合理選擇采場結構，確保隔離礦柱的安全高效回采。

按照以上提出的2種的隔離礦柱回采方案分別用FLAC進行了開挖模擬，對于方案1，模擬開挖G1礦房之后隔離礦柱兩側的應力、位移和采場壁的塑性區域，從模擬的結果來看，G1采場回采后，52#線側壁最大主應力42.9 MPa，應力集中主要集中在G1采場上邊界，52#線側壁最大位移指向52#采場方向最大位移為13.75 cm，52#側壁的塑性區域隨著G1采場的開挖，其塑性區域明顯增大，圖12～圖14分別為G1采場開挖后對52#側壁的最大主應力、位移和塑性區域分布圖，從圖中可以看出，在G1采場被挖空后，采場側壁上下部的變形聯通，采場側壁呈外凸狀態并出現了較大的塑性區域，從采場穩定性及安全回采方面來講，不建議采用方案1。

圖12 方案1 G1采場開挖后52#線側壁最大主應力

圖13 方案1 G1采場開挖后52#線側壁位移

圖14 方案1 G1采場開挖后52#線側壁塑性區

對于方案2，同樣模擬開挖G1、G2礦房之后隔離礦柱兩側的應力、位移和采場壁的塑性區域，從模擬的結果來看，G1、G2采場回采后，52#線側壁最大主應力42.9 MPa，無明顯的應力集中區域，52#線側壁最大位移指向54#采場方向最大位移為11.48 cm，位移無明顯增加，52#側壁的塑性區域隨著G1、G2采場的開挖，其塑性區域與開挖前基本系統同，無明顯增加，且采場頂部未出現大面積塑性區域，圖15～圖20分別為G1、G2采場開挖后對52#側壁的最大主應力、位移和塑性區域分布圖。

圖15 方案2 G1采場開挖后52#線側壁最大主應力

圖16 方案2 G2采場開挖后52#線側壁最大主應力

圖17 方案2 G1采場開挖后52#線側壁位移

綜合上述，方案2采用G1礦房上下分層的回采方法。解決了隔離礦柱在回采之后采場側壁位移過大的問題。同時在應力集中區域，采用減小礦房跨度的方法，避免礦壁受到進一步破壞。在確保回采作業安全可靠的前提下，保證了回采效率和回收率，建議采用方案2為可行性較高的回采方案。

圖18 方案2 G2采場開挖后52#側壁位移

圖19 方案2 G1采場開挖后52#線側壁塑性區

圖20 方案2 G2采場開挖后52#線側壁塑性區

4 結 論

(1)通過現場實地勘察和CMS空區精密探測儀與SURPAC礦業軟件相結合的方法對采空區進行實時監測，獲取了礦山各階段單個采空區的實際形態、總體分布情況等信息，并分析各采空區超界爆破和空區跨落情況，為隔離礦柱的回采方案設計提供更可靠和更直觀的參考依據。

(2)根據隔離礦柱回采的實際條件，采用從礦體厚大一側逐漸向兩翼退采的回采方式，并提出了2種隔離礦柱回采方案，并給出了具體的采場結構參數。

(3)對隔離礦柱回采方案1、方案2分別用FLAC3D進行了開挖模擬，從模擬的結果來看，方案1易在52#線采場側壁產生較大范圍的塑性區，采場在開挖后產生了較大的位移；方案2采用G1礦房上下分層的回采方法，解決了隔離礦柱在回采之后采場側壁位移過大的問題。同時在應力集中區域，采用減小礦房跨度的方法，避免礦壁受到進一步破壞。在確保回采作業安全可靠的前提下，保證了回采效率和回收率，建議采用方案2為可行性較高的回采方案。

[1] Zhou Hongwei，Xie Heping，Zou Jianping.Devolopments in researches on mechanical behaviors of rocks under the condition of high ground pressure in the dipths[J].Advance in Mechanicis，2005，35(1):91-99.

[2] Srinivasan C，Arora S K，Yaji R K.Use of mining and seismological parameters as premonitors of rockbursts[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1997，34(6):1001-1008.

[3] 張萬斌，王淑坤，滕學軍.我國沖擊地壓研究與防治的進展[J].煤炭學報，1992，17(3)：27-35. Zhang Wanbin，Wang Shukun，Teng Xuejun.Research and progress of the prevention and control of our country percussive ground pressure[J].Journal of China Coal Society，1992，17(3):27-35.

[4] 任衛東.采場內礦柱回收新技術在鋁土礦中的應用[J].金屬礦山，2013(7)：8-11. Ren weidong.Application of the new technology of stope pillar recovery[J].Metal Mine，2013(7):8-11.

[5] Cook N G W.The application of seismic techniques to problems in rock mechanics[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1964(1):169-179.

[6] Xie Heping，Pariseau W G.Fractal character and mechanism of rock bursts[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993，12(1) :28-37.

[7] Xu Dongjun，Zhang Guang，Li Yangjie.On the stress state in rock brust[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2000，19(2): 169-172.

[8] Aki K.Characterization of barriers on an earthquake fault[J].J Geophys Res，1979(74): 6140-6148.

[9] 唐禮忠，王文星.一種新的巖石巖爆傾向性指標[J].巖石力學與工程學報，2002，21(6)：874-878. Tang Lizhong，Wang Wenxing.New rock burst proneness index[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering[J].2002，21(6)：874-878.

[10] Li Xibing，Li Diyuan，Guo Lei.Study on mechanical response of highly-stressed pillars in deep mining under dynamic disturbance[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(5):922-928.

[11] 陳祖云，張桂珍，鄔長福，等.支持向量機在巖爆預測中的應用[J].金屬礦山，2009(11)：100-104. Cheng Zuyun，Zhang Guizhen，Wu Changfu ，et al.Application of the support vector machine in prediction of rock burst[J].Metal Mine，2009(11):100-104.

[12] 施建俊，孟海利．采場結構參數與回采順序的數值模擬優化研究[J]．有色金屬：礦山部分，2005，57(2)：9-12． Shi Jianjun，Meng Haili.Stability analysis on pillars near backfilled goafs[J]．Nonferrous Metals:Mine Section，2005，57(2):9-12.

[13] 劉曉明，楊成祥，羅周全.深井開采回采順序數值模擬優化研究[J].南華大學學報：自然科學版，2008，22(4)：15-21. Liu Xiaoming，Yang Chengxiang，Luo Zhouquan.Numerical simulation optimization of mining sequence in deep mining[J].Journal of University of South China:Science & Technology，2008，22(4):15-21.

[14] 曹 明，呂廣忠，王志國．金廠峪地下采場回采順序彈塑性數值模擬分析[J]．金屬礦山，2004(12)：23-26． Cao ming，Lu Guangzhong，Wang Zhiguo.Elastic numerical simulation analysis of underground stope sequence at Jinchangyu Mine[J]．Metal Mine，2004，342(12)：23-26．

(責任編輯 石海林)

Stability Analysis and Mining Method of Isolated Pillar Stoping

Liu Tao1Tang Lizhong2Guo Shengmao1

(1.NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

A large number of mined-out areas and filling stope were formed after Dongguashan copper mine finished large-scale mining of step 1 and step 2 pillars，resulting in a very complex stress distribution in rock mass.The mining conditions of panel isolated pillar had changed radically.Through the research analysis on the mining state，two stoping schemes were proposed and contrasted from aspects of mining difficulty，and mining recovery and mineral movement volume with 52-54 isolated pillar line as a case.The two stoping schemes of isolated pillar were simulated with the numerical simulation software FLAC3D.The results showed that: in Scheme 1，side wall appears large displacement，where collapse and a large plastic zone are easily formed.In scheme 2，side wall displacement is less after recover of isolated pillars.For the stress concentration zone during stoping，it is necessary to reduce the room span and avoid the ore wall from further damage，so that the mining activities have a less impact on surrounding rock.Through comprehensive analysis on the two schemes，the scheme 2 is relatively reasonable and feasible.

Deep mining，Isolated pillar，Stability analysis，Numerical simulation，Mining method

2013-12-22

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(編號：2010CB732004)。

劉 濤(1986—)，男，碩士研究生。

TD853.391

A

1001-1250(2014)-04-154-06