下盘铁矿矿柱爆破回采对上盘矾矿稳定性影响分析

党建东

(铜陵有色金属集团控股公司铜山矿业有限公司，安徽 铜陵247127)

采用空场法回采的矿山，矿柱是支撑采空区稳定性的基本单元［1-3］，随着资源的不断消耗，浅部的资源不断枯竭，对残留矿体和矿柱的回收受到了重视［4］，国家也大力提倡矿山加强对矿柱和残矿的回收利用。矿柱回收要根据矿山的实际情况而定，在保证安全、经济的条件下，合理采用回采方案，同时也可参考其他相似矿山的成功经验，采用灵活多变的回收方法，我国在矿柱回收方面已有很多成功案例，积累了宝贵的实践经验［5-10］。

1 矿柱回收及空区处理方案

七角井铁矿自2006 年建成开始投产，设计生产能力为360 万t/a，经过近8 a 的开采，矿山一中段、二中段和三中段矿房回采基本全部结束，形成了大量的采空区，由于矿体向深部开采，受开采技术条件、提升等因素的限制，矿山的生产能力受到影响，因此一中段、二中段和三中段矿柱的回收被提上日程，以维持矿山的稳定生产。

铁矿体的上盘有1 条矾矿体，其空间位置关系见图1 所示，如果对铁矿体预留的矿柱进行回采，很有可能对矾矿体的稳定性造成重大影响，影响矾矿体的安全开采。为了保障矾矿体开采的安全性，并最大限度地回收铁矿石矿柱，需要分析下盘铁矿矿柱回采对上盘矾矿稳定性影响程度，根据分析结果调整相关的回收方案。

图1 铁矿体与矾矿体的空间关系Fig.1 Spatial relationship of iron ore and bauxite ore body

1.1 方案一

采用间隔间柱抽采法回采矿柱及通过在矿体下盘布置药室爆破和上盘深孔削壁爆破充填采空区的总体矿柱回收及空区处理方案，即在同一中段采用从中间向两端后退，并间隔1 个间柱回采1 个间柱及其两侧的顶柱，将该方案简称为间隔间柱抽采法。间柱和其两侧的顶柱抽采后，在采空区下盘实施多个药室爆破，并对上盘实施深孔削壁爆破，避免上盘围岩过度爆破损伤，从而使采空区中充填废石并达到一定的充填高度，这样，不仅能够削弱上部冒落或垮塌所激发的一定量级的冲击波，而且能够限制上盘围岩发生大尺度岩移，并且能够保护保留的间柱而避免其沿纵向发生弯曲折断。

为了避免上中段矿柱回收后下盘药室和上盘深孔削壁爆破法充填的废石引起下中段矿柱回收时发生贫化，矿柱回收顺序为:上中段矿柱爆破后，一边出矿一边实施对应的下中段矿柱回收的凿岩，等下中段矿柱回收的凿岩工作完成后，继续一次性爆破下中段矿柱，随后在下中段底板上继续出矿。

该方法的优点是:矿柱回收的采矿强度高;在矿石覆盖层下出矿因而贫化率低;通过在矿体下盘布置药室爆破和上盘深孔削壁爆破充填采空区方法简单易操作。缺点是废石爆破充填的量较大，在无底部结构的采场中出矿时，如果采空区较宽，不仅出矿不安全，而且很难将矿出干净。

1.2 方案二

该方案的主要思路为从中间向两侧后退式回收矿柱，间柱全部回收，当第一个间柱回收完成后，在下盘和上盘同时立即实施深孔控制爆破堆筑松石坝支撑上盘处理采空区，从而限制上盘向采空区发生过大的岩移。之后在间柱继续回收后，间隔1 个间柱实施控制爆破筑坝。在下中段实施矿柱回收时，为了确保堆筑的松石坝不垮落，回收有筑坝的对应间柱时，间柱的最上一个分段及间柱两侧各半个矿房长度的顶柱永久保留。这个采空区处理方法，称为间隔间柱控制爆破堆坝法。

该方案的优点在于废石爆破充填的量较小，矿柱回收率较高。缺点在于空区处理方法较为复杂;矿柱回收的采矿强度低，只能逐一中段后退回收，不能上中段出矿时对应的下中段矿柱同时凿岩爆破;局部可能在上中段滚落的松石覆盖层下出矿，因此贫化率相对较高。

2 矿柱回收方案及空区处理方案数值仿真

2.1 模型的建立和边界条件的确定

矿房长度为42 m。沿矿体走向方向对称选取5个跨度为42 m 的采空场(矿房)和5 个宽7 m 的房间矿柱。本模型单元数达38 885 个，节点数达41 724个。模型在矿体走向方向取250 m 长，5 个采场;垂直深度取500 m，在剖面方向宽度取400 m。

建模时，近似按空间周边影响范围达3 ～5 倍空间半径，在上盘考虑钒矿体及其边界，下盘考虑适当范围的围岩，在两垂直边界，水平位移为0;在深部水平边界，垂直位移为0;在垂直与水平边界的转角处，水平与垂直位移都为0。岩石力学参数取值见表1，采用三维弹塑性有限元程序ANSYS 进行仿真模拟计算，采用D－P 破坏准则，参照形成顶柱、间柱时的初始拉应力、压应力和变形，判定岩体的应力和位移变化趋势。计算模型见图1 所示，图2 为矿房开挖后垂直走向的剖面图，图3 为矿房开挖后沿倾向的剖面图。

表1 岩石力学参数取值Table 1 Rock mechanics parameters

2.2 矿房开挖模拟

按照2.1 中边界条件和岩体力学参数对模型进行赋值，按照实际的开挖顺序，形成矿房、矿柱和顶柱后，其应力、位移重新分布，其拉应力、压应力分布见图4，矿柱上的最大拉应力为4.86 MPa，最大压应力达到17.7 MPa。矿房回采后垂直位移、水平位移分布见图5，最大水平位移达到4.3 mm，地表最大垂直下沉为97.5 mm。

2.3 方案一仿真步骤及计算结果

图2 矿房开挖后垂直走向剖面图Fig.2 Vertical cross-sectional view after excavation

图3 矿房开挖后沿倾向剖面图Fig.3 Tendency sectional view after excavation

图4 矿房回采后拉应力、压应力分布图Fig.4 The tensile stress and compressive stress distribution after ore recovery

如图3 所示，首先回采一、二、三中段4#间柱及其两侧的顶柱，然后回采2#矿柱及其两侧的顶柱，各计算步的上盘围岩的最大应力、位移值见表2。

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

表2 方案一各计算步上盘围岩最大应力、位移值Table 2 Maximum stress and displacement value of the upper surrounding rock at each computing step of Scheme 1

2.4 方案二仿真步骤及计算结果

从左至右首先开挖第一中段的第2#间柱，再开挖第一中段的第3#间柱，第三步开挖第一中段的第4#间柱，第四步充填第3#间柱，第五步再充填第2#间柱，第六步再充填第4#间柱，各计算步的上盘围岩的最大应力、位移值见表3。

表3 方案二各计算步上盘围岩最大应力、位移值Table 3 Maximum stress and displacement value of the upper surrounding rock at each computing step of Scheme 2

2.5 计算结果分析

按照方案一开挖后，上盘围岩的压应力变化不大，基本保持一致，拉应力逐步增大，上盘围岩垂直位移逐步增大，最大为10.40 mm，充填采空区后，上盘围岩位移为10.83 mm。

按照方案二开挖后，随着第一中段采空区跨度的增加，上盘的最大拉应力逐步缓慢增加，随着首根间柱的开挖回弹，上盘逐步垂直下移，4#间柱回采结束后，上盘围岩下移量达到17.45 mm，通过爆破堆积的松石坝支撑上盘，对上盘的应力、位移影响也不明显。

采用方案一可有效控制上盘围岩的垂直位移量，最终位移量仅为10.83 mm，而采用方案二开挖上盘围岩的垂直位移量较大，达到17.45 mm，二、三中段的矿柱回采，造成上盘围岩的位移量会更大，可能会造成上盘围岩的垮塌和局部失稳，对矾矿体的安全开采造成影响，综上所述，方案一可以有效限制上盘向采空区过度岩移，因此采用方案一的矿柱回收方案和空区处理方案。

3 结 论

(1)针对七角井铁矿下盘铁矿体和上盘矾矿体的空间赋存关系，提出了铁矿体矿柱回收与空区处理方案。方案一采用间隔间柱抽采法回采矿柱及通过在矿体下盘布置药室爆破和上盘深孔削壁爆破充填采空区的总体矿柱回收及空区处理方案。方案二从中间向两侧后退式回收矿柱，间柱全部回收，当第一个间柱回收完成后，在下盘和上盘同时立即实施深孔控制爆破堆筑松石坝支撑上盘处理采空区。

(2)对2 种方案按照开挖的先后顺序进行了数值模拟仿真，其结果显示采用方案一可有效控制上盘围岩的垂直位移量，最终位移量仅为10.83 mm，而采用方案二开挖上盘围岩的垂直位移量较大，达到17.45 mm，可能会造成上盘围岩的坍塌，最终确定方案一为矿柱回收和空区处理方案。

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