阿尔哈达残矿回收的研究与应用

张恒超

（锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒盟 026000）

锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司是一家多金属矿采、选的现代化矿山企业，设计生产能力3000t/d。公司主要采用上向充填采矿法进行回采，新增采空区得到了及时充填处理。

1 矿山地质情况

矿区为一套向北缓倾的单斜构，位于额仁高毕复式向斜北翼造，大气降水为地下水补给的主要来源。矿区地形地貌条件简单，地层岩性单一，岩体质量一般，岩石强度高，稳定性好，不易发生工程地质问题，属工程地质条件简单矿区。

2 顶底柱概况

在顶底柱资源回采方面，部分矿山在治理采空区的同时，成功回收了残留矿柱：湘西金矿通过人工替换矿柱结合电耙、铲运机等方法成功回收残留矿柱；湖南锡矿和灵乡铁矿也根据自身矿体特征，合理回收地下残余矿体，取得显著的经济效益。2014年以前，阿尔哈达矿业有限公司采用空场采矿法。由此可见阿尔哈达矿业公司顶底柱所占矿量比例较大，其安全回收对资源的充分利用具有十分重要的意义[1]。

3 矿房模型建立

3.1 模型描述

阿尔哈达矿业公司以7231采场为研究对象，利用FLAC3D软件建模，采场形态最大限度地保持与真实地质条件一致。根据矿体赋存条件，分析7231采场顶柱回采过程中采场应力、位移及塑性区的变化及规律及顶柱及上下盘应力、位移及塑性区变化规律，确定顶柱的最小预留长度。

模拟计算采用大范围一次回采及充填的计算方法，由于在回采步骤设置上不能与实际采矿活动完全吻合，在对计算结果不造成实质影响的前提下，进行简化计算程序。

3.2 力学参数

分析模型中各岩层的力学参数如表1所示。

表1 力学参数表

3.3 强度准则

FLAC3D具有强大的模拟岩土材料的结构模型及本构模型，提供了十余种基本的本构模型，分别归类到弹性模型、塑性模型和零模型之中。摩尔-库伦弹塑性本构模型能够很好的描述岩体以及充填体的变形特性；零模型通常用来表示被移除或开挖掉的材料。摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏：

式中σ1、σ3分别是最大和最小主应力，拉应力为正；c，分别是粘结力和摩擦角。当fs＞0时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度极低，进而可根据抗拉强度准则（σ3≥σT）判断岩体是否产生拉破坏。

3.4 开采方案

根据前期可行性研究及以往采场顶柱回收的实例，总体顺序为：采场进入顶柱回收前的充填阶段时，确保充填体空顶高度2.8m，而后施工至上部中段的铲运机联络巷道、顶柱两翼端部的切割井，为中深孔落矿创造条件；自两翼切割井向中间溜矿井位置后退式回采顶柱。本次模拟主要是研究顶柱围岩的变化，确定顶柱回采后沿走向最小长度，故拟定模拟方案如下：依据实际生产情况回采7631采场，下部留5.5米底柱；采用灰砂比为1:10的充填料对7231采场进行充填至空顶高度2.8m；分步回采顶柱，每步回采后顶柱沿走向长度分别为80m、60m、40m、30m、20m、12m。

4 模拟开采结果分析

（1）最大主应力分析。随着回采过程的推进，顶柱在围岩上盘2m范围内出现不同程度的应力集中现象，当顶柱沿走向长度为12m时，最大压应力为43.97MPa，顶柱上下盘范围内所受压应力在20～25MPa，不同长度顶柱最大主应力分布情况基本相同，围岩结构趋于稳定。

（2）塑性区分析。采场顶柱在回收过程中其塑性变形主要集中在铲运机斜坡道及顶柱上部，当顶柱回采长度达20m时，塑性区域范围逐渐增大；铲运机斜坡道上部塑性区破坏形式主要为拉伸破坏，下部塑性区较小，铲运机斜坡道整体结构依旧较为完整。

（3）垂直位移分析。采场顶柱的上下盘处垂直位移较大，当顶柱回采至长度达12m时，上盘最大垂直位移为4.5mm，下盘最大位移为4.2mm，垂直方向位移较小，采场结构基本稳定。

5 顶柱回采方案设计

（1）工程现状。顶柱上部为尾砂胶结充填体构成的人工假底，总厚度1.6m。顶柱厚5m～6m，本采场使用上向充填法回采，矿体厚度2m～15m，倾角40°～75°。

（2）采场结构与参数。采场沿走向布置，长度为60m～100m，顶柱厚度为5.5m，矿体厚度为3m～15m，采用进路法回收顶柱，进路沿走向布置，分两个分层进行回采，每层的进路规格（2.5m～3.0m）×（2.5m～3.0m），进路数量依据矿体厚度确定，进路自矿体上盘向下盘逐条进行回采。

（3）采准工程。采场进入顶柱回收前的最后分层准备充填时，要求充填接顶密实，并完成至上部中段穿脉的铲运机斜坡道工程，铲车斜坡道与原矿石溜井紧邻。

（4）回采。①上部中段对应的采场必须完全回采结束后，才可进行本顶柱回收；②凿岩爆破：采用YT-28气腿式凿岩机凿岩，爆破使用岩石粉状乳化炸药，电起爆器引爆，导爆管毫秒微差起爆；炮孔水平布置，钎杆长度2.0m，炮孔深度1.8m～2.0m，炮孔间、排距0.6m～1.0m，光面爆破或轮廓炮眼的间距不大于0.6m；③出矿：采用1m³电动铲运机出矿，将崩落的矿石倒入采场溜矿井，下放至采场运输穿脉巷，采用7t电机车和2m³矿车运出采场；④充填：充填管道经铲运机斜坡道进入采场，采用分级尾砂胶结接顶充填，灰砂比1：6～1：10；⑤人行：人员从人行泄水井、铲运机斜坡道进入采场；⑥通风：新鲜风流经人行井进入采场，经铲运机斜坡道回风上中段，必要时增加局扇通风；⑦注意事项：在顶柱的第二层回收时，因紧邻上部人工假底，回采进路断面规格严格控制，必要时增加配套的支护措施。

6 结论

通过建立尺寸为矿体走向长300m，倾向长350m，深度350m的数值模型，分析顶柱回采过程中上下盘围岩应力、位移及塑性区变化规律，在确保安全同时尽可能扩大经济效益，确定顶柱的最小预留长度为12m，即最小作业空间。顶柱最小预留长度为12m时，采场最大主应力为43.97MPa，最大垂直位移4.5m，采场塑性区范围较小，以拉伸破坏为主，采场结构较为稳定。基于数值模拟结果，设计了安全、高效的顶柱回采方案。