下盤鐵礦礦柱爆破回采對上盤礬礦穩定性影響分析

黨建東

(銅陵有色金屬集團控股公司銅山礦業有限公司，安徽 銅陵247127)

采用空場法回采的礦山，礦柱是支撐采空區穩定性的基本單元［1-3］，隨著資源的不斷消耗，淺部的資源不斷枯竭，對殘留礦體和礦柱的回收受到了重視［4］，國家也大力提倡礦山加強對礦柱和殘礦的回收利用。礦柱回收要根據礦山的實際情況而定，在保證安全、經濟的條件下，合理采用回采方案，同時也可參考其他相似礦山的成功經驗，采用靈活多變的回收方法，我國在礦柱回收方面已有很多成功案例，積累了寶貴的實踐經驗［5-10］。

1 礦柱回收及空區處理方案

七角井鐵礦自2006 年建成開始投產，設計生產能力為360 萬t/a，經過近8 a 的開采，礦山一中段、二中段和三中段礦房回采基本全部結束，形成了大量的采空區，由于礦體向深部開采，受開采技術條件、提升等因素的限制，礦山的生產能力受到影響，因此一中段、二中段和三中段礦柱的回收被提上日程，以維持礦山的穩定生產。

鐵礦體的上盤有1 條礬礦體，其空間位置關系見圖1 所示，如果對鐵礦體預留的礦柱進行回采，很有可能對礬礦體的穩定性造成重大影響，影響礬礦體的安全開采。為了保障礬礦體開采的安全性，并最大限度地回收鐵礦石礦柱，需要分析下盤鐵礦礦柱回采對上盤礬礦穩定性影響程度，根據分析結果調整相關的回收方案。

圖1 鐵礦體與礬礦體的空間關系Fig.1 Spatial relationship of iron ore and bauxite ore body

1.1 方案一

采用間隔間柱抽采法回采礦柱及通過在礦體下盤布置藥室爆破和上盤深孔削壁爆破充填采空區的總體礦柱回收及空區處理方案，即在同一中段采用從中間向兩端后退，并間隔1 個間柱回采1 個間柱及其兩側的頂柱，將該方案簡稱為間隔間柱抽采法。間柱和其兩側的頂柱抽采后，在采空區下盤實施多個藥室爆破，并對上盤實施深孔削壁爆破，避免上盤圍巖過度爆破損傷，從而使采空區中充填廢石并達到一定的充填高度，這樣，不僅能夠削弱上部冒落或垮塌所激發的一定量級的沖擊波，而且能夠限制上盤圍巖發生大尺度巖移，并且能夠保護保留的間柱而避免其沿縱向發生彎曲折斷。

為了避免上中段礦柱回收后下盤藥室和上盤深孔削壁爆破法充填的廢石引起下中段礦柱回收時發生貧化，礦柱回收順序為:上中段礦柱爆破后，一邊出礦一邊實施對應的下中段礦柱回收的鑿巖，等下中段礦柱回收的鑿巖工作完成后，繼續一次性爆破下中段礦柱，隨后在下中段底板上繼續出礦。

該方法的優點是:礦柱回收的采礦強度高;在礦石覆蓋層下出礦因而貧化率低;通過在礦體下盤布置藥室爆破和上盤深孔削壁爆破充填采空區方法簡單易操作。缺點是廢石爆破充填的量較大，在無底部結構的采場中出礦時，如果采空區較寬，不僅出礦不安全，而且很難將礦出干凈。

1.2 方案二

該方案的主要思路為從中間向兩側后退式回收礦柱，間柱全部回收，當第一個間柱回收完成后，在下盤和上盤同時立即實施深孔控制爆破堆筑松石壩支撐上盤處理采空區，從而限制上盤向采空區發生過大的巖移。之后在間柱繼續回收后，間隔1 個間柱實施控制爆破筑壩。在下中段實施礦柱回收時，為了確保堆筑的松石壩不垮落，回收有筑壩的對應間柱時，間柱的最上一個分段及間柱兩側各半個礦房長度的頂柱永久保留。這個采空區處理方法，稱為間隔間柱控制爆破堆壩法。

該方案的優點在于廢石爆破充填的量較小，礦柱回收率較高。缺點在于空區處理方法較為復雜;礦柱回收的采礦強度低，只能逐一中段后退回收，不能上中段出礦時對應的下中段礦柱同時鑿巖爆破;局部可能在上中段滾落的松石覆蓋層下出礦，因此貧化率相對較高。

2 礦柱回收方案及空區處理方案數值仿真

2.1 模型的建立和邊界條件的確定

礦房長度為42 m。沿礦體走向方向對稱選取5個跨度為42 m 的采空場(礦房)和5 個寬7 m 的房間礦柱。本模型單元數達38 885 個，節點數達41 724個。模型在礦體走向方向取250 m 長，5 個采場;垂直深度取500 m，在剖面方向寬度取400 m。

建模時，近似按空間周邊影響范圍達3 ～5 倍空間半徑，在上盤考慮釩礦體及其邊界，下盤考慮適當范圍的圍巖，在兩垂直邊界，水平位移為0;在深部水平邊界，垂直位移為0;在垂直與水平邊界的轉角處，水平與垂直位移都為0。巖石力學參數取值見表1，采用三維彈塑性有限元程序ANSYS 進行仿真模擬計算，采用D－P 破壞準則，參照形成頂柱、間柱時的初始拉應力、壓應力和變形，判定巖體的應力和位移變化趨勢。計算模型見圖1 所示，圖2 為礦房開挖后垂直走向的剖面圖，圖3 為礦房開挖后沿傾向的剖面圖。

表1 巖石力學參數取值Table 1 Rock mechanics parameters

2.2 礦房開挖模擬

按照2.1 中邊界條件和巖體力學參數對模型進行賦值，按照實際的開挖順序，形成礦房、礦柱和頂柱后，其應力、位移重新分布，其拉應力、壓應力分布見圖4，礦柱上的最大拉應力為4.86 MPa，最大壓應力達到17.7 MPa。礦房回采后垂直位移、水平位移分布見圖5，最大水平位移達到4.3 mm，地表最大垂直下沉為97.5 mm。

2.3 方案一仿真步驟及計算結果

圖2 礦房開挖后垂直走向剖面圖Fig.2 Vertical cross-sectional view after excavation

圖3 礦房開挖后沿傾向剖面圖Fig.3 Tendency sectional view after excavation

圖4 礦房回采后拉應力、壓應力分布圖Fig.4 The tensile stress and compressive stress distribution after ore recovery

如圖3 所示，首先回采一、二、三中段4#間柱及其兩側的頂柱，然后回采2#礦柱及其兩側的頂柱，各計算步的上盤圍巖的最大應力、位移值見表2。

圖5 礦房回采后垂直位移、水平位移分布圖Fig.5 The vertical displacement and horizontal displacement distribution after ore recovery

表2 方案一各計算步上盤圍巖最大應力、位移值Table 2 Maximum stress and displacement value of the upper surrounding rock at each computing step of Scheme 1

2.4 方案二仿真步驟及計算結果

從左至右首先開挖第一中段的第2#間柱，再開挖第一中段的第3#間柱，第三步開挖第一中段的第4#間柱，第四步充填第3#間柱，第五步再充填第2#間柱，第六步再充填第4#間柱，各計算步的上盤圍巖的最大應力、位移值見表3。

表3 方案二各計算步上盤圍巖最大應力、位移值Table 3 Maximum stress and displacement value of the upper surrounding rock at each computing step of Scheme 2

2.5 計算結果分析

按照方案一開挖后，上盤圍巖的壓應力變化不大，基本保持一致，拉應力逐步增大，上盤圍巖垂直位移逐步增大，最大為10.40 mm，充填采空區后，上盤圍巖位移為10.83 mm。

按照方案二開挖后，隨著第一中段采空區跨度的增加，上盤的最大拉應力逐步緩慢增加，隨著首根間柱的開挖回彈，上盤逐步垂直下移，4#間柱回采結束后，上盤圍巖下移量達到17.45 mm，通過爆破堆積的松石壩支撐上盤，對上盤的應力、位移影響也不明顯。

采用方案一可有效控制上盤圍巖的垂直位移量，最終位移量僅為10.83 mm，而采用方案二開挖上盤圍巖的垂直位移量較大，達到17.45 mm，二、三中段的礦柱回采，造成上盤圍巖的位移量會更大，可能會造成上盤圍巖的垮塌和局部失穩，對礬礦體的安全開采造成影響，綜上所述，方案一可以有效限制上盤向采空區過度巖移，因此采用方案一的礦柱回收方案和空區處理方案。

3 結 論

(1)針對七角井鐵礦下盤鐵礦體和上盤礬礦體的空間賦存關系，提出了鐵礦體礦柱回收與空區處理方案。方案一采用間隔間柱抽采法回采礦柱及通過在礦體下盤布置藥室爆破和上盤深孔削壁爆破充填采空區的總體礦柱回收及空區處理方案。方案二從中間向兩側后退式回收礦柱，間柱全部回收，當第一個間柱回收完成后，在下盤和上盤同時立即實施深孔控制爆破堆筑松石壩支撐上盤處理采空區。

(2)對2 種方案按照開挖的先后順序進行了數值模擬仿真，其結果顯示采用方案一可有效控制上盤圍巖的垂直位移量，最終位移量僅為10.83 mm，而采用方案二開挖上盤圍巖的垂直位移量較大，達到17.45 mm，可能會造成上盤圍巖的坍塌，最終確定方案一為礦柱回收和空區處理方案。

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