隔离矿柱回采稳定性影响因素的正交试验分析

党 洁 张晨洁 郭生茂 何良军 赵文奇 刘 涛

(西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900)

隔离矿柱回采稳定性影响因素的正交试验分析

党 洁 张晨洁 郭生茂 何良军 赵文奇 刘 涛

(西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900)

通过分析隔离矿柱在回采过程中的影响因素，结合工程实际，选取了隔离矿柱矿房侧壁的回采高度(A)、侧壁厚度(B)、采场长度(C)、采场宽度(D)、是否采一充一(E)和第二步骤充填是否采用全尾砂胶结充填(F)6个影响因素，每个影响因素取2个水平，选用L8(27)正交表，确定了8个模拟试验方案。建立了隔离矿柱回采模型，对隔离矿柱开挖之前的应力分布进行反演分析，运用FLAC3D数值模拟软件对正交试验方案进行开挖模拟运算，分析了各个方案隔离矿柱回采之后的应力分布情况及其位移变化，得出模拟结果。分析结果显示：A、B、C、D、E、F6个影响因素产生的Y方向位移极差分别为4.8、0.698、1.404、1.305、1.623、0.164 mm，即隔离矿柱矿房侧壁的回采高度(A)对其稳定性影响最为显著，而第二步骤是否采用全尾胶充填(F)影响最小。

隔离矿柱 稳定性分析 正交试验 影响因素

随着我国矿产资源的不断开发，越来越多的金属矿山都进入了深部开采，矿山随着开采深度的增加，采空区的数量和面积也在不断增加[1-3]。对于非充填矿山，矿柱是影响采空区稳定性的重要组成单元，其稳定性对采空区的稳定有着至关重要的影响[4-6]。矿柱失稳破坏从而导致采空区大面积的坍塌的事故时有发生，造成了重大的人员伤亡和经济损失。因此，在回收矿柱的之前，需对其开采后的稳定性进行评价分析，保证矿柱的安全高效回采[7-9]。

1 工程背景

1.1 开采现状与分析

冬瓜山铜矿位于安徽省铜陵市狮子山区，矿体开采条件较为复杂，矿体埋藏深度-670～-1 100 m，矿体厚度为20～100 m，沿走向长度为1 800 m，平均倾角为20°，最大倾角35°，矿体严格受层位控制并呈不完整的马鞍状，矿体中部厚大，向两翼厚度逐渐减小直至尖灭。矿体主要有含铜矽卡岩、含铜磁铁矿和蛇纹岩等组成，矿体直接顶板为黄龙族大理岩，直接底板为石英闪长岩和粉砂岩。矿体最大主应力方向为NE—SW，与矿体走向基本一致，并近似水平方向，最大主应力为30～35 MPa。采用无矿柱连续回采阶段空场嗣后充填采矿方法进行回采，该方法的主要特点为沿矿体走向每隔100 m划分1个盘区，盘区尺寸为矿体宽度×100 m×矿体高度，盘区间留18 m的隔离矿柱，保证矿体的安全回采和盘区之间开采相互独立，不受干扰，隔离矿柱尺寸为矿体宽度×18 m×矿体高度。在盘区内每隔18 m垂直矿体走向布置采场和矿柱，采场尺寸为82 m×18 m×矿体高度，矿柱尺寸为78 m×18 m×矿体高度。整个盘区分3步回采：第一步回采矿房，即隔一采一，回采完毕后进行全尾砂胶结充填；第二步回采矿柱，采用全尾砂充填；第三步回采隔离矿柱。图1为首采区开采布置图。

图1 首采区开采布置Fig.1 First district of mining layout

冬瓜山铜矿于2007年开始正式投产，到2011年5月已基本完成了首采区矿房和矿柱的回采，共开辟盘区6个，有5个盘区隔离矿柱，由于5条隔离矿柱两旁的盘区开采状态不一致，部分采场还在采准阶段，一些采场还在充填阶段，故回采方案首先针对两边盘区已基本完成采掘和充填的54#线开始。

1.2 隔离矿柱回采方案及稳定性影响因素

隔离矿柱回采的基本思路是：从矿体厚大一侧逐渐向两翼退采，这样回采的好处在于便于底部巷道的通风，风流从开采区流向已采区，同时还可以有效地控制地压，避免应力集中。原设计的隔离矿柱回采单元尺寸为18 m×36 m×矿体高度。这样划分的好处在于每个回采单元对应一个盘区采场和矿柱，布置较为规则，在回采单元的周围布置2 m宽的永久矿壁用于支撑采场；这样布置的缺点在于由于矿体厚度变化很大，按照36 m划分采场长度，造成隔离矿柱不同采场之间矿量差别较大，矿石回采效率较低，损失较大。因此，需要在原回采方案上进行优化调整，选择更加合理的结构参数，保证矿柱回收的安全高效。图2为回采单元布置。

根据以往的矿柱回采经验，影响矿柱回采过程稳定性的因素较多，结合本工程现场实际情况，拟选取隔离矿柱矿房的侧壁的回采高度(A)、侧壁厚度(B)、采场长度(C)、采场宽度(D)、是否采一充一(E)和第二步骤充填是否采用全尾砂胶结充填(F)6个影响因素，每个影响因素取2个水平，对矿柱回采的矿房结构参数和充填方式对矿柱回采稳定性影响大小进行分析和评价，有针对性地调整其回采方式和矿房结构参数，保证隔离矿柱安全高效回采。

图2 原隔离矿柱回采单元布置Fig.2 Original isolation unit layout of Ore Pillar Extraction1—端壁;2—侧壁;①—矿房采场; ②—间柱采场;③—隔离矿柱采场

2 正交模拟试验分析

2.1 试验方案

对影响矿柱回采稳定的6个因素，每个因素取2个水平进行正交分析，该正交试验方案为6因素2水平正交试验。通过查阅正交试验表，确定选用L8(27)正交试验表较为合理，能够满足方案要求，即只需做8次模拟试验即可确定各影响因素的影响权重和最优方案，8次试验各因素的取值水平见表1。正交模拟试验结果见表2。

表1 正交模拟试验因素水平安排Table 1 Category of date analog orthogonal

表2 正交模拟试验结果Table 2 Analog orthogonal table

2.2 正交试验数值模拟

运用FLAC3D数值模拟软对试验方案进行开挖模拟。图3为简化后的52～54线隔离矿柱模型。模拟计算的结果显示，各方案开挖之后，隔离矿柱两侧的应力分布变化不大，最大应力范围为55～65 MPa，且都主要集中在隔离矿柱顶板边角附近；最大拉应力范围为0.98～1.43 MPa，小于矿岩和围岩的抗拉强度。由于隔离矿柱顶板相对于侧壁暴露面积较小，因此，X方向的位移相对较小，各方案相差不大，对矿房稳定性影响较小；沿Y方向的位移各方案相差较大，对矿房稳定性影响最大。因此，本次正交分析的统计数据取Y(隔离矿柱走向)方向的位移分量。限于篇幅，本次数值模拟的应力与位移图从略。

图3 简化后的隔离矿柱模型Fig.3 The simplified isolation pillar

2.3 正交分析

将各方案开挖模拟后侧壁沿Y方向的最大位移量进行统计，8个方案的最大位移分别为6.08，5.655，8.076，7.866，10.72，13.43，9.792，12.94 mm。正交分析的结果见表3所示。

表3 数值模拟分析结果

Table 3 The numerical analysis results mm

从表3来看，A、B、E、C、E、F产生的极差分别为4.8、0.698、1.404、1.305、1.623、0.164 mm。可见，隔离矿柱矿房的回采高度(A)对其稳定性影响最为显著，而第二步骤是否采用全尾砂胶充填影响(F)最小。

在矿柱回采中，严格控制矿房的高度。对于厚度大于50 m的隔离矿柱，采用分层开采，严格将矿房的高度控制在50 m以内，长度取36 m，宽为14 m；厚度在20～50 m的隔离矿柱，矿房高度定为矿柱厚度，长度取36 m或54 m，宽为14 m；厚度在20 m以下的隔离矿柱，矿房高度为矿柱厚度，长度取72 m或者更大，宽为14 m。

3 结 论

(1)分析结果显示：6个影响因素的极差排序为A>E>C>D>B>F，隔离矿柱矿房的回采高度(A)对其稳定性影响最为显著，而第二步骤是否采用全尾砂胶充填影响(F)最小。

(2)结合正交分析结果，给出了隔离矿柱回采结构参数建议，以保证隔离矿柱的高效安全回采，该参数在冬瓜山铜矿得到应用。

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(责任编辑 徐志宏)

Orthogonal Tests Analysis on the Influencing Factors for the Stoping Stability of Isolated Pillars

Dang Jie Zhang Chenjie Guo Shengmao He Liangjun Zhao Wenqi Liu Tao

(NorthwestInstituteofMiningandMetallurgy，Baiyin730900，China)

By analyzing the influencing factors for isolated pillars in recovery process，and combining with practical engineering，six influencing factors for the isolated pillar and room including stope sidewall height(A)，sidewall thickness(B)，stope length (C), stope width (D), whether alternating backfill after mining(E), whether the full tailings cementing backfill at second step(F).Two levels are selected for each factor.8 simulation experimental programs were identified by analyzing the selected orthogonal table L8(27).The isolated pillar model was established，and the stress distribution of the isolated pillar before excavation was analyzed by refutation.The excavation with orthogonal scheme was simulated based on FLAC3Dnumerical simulation software.The simulation of stress distribution and displacement after the isolated pillar was mined.The analysis results show: the displacement ranges of 6 influence factorsA,B,C,D,E,andFinYdirection are respectively 4.8,0.698,1.404,1.305,1.623 and 0.164 mm.That is to say,the stope sidewall height (A) of isolated pillar has the most significant impact on its stability，and whether adopting the full tailings cementing backfill at second step (F) has a minimal impact.

Isolated pillar，Stability analysis，Orthogonal test，Influencing factors

2014-01-25

党 洁(1988—)，男，助理工程师。

TD803

A

1001-1250(2014)-03-024-03