黃沙坪礦區階段空場嗣后充填法采場結構參數研究

馬金亞，廖九波 ，王筱添

(1.湖南有色黃沙坪礦業有限公司， 湖南 郴州市 423000； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 3.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

0 引言

地下金屬礦開采作為國家工業發展的基礎行業，對于各行各業的工業生產有著不可替代的重要作用。采礦行業是一個具有較大危險性的行業，存在的安全風險點較多，在開展采礦作業時，需要將存在的安全風險點排除，以獲得良好的作業環境。地下礦山采礦作業風險來源影響最大的是采場的結構參數，礦體開采后，采場是否能維持穩定是安全作業的關鍵性因素。因此選擇安全性最好、經濟效益最大的采場結構參數是決定礦山企業經營好壞的根本。

礦房長度、間柱寬度、頂柱厚度和底部結構等是地下礦山采場結構的主要組成部分。針對上述采場結構參數，已經有眾多的學者開展了相關的研究。胡建非等[1]建立了基于博弈論-改進TOPSIS的采場結構參數優化模型；楊海彬等[2]對某金礦的采場結構參數及回采順序進行了優化研究；焦國芮 等[3]針對緩傾斜極薄礦體的采場結構參數進行了優化研究；陳暉等[4]研究了“三軟”條件下某金礦采場的最優結構參數；郝益民等[5]以金山店鐵礦為工程背景，結合理論計算與數值模擬得出了既能保證采場穩定，又能兼顧高效生產的采場結構參數；張明天等[6]采用3D-σ有限元軟件對不同跨度頂板的穩定性進行了數值模擬分析，優化了礦段的采場結構參數；龔原等[7]將熵權-理想點法評價模型引入采場結構參數優化研究；周樂等[8]將充填體力學問題簡化為平面應變問題,推導出充填體在一側暴露情況下的底部剪應力表達式，提出一種采場結構參數的優化方式；歐任澤等[9]為解決地下礦山安全隱患的問題，利用3D-σ有限元法對采場結構參數進行了優化研究；孫國文等[10]對松湖鐵礦無底柱分段 崩落法采場結構參數進行優化，提升了礦石總回 采率。

為獲取合理可行的地下礦山采場結構參數，利用FLAC3D模擬軟件進行模擬試驗，對黃沙坪礦區鎢鉬厚大礦體采場結構參數進行優化設計。

1 礦山概況

黃沙坪礦業主要回采鉛鋅礦石，探明的鉛鋅礦體厚度較薄，價值高。經前期的技術經濟對比，選擇了上向水平分層廢石充填采礦法回采鉛鋅礦石。上向水平分層廢石充填采礦法回采鉛鋅礦石可有效提升礦石的回采率，降低礦石貧化率。但是該方法存在生產成本與管理費用較高、生產效率較低等問題。

近年來，黃沙坪礦區深部的探礦發現了大量的鎢鉬礦石，以探明的W216-4礦體為例，其鎢鉬多金屬礦石量1 823 197 t，平均品位為WO3：0.35%，Mo：0.05%，Bi：0.06%，Fe：19.92%，CaF2：27.61%， 傾角為70°～88°，平均厚度為63 m，礦區水文地質條件、工程地質條件和環境地質條件均為中等類型。由此可知，探明的鎢鉬礦石賦存條件良好，礦體厚大、品位較高，綜合價值較高，資源儲量可靠，具備開發價值。黃沙坪礦區鎢鉬厚大礦體賦存條件好，可采用階段空場嗣后充填采礦法回采礦石。

針對上述問題，應在目前的市場行情和開采技術條件下，通過采礦方法的研究和優化，選擇合適的采礦方法，有效控制和降低生產成本，提高資源回收率，提高采礦效率，保障井下回采安全，保證企業的利潤。基于此，本文對黃沙坪礦區厚大礦體采場結構參數進行研究。

2 采場結構參數數值模擬

2.1 模擬計算方案

針對黃沙坪礦業的工程實際，進行數值模擬分析。沿走向布置分段鑿巖階段空場嗣后充填法，主要針對礦房長度、礦柱寬度、頂柱厚度3個決定采場穩定性的因素進行分析，頂柱留設在兩個采場之間，上部和下部采場采高均為80 m。

根據前述分析，沿走向布置選取礦房長度、間柱寬度、頂柱厚度作為正交試驗的3個因素，每個因素4個水平；針對垂直走向布置選取一步驟礦房寬度、二步驟礦柱寬度、頂柱厚度作為正交試驗的3個因素，每個因素4個水平，因素和水平選取見表1。

表1 正交數值模擬試驗因素和水平

2.2 巖石力學參數選取

黃沙坪礦區巖體力學參數來源為取自黃沙坪礦區的巖體進行的巖石力學參數特性室內試驗所得結果，巖石力學參數見表2。

表2 巖體力學參數

3 數值模擬結果分析

3.1 綜合分析

各因素對采場穩定性的影響見表3，分析結果中的數值越大代表采場越不穩定。

表3 多指標綜合直觀分析（無量綱）

從表3可以看出，礦房長度的極差最大，對采場的穩定性影響最大，礦房長度越大采場越不穩定；礦柱寬度和頂柱厚度對采場穩定性影響的敏感性相近。隨著礦房長度的增大，采場的穩定性逐漸降低；隨著礦柱寬度的增大，采場的穩定性逐漸提高；頂柱厚度對采場穩定性的影響非常小，且沒有明顯的規律。

3.2 間柱壓應力分析

間柱壓應力直觀分析見表4。

表4 間柱壓應力分析

從表4可知，礦柱寬度的極差最大，說明礦房寬度對壓應力的影響最大，并且隨礦柱寬度越大，間柱壓應力越小；其次為礦房長度，礦房長度越大，間柱壓應力越大；頂柱厚度對壓應力大小的影響相對較小。在各采場結構參數的組合下，間柱壓應力的變化范圍為21～24 MPa，并未產生過大的壓應力。故所選取的采場結構參數組合均可以實現穩定的要求。

3.3 頂板沉降位移分析

各方案礦房回采后的頂、底板豎向位移見表5。由表5可知，礦房長度的極差最大，說明礦房長度對頂板沉降變形的影響最大、最敏感；其次為礦柱寬度的影響；而頂柱厚度對頂板沉降變形的影響程度非常小。

表5 頂板沉降變形分析

根據以上分析認為，礦房長度是對頂板沉降變形影響最大的因素，并且頂板沉降位移隨礦房寬度的增大而增大。因此，為確保回采礦石的穩定性，不應選取較大的礦房長度，但是礦房長度越大，采出的礦石量越多，故應在采場穩定性與采出礦石的控制下取臨界值。

3.4 采場結構參數選擇

根據容許極限位移量判據可知，小于30 mm的位移對采場穩定性基本不構成影響。礦房長度為50 m時，采場頂板沉降位移非常接近30 mm，因此，兼顧采下礦石量與采場穩定性的考慮，礦房長度應選取50 m。

根據上述影響程度分析，頂板沉降隨礦柱寬度的增大而減小，礦柱寬度越大，礦石的損失率越大。因此，兼顧采場穩定性與礦石回采率，礦柱寬度應可同時滿足上述兩點要求。根據模擬結果，礦柱寬度在8～12 m范圍內時，頂板沉降均小于30 mm，故選取8 m的間柱寬度可以滿足穩定性的要求，同時間柱寬度取8 m，礦石的回采率也最大，故建議礦柱寬度為8 m。

頂柱厚度對間柱壓應力的影響為先減小后增大，最優頂板厚度為5 m。

4 結論

（1）針對某礦山鎢鉬厚大礦體采場結構參數進行響應曲面試驗設計，利用FLAC3D數值模擬軟件模擬采場開采的穩定性情況，得出了不同采場結構參數基于數值模擬的試驗結果。

（2）礦房長度與頂板沉降位移的關系為正相關；間柱寬度與頂板沉降位移的關系為負相關，即間柱寬度越大，其頂板的沉降位移越小，采場越穩定；頂柱厚度與頂板沉降位移的關系為負相關，即頂柱厚度越大，其頂板的沉降位移越小，采場越穩定。

（3）礦房寬度對間柱壓應力的影響最大，并且隨礦柱寬度越大，間柱壓應力越小；其次為礦房長度，礦房長度越大，間柱壓應力越大；頂柱厚度對壓應力大小的影響相對較小。

（3）根據正交數值模擬試驗結果，對采場穩定性綜合影響程度排序為：礦房長度＞間柱寬度＞頂柱厚度。

（4）根據正交數值模擬試驗結果，確定了合理的采場結構參數：礦塊沿走向布置，礦塊長度為50 m、間柱寬度為8 m、頂柱厚度為5 m。