多中段复杂残留矿柱回采方案数值模拟分析.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0337-07多中段复杂残留矿柱回采方案数值模拟分析中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230369Vol.32,Suppl 1June2023侯国权1-，郭利杰1:2，许文远1.2（1矿冶科技集团有限公司，北京10 0 16 0；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京10 2 6 2 8)摘要：某矿山原采用分段空场法及浅孔留矿法进行采矿，经过多年的开采，井下4个中段采场已基本回采结束，形成大面积采空区以及高品位的矿柱。随着矿山资源赋条件的变化，这部分高品位矿柱资源回收有利于企业的可持续发展，可以极大提高企业的经济效益。通过综合分析残矿资源分布、开采技术条件、采空区分布及稳定性等条件，拟定采空区治理与矿柱回收方案，合并多个中段布置矿块对矿柱进行回采。并通过建立三维力学模型，数值计算验证方案的可行性，为矿山矿柱回收提供技术参考。关键词：矿柱回收；回采顺序；力学模型；数值分析；塑性区中图分类号：TD853Numerical simulation analysis of mining schemes for complex residual pillars2.National Center for International Joint Research on Green Metal Mining,Beijing 102628,China)Abstract:A mine used the sublevel open stope method and short-hole shrinkage method for mining,andafter years of mining,the four underground middle stopes have basically completed mining,forming a largegoaf area and high-grade ore columns.With the change of mine resource endowment conditions,the recoveryof this part of high-grade ore column resources is conducive to the sustainable development of enterprisesand can greatly improve the economic benefits of enterprises.By comprehensively analyzing the distributionof residual ore resources,mining technical conditions,goaf distribution and stability,this paper formulatesthe goaf treatment and ore column recovery scheme.And establish a three-dimensional mechanical model,verify the feasibility of the scheme through numerical calculation,and provide a technical reference for minecolumn recovery.Keywords:pillar recovery;stoping sequence;mechanical model;numerical analysis;plastic zone0引言某矿山矿体顶、底板岩石均为坚硬岩石，矿岩稳固，硬度系数f=1012,矿体平均厚度13m，为急倾斜厚矿体。采用分段空场法及浅孔留矿法进行采矿，采场沿走向布置，采场长30 50 m，宽度为矿体厚度，分段高度10 12 m，阶段高度40 m，顶柱约文献标识码：Ain multiple intermediate sectionsHOU Guoquan-2,GUO Lijiel-2,XU Wenyuanl-(1.BGRIMM Technology Group,Beijing 100160,China;5m，底柱约12 m，间柱约10 m。经过多年的开采，井下10 0 m中段、140 m中段、18 0 m中段和2 2 0 m中段采场已基本回采结束，形成采空区约40 万m，采空区周边留存大量高品位矿柱矿石量约150 万t。随着矿山的开采，保有资源量急剧减少，矿山面临严重的资源接续问题。尽快实现矿山矿柱资源的回收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 5第一作者简介：侯国权（19 8 4一），男，硕士，主要从事金属矿充填采矿技术方面的研究，E-mail:。通讯作者简介：郭利杰（19 8 0 一），男，河南南乐人，博士，教授，主要从事金属矿充填技术方面的研究，E-mail：l i g u o 2 6 412 6.c o m。引用格式：侯国权，郭利杰，许文远.多中段复杂残留矿柱回采方案数值模拟分析J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：337-343.HOU Guoquan,GUO Lijie,XU Wenyuan,Numerical simulation analysis of mining schemes for complex residual pillars in multiple intermediatesectionsJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):337-343.责任编辑：刘硕338采，实现稳定持续供矿是矿山面临的迫切实际需求。1开采技术条件矿山位于辽西构造剥蚀低山丘陵区，地形陡峭，有利于大气降水排泄。主要矿体虽位于当地侵蚀基准面（2 8 7 m标高）以下，但工作区附近无地表水体，矿床主要含水层及构造破碎带富水性弱，地下水补给条件差，属水文地质条件简单的矿区。矿山矿体顶、底板岩石均为坚硬岩石（Rc值 6 0 MPa)，工作区内发育的结构面对地下开采影响不大。矿山已施工坑道表明，井巷工程顶、底板稳定性良好，基本不用支护，自然条件下可维持稳定。依据矿区水文地质工程地质勘探规范（GB/T12719一2 0 2 1），该矿区工程地质条件属简单-中等。工作区附近无地表水，地下水富水性较弱，不会发生自然地质灾害等，矿床属地质环境简单类型。综合上述，工作区水文地质条件简单，工程地质条件简单-中等，环境地质条件简单，依据固体矿产地质勘查规范总则（GB/T139082020）附录B“固体矿产开采技术条件勘查类型划分及工作要求表的要求，该矿床开采技术条件应属矿床开采技术岩体基本质量岩体基本地下水影响修正结构面产状影响岩组指标BQ白云质糜棱岩521.20黑云斜长片麻岩499.48长英质糜棱岩479.95岩体密度岩组pm/(g/cm3)上盘（白云质糜棱岩）2.539下盘（黑云斜长糜棱岩）2.571矿体（长英质糜棱岩）2.5542矿柱回采方案该矿山各中段存在大量采空区，根据采矿工艺，每个采空区均留有顶底柱及间柱，矿石回收率较低。同时，现场主要采用顶底柱、间柱支撑整体采空区的稳定性，随着下部资源的开发以及采空区遗留时间的延长，采空区失稳引起地表塌陷的风险越来愈大，将严重影响矿山安全生产。因此，采空区的治理和矿柱回收需协同处置，采用充填的方式处理空区。矿柱回收采场相邻的采空区胶结充填结束并达到采矿要求后，再对矿柱进行回收。中国矿业条件简单类型的矿床（I型）。1.1矿区岩体质量评价根据该矿山岩层分布特点，将各岩体质量评价分为3种不同岩组：上盘白云质糜棱岩、矿体长英质糜棱岩及下盘黑云斜长糜棱岩。根据工程岩体分级标准（GB/T50218一2 0 14）规定，计算得到工程岩体质量评价指标1-2 ，计算结果见表1。由表1可知，矿山各岩组岩体质量：白云质糜棱岩、黑云斜长糜棱岩和长英质糜棱岩为级，属于较坚硬岩，岩体完整。1.2矿山岩体力学参数基于工程岩体分级标准（GB/T50218一2014)的参数选取法和RMR分类的经验公式折减法，对矿山工程岩体的物理力学参数进行折减计算，得出矿区岩体力学参数（表2）。1.3采场上盘允许暴露面积基于Mathews稳定图法3-6 ，结合采场结构参数，确定采场暴露面水力半径，并根据岩体质量指数，经计算采场上盘允许暴露面积最大为32 0 0 m，顶板暴露面积最大为18 0 0 m。表1工程岩体的质量级别划分结果Table 1 Quality classification results of engineering rock mass应力状态影响岩体基本质量指标工程岩体质量级别系数K1000表2 岩体力学参数Table 2Rock mass mechanical parameters泊松比岩体内摩擦角岩体黏聚力岩体弹性模量岩体抗拉强度umm/()0.2445.680.2346.680.2243.37第32 卷修正系数K2修正系数K30.20.000.20.000.2.0.00Cm/MPaEm/GPa2.837.952.637.742.945.202.1回采方法根据矿山的空区与矿柱赋存情况，把矿房的间柱和顶底柱作为一个回采单元，以空区为自由面整体崩落，在采场底部出矿。主要特点如下：在上部形成大尺寸连续矿柱支撑的巷道式凿岩碉室结构，创造安全作业环境。作业地点集中在凿岩水平和出矿水平，便于管理和通风条件改善。充分利用已有空区作为补偿空间，一次性整体爆破，爆破效率高。一般采用铲运机出矿，有多个出矿进路可同时供矿7-10 。方案如图1所示。修正值BQ501.19479.48459.98Om/MPa3.431.871.64质量级别岩体抗压强度Com/MPa35.5924.2821.22增刊1由于矿区地表不允许崩落，在爆破前，需要对相邻的采空区进行胶结充填。如图2 所示，以10 6 矿房为例，在回收10 6 矿房矿柱之前，先充填相邻的108矿房和10 4矿房，以减小空区顶板暴露面积。在崩落矿石出完后，需要对10 6 号采空区进行充填。凿岩巷道充填体凿岩碉室上向中深孔采空区束状孔堑沟巷道出矿穿出矿巷道Fig.1 Overall mining scheme of regional ore column侯国权，等：多中段复杂残留矿柱回采方案数值模拟分析整体回采方案根据矿柱的开采技术条件以及矿山现状，主要的回采方案为多中段同时回采，回采顺序自下而上回采。多中段即合并两个中段布置矿块回采矿柱，合并两个中段时同一区域的顶底柱和间柱同时爆落到下一中段采空区中8.10，整体方案如下：整体回采顺序，从下至上，合并两个中段逐步向上回采矿空区充填柱；预留部分间柱作为永久矿柱；中段的回采顺序为自东向西，后退式回采；同一区域的140 m中段的顶底柱、部分间柱和10 0 m中段的顶柱、部分间柱同时崩落到10 0 m中段的采空区中，通过100m中段的底部结构进行出矿。同一区域的18 0 m中段的顶柱、部分间柱和2 2 0 m中段的顶底柱、部分间柱同时崩落到18 0 m中段的采空区中，通过18 0 m中段的底部结构进行出矿；10 0 m中段和18 0 m中段的底柱暂不回采，作为回采上一中段矿柱时的图1区域矿柱整体回采方案底部出矿结构。待该中段充填结束后，视现场情况对底柱有选择性的后退式回收。回采方案如图3所示。3392.2108矿房108矿房106矿房106矿房104矿房无底样图2 矿柱回采方案Fig.2Pillarrecovery scheme隔离矿柱16#22#21#20#19#709#11#10#15#18#17#8#7#图3整体回采方案示意图Fig.3 Schematic diagram of the overall mining plan4#串6#5#儿4#3#13#品12#220m中段l180m中段2#1#-140m中段100m中段3403矿柱回采稳定性分析3.1数值计算模型为了充分反映出矿山的地形、地质和地貌特征，在分析矿山地质资料的基础上，结合采空区三维形态以及平面图和剖面图，建立数值计算模型，该模型长度6 0 0 m，宽度为30 0 m，最大高度540 m。基于地质模型，建立矿山的整体三维有限差分数值计算模型，该模型的单元总数1347 19 1个，节点总数229960个。数值计算模型见图4所示。3.2阶段一回采过程分析根据矿柱回采工艺，阶段一为深部10 0 m中段和140 m中段的矿柱回采充填结束过程，对阶段一回采过程应力位移情况进行分析11-12 。1）应力变形结果分析。图5(a)和图5(b)是当前开采情况下，工程区整体的应力计算结果。其中，中国矿业大部分区域为压应力状态。在局部区域出现拉应力，最大拉应力值达到1.6 4MPa，但是整体最大拉应力值小于岩体的抗拉强度。图5（c)和图5（f)是开采情况下矿体的变形计算结果。最大位移为7.180mm，不同分量的位移结果显示以竖向变形为主,最大竖向变形7.0 57 mm。.220m中段180m中段.140m中段100m中段图4数值计算模型Fig.4Numerical calculation model第32 卷最大主应力/PaZone Minimum Principal StressCalculated by:Constant3.355E+050.000E+002.500E+065.000E+067.500E+061.000E+071.250E+071.500E+071.750E+072.000E+072:250E+072:500+072.750E+073.000E+073.250E+073.500E+07整体合位移/mZone Displacement Magnitude7.180E-037.000E-036.500E036.000E-035.500E-035.000E034.500E-034.000E033.500E-033.000E-032.500E-032.000E-031.500E-031.000E-035.000E-049.337E-06Y向位移/mZoneYDisplacement3:248E033.000E-032500-832.000-031.500E-031.000E-035.000E-040.000.E+00-5.000E-04-1.000E-03-1.500E-03-2.000E-032.500E-033.000E-033.500E-034.000E-03最小主应力/PaZone Maximum Principal StressCalculated by:Constant1.870E+061.000E+060.000.E+001.000E+062.000E+063.000E+064.000E+06-5.000E+066.000E+067.000E+068.000E+069.000E+06-9.946E+06(a)最大主应力X向位移/mZoneXDisplacement1.830E-031.750E031.500E-031.250E031.000E037.500E045.000E-042.500E-040.000E+002.500E-045.000E-047.500E041.000E031.250E031.481E-03(c)整体合位移Z向位移/mZone Z Displacement4.186E034.000E033.000E032.000E031.000E-030.000E+00-1.000E-03-2.000E-033.000E-034.000E-035.000E-036.000E-037.000E037.057E-03(e)Y向位移图5阶段一计算结果Fig.5Calculation results of stage 1(b)最小主应力(d)X向位移(f)Z向位移增刊12）关键危险部位结果分析。塑性区评价：图6显示了当前开挖状态下塑性区范围。由图6 可知，大部分岩体处于弹性状态，局部采场为塑性破坏区，以受拉破坏为主。点安全系数：图7 显示了当前开采工况下点安全系数分布云图。由图7 可知，大部分岩体的点安全系数均在1.2 以上，说明这些区域有很高的强度储备，不易发生破坏。3.3阶段二回采过程分析阶段二为深部10 0 m中段和140 m中段矿柱回采并充填结束后，对18 0 m中段和2 2 0 m中段的矿柱回采充填结束的过程，对阶段二回采过程应力位移情况进行分析。1）应力变形结果分析。图8(a)和图8(b)是当前开采情况下，工程区整体的应力计算结果。其中，大部分区域为压应力状态。在局部区域出现拉应塑性区PlasticZonesheartensionZone MaterialGolden侯国权，等：多中段复杂残留矿柱回采方案数值模拟分析341力，最大拉应力值达到1.6 4MPa，但是整体最大拉应力值小于岩体的抗拉强度。图8（c)和图8（f)是开采情况下，矿体的变形计算结果。最大位移发生在地表，高程约10 0 m，其值为12.0 9 7 mm，不同分量的位移结果显示以竖向变形为主，最大竖向变形11.00 mm。2）关键危险部位结果分析。塑性区评价：图9显示了当前开挖状态下矿体的塑性区范围。由图9可知，大部分岩体处于弹性状态，在地表、2 2 0 m中段和18 0 m中段个别采场出现塑性区。塑性区以受拉破坏为主，无关键危险部位。点安全系数：图10 展示了当前开采工况下点安全系数分布云图。由图10 可知，大部分岩体的点安全系数均在1.2以上，说明这些区域有很高的强度储备，不易发生破坏。塑性区Plastic ZonesheartensionZone MaterialIGolden(a)上盘视图(b)下盘视图图6 塑性区分布Fig.6Distribution of plastic zones点安全系数Point Safcty FactorCalculated by:Constant5.000E+004.500E+004.000E+003.500E+003.000E+002.500+002.000E+001.500E+001.000E+009.997E-01点安全系数Point SafctyFactorCalculated by:Constan1:200E+001.150E+001.125+001.100001.075+001.050+001.025+001.000E+009.997E-01(a)上盘视图点安全系数Point Safcty FactorCalculated by:Constant5.000E+004.500E+004.000E+003.500E+003.000E+002.500+002.000E+001.500E+001.000E+009.997E-01点安全系数Point SafetyFactorCalculated by:Constant1:200E+001.159+001125+001.100+001.075E+001.050+001.025E+001.000E+009.997E-01(b）下盘视图图7 采空区点安全系数分布图Fig.7Distribution of safety factors in goaf points342中国矿业最大主应力/Pa最小主应力/PaZoneMinimumPrincipal StressZoneMaximumPrincipal StressCalculated by:ConstantCalculatedby:Constant1.440E+051.830E+060.000E+001.000E+062:500E+060.000.E+005.000E+061.000E+06-7.500E+062:000+06-1.000E+07-3.000E+061.250E+074.000E+061.500E+07-5.000E+061.750E+076.000E+002:000E+077.000E+062:250078.000E+002:500E+07-9.000E+062.750E+07-1.000E+073.000E+07-1.100E+073.250E+071:200E+073.500E+071.233E+07(a)最大主应力整体合位移/mZoneDisplacement Magnitude1.209E-021.200E-021.100E-021.000E-029.000E038.000E037.000E-036.000E035.000E-034.000E-033.000E032.000E-031.000E-034.756E-05第32 卷(b)最小主应力X向位移/mZoneXDisplacement4.805E034.500E034.000E-033.500E-033.000E-032.500E-032.000E-031.500E-031.000E-035.000E-040.000E+00-5.000E-04-1.000E-031.500E-03-1.719E03(c）整体合位移Y向位移/mZoneYDisplacement5:234E-035.000E-033.000E-034.000E-032.000E-031.000E-030.000E+00-1:000E-03-2.000E-03-3.000E-03-4.000E-03-5.000E03-6.000-03-7.000E038.000E038.535E03塑性区Plastic ZoneIshearZone MaterialGolden(d)X向位移Z向位移/mZoneZ Displacement3.793E033.000E032.000-030.000E+001.000E-031.000E-03-2.000E-033.000E034.000E-03-5.000E-03-6.000E03-7.000E038.000E039.000E031.000E-021.100E02(e)Y向位移图8 阶段二计算结果Fig.8Calculation results of stage 2(f)Z向位移塑性区Plastic ZoneIshearZone MaterialGolden(a)上盘视图点安全系数Point Safcty FactorCalculated by:Constant5.000E+004.500E+004.000E+003.500E+003.000E+002.500E+001.500E+001.000E+00(b)下盘视图图9塑性区分布Fig.9Distribution of plastic zonesCalculated by:Constant1.200E+001.175E+001.150E+001.125E+001.100E+001.075E+001.050E+001.025E+001.000E+00点安全系数Point SafctyFactor图10采空区点安全系数分布图Fig.10Point safety factor distribution增刊14结 论1）通过对矿区岩体质量评价分析，矿山各岩组岩体质量：白云质糜棱岩、黑云斜长糜棱岩和长英质糜棱岩为级，属于较坚硬岩，岩体完整。基于Mathews稳定图法，计算采场上盘允许暴露面积最大为32 0 0 m，顶板暴露面积最大为18 0 0 m。2）根据矿山矿柱的开采技术条件，以及矿区岩体的质量评价和采场允许暴露面积，制定了采空区充填治理与矿房顶底柱、间柱协同回采的技术方案。整体回采顺序为自下而上回采，双中段区域整体崩落矿柱，第一步优先充填要回采矿柱的采空区相邻的空区,第二步将双中段回采区域内的间柱、顶底柱爆落至采空区中，从底部结构出矿，矿石出完后再充填采空区。3）通过对双中段区域整体崩落的回采方案进行稳定性数值模拟分析，整体来看，没有出现不收敛的情况，塑性区也没有出现大规模的贯通现象。大部分岩体处于弹性状态，仅在矿房开挖底部和顶部局部区域出现塑性区。塑性区以受拉破坏为主。安全系数分布云图显示大部分岩体的点安全系数均在1.2以上，说明这些区域有很高的强度储备，不易发生破坏。综上所述，根据矿山采空区及矿柱的赋存条件，通过对多中段复杂残留矿柱回采方案数值模拟分析，采用双中段区域整体崩落回采顶底柱和间柱的残矿回采技术方案是可行的，为该矿山残矿回采提供了技术参考。参考文献1陈昌彦，王贵荣.各类岩体质量评价方法的相关性探讨J.岩石力学与工程学报，2 0 0 2，2 1（12）：18 9 4-19 0 0.CHEN Changyan,WANG Guirong.Discussion on the interre-lation of various rock mass quality classification systems athome and abroadJJ.Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering,2002,21(12):1894-1900.2 杜时贵，许四法，杨树峰，等.岩石质量指标RQD与工程岩体分类J.工程地质学报，2 0 0 0（3）：351-356.DU Shigui,XU Sifa,YANG Shufeng,et al.Application ofrock quality designation(RQD)to engineering classification ofrocksJJ.Journal of Engineering Geology,2000(3):351-356.3郭然，于润沧，张文荣.Mathew法在采矿方法设计中的应用J.金属矿山，19 9 9（9)：2 2-2 5.GUO Ran,YU Runcang,ZHANG 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