阿爾哈達殘礦回收的研究與應用

張恒超

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒盟 026000）

錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司是一家多金屬礦采、選的現代化礦山企業，設計生產能力3000t/d。公司主要采用上向充填采礦法進行回采，新增采空區得到了及時充填處理。

1 礦山地質情況

礦區為一套向北緩傾的單斜構，位于額仁高畢復式向斜北翼造，大氣降水為地下水補給的主要來源。礦區地形地貌條件簡單，地層巖性單一，巖體質量一般，巖石強度高，穩定性好，不易發生工程地質問題，屬工程地質條件簡單礦區。

2 頂底柱概況

在頂底柱資源回采方面，部分礦山在治理采空區的同時，成功回收了殘留礦柱：湘西金礦通過人工替換礦柱結合電耙、鏟運機等方法成功回收殘留礦柱；湖南錫礦和靈鄉鐵礦也根據自身礦體特征，合理回收地下殘余礦體，取得顯著的經濟效益。2014年以前，阿爾哈達礦業有限公司采用空場采礦法。由此可見阿爾哈達礦業公司頂底柱所占礦量比例較大，其安全回收對資源的充分利用具有十分重要的意義[1]。

3 礦房模型建立

3.1 模型描述

阿爾哈達礦業公司以7231采場為研究對象，利用FLAC3D軟件建模，采場形態最大限度地保持與真實地質條件一致。根據礦體賦存條件，分析7231采場頂柱回采過程中采場應力、位移及塑性區的變化及規律及頂柱及上下盤應力、位移及塑性區變化規律，確定頂柱的最小預留長度。

模擬計算采用大范圍一次回采及充填的計算方法，由于在回采步驟設置上不能與實際采礦活動完全吻合，在對計算結果不造成實質影響的前提下，進行簡化計算程序。

3.2 力學參數

分析模型中各巖層的力學參數如表1所示。

表1 力學參數表

3.3 強度準則

FLAC3D具有強大的模擬巖土材料的結構模型及本構模型，提供了十余種基本的本構模型，分別歸類到彈性模型、塑性模型和零模型之中。摩爾-庫倫彈塑性本構模型能夠很好的描述巖體以及充填體的變形特性；零模型通常用來表示被移除或開挖掉的材料。摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞：

式中σ1、σ3分別是最大和最小主應力，拉應力為正；c，分別是粘結力和摩擦角。當fs＞0時，材料將發生剪切破壞。在通常應力狀態下，巖體的抗拉強度極低，進而可根據抗拉強度準則（σ3≥σT）判斷巖體是否產生拉破壞。

3.4 開采方案

根據前期可行性研究及以往采場頂柱回收的實例，總體順序為：采場進入頂柱回收前的充填階段時，確保充填體空頂高度2.8m，而后施工至上部中段的鏟運機聯絡巷道、頂柱兩翼端部的切割井，為中深孔落礦創造條件；自兩翼切割井向中間溜礦井位置后退式回采頂柱。本次模擬主要是研究頂柱圍巖的變化，確定頂柱回采后沿走向最小長度，故擬定模擬方案如下：依據實際生產情況回采7631采場，下部留5.5米底柱；采用灰砂比為1:10的充填料對7231采場進行充填至空頂高度2.8m；分步回采頂柱，每步回采后頂柱沿走向長度分別為80m、60m、40m、30m、20m、12m。

4 模擬開采結果分析

（1）最大主應力分析。隨著回采過程的推進，頂柱在圍巖上盤2m范圍內出現不同程度的應力集中現象，當頂柱沿走向長度為12m時，最大壓應力為43.97MPa，頂柱上下盤范圍內所受壓應力在20～25MPa，不同長度頂柱最大主應力分布情況基本相同，圍巖結構趨于穩定。

（2）塑性區分析。采場頂柱在回收過程中其塑性變形主要集中在鏟運機斜坡道及頂柱上部，當頂柱回采長度達20m時，塑性區域范圍逐漸增大；鏟運機斜坡道上部塑性區破壞形式主要為拉伸破壞，下部塑性區較小，鏟運機斜坡道整體結構依舊較為完整。

（3）垂直位移分析。采場頂柱的上下盤處垂直位移較大，當頂柱回采至長度達12m時，上盤最大垂直位移為4.5mm，下盤最大位移為4.2mm，垂直方向位移較小，采場結構基本穩定。

5 頂柱回采方案設計

（1）工程現狀。頂柱上部為尾砂膠結充填體構成的人工假底，總厚度1.6m。頂柱厚5m～6m，本采場使用上向充填法回采，礦體厚度2m～15m，傾角40°～75°。

（2）采場結構與參數。采場沿走向布置，長度為60m～100m，頂柱厚度為5.5m，礦體厚度為3m～15m，采用進路法回收頂柱，進路沿走向布置，分兩個分層進行回采，每層的進路規格（2.5m～3.0m）×（2.5m～3.0m），進路數量依據礦體厚度確定，進路自礦體上盤向下盤逐條進行回采。

（3）采準工程。采場進入頂柱回收前的最后分層準備充填時，要求充填接頂密實，并完成至上部中段穿脈的鏟運機斜坡道工程，鏟車斜坡道與原礦石溜井緊鄰。

（4）回采。①上部中段對應的采場必須完全回采結束后，才可進行本頂柱回收；②鑿巖爆破：采用YT-28氣腿式鑿巖機鑿巖，爆破使用巖石粉狀乳化炸藥，電起爆器引爆，導爆管毫秒微差起爆；炮孔水平布置，釬桿長度2.0m，炮孔深度1.8m～2.0m，炮孔間、排距0.6m～1.0m，光面爆破或輪廓炮眼的間距不大于0.6m；③出礦：采用1m3電動鏟運機出礦，將崩落的礦石倒入采場溜礦井，下放至采場運輸穿脈巷，采用7t電機車和2m3礦車運出采場；④充填：充填管道經鏟運機斜坡道進入采場，采用分級尾砂膠結接頂充填，灰砂比1：6～1：10；⑤人行：人員從人行泄水井、鏟運機斜坡道進入采場；⑥通風：新鮮風流經人行井進入采場，經鏟運機斜坡道回風上中段，必要時增加局扇通風；⑦注意事項：在頂柱的第二層回收時，因緊鄰上部人工假底，回采進路斷面規格嚴格控制，必要時增加配套的支護措施。

6 結論

通過建立尺寸為礦體走向長300m，傾向長350m，深度350m的數值模型，分析頂柱回采過程中上下盤圍巖應力、位移及塑性區變化規律，在確保安全同時盡可能擴大經濟效益，確定頂柱的最小預留長度為12m，即最小作業空間。頂柱最小預留長度為12m時，采場最大主應力為43.97MPa，最大垂直位移4.5m，采場塑性區范圍較小，以拉伸破壞為主，采場結構較為穩定。基于數值模擬結果，設計了安全、高效的頂柱回采方案。