七角井矿柱回收方案及对相邻矾矿体的安全影响分析_刘文胜.pdf

七角井矿柱回收方案及对相邻矾矿体的 安全影响分析 刘文胜 1， 2 薛鼎龙 1 蔡美峰 1 （1. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 2. 马钢 （集团） 控股有限公司南山矿业公司， 安徽 马鞍山 243000） 摘要针对七角井铁矿的生产实际， 为了安全高效回采2 280 m中段以上矿柱， 同时确保位于铁矿体上盘的 钒矿体安全开采， 提出间隔间柱抽采和硐室深孔爆破法、 间柱全采与间隔间柱控制爆破堆坝法回收矿柱， 并对2 个矿柱回收方案进行了模拟仿真。模拟结果显示 采取间隔间柱抽采和硐室与深孔爆破法回收矿柱并处理采空区 能够有效控制上盘围岩过度岩移， 保证了钒矿体的开采安全， 但应注意回收间柱及两侧顶柱后， 需立即采用硐室 深孔爆破处理采空区， 然后再继续类似间隔后退回采， 否则会引起矿柱和上盘失稳。间柱全采与间隔间柱控制爆 破堆坝法回收矿柱无法保证上盘围岩的稳定， 可能会引起上盘围岩垮塌， 影响钒矿体的安全回采。应采用微差爆 破技术同时爆破顶、 间柱， 避免发生顶板跨度过大导致冒落。 关键词空区处理间隔抽采数值模拟相邻矿体 中图分类号TD853.391文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-051-06 DOI10.19614/ki.jsks.201906009 Research of Pillars Recovery Scheme and Its Safety Impact Analysis on Adjacent Vanadium Ore Bodies in Qijiaojing Iron Mine Liu Wensheng1， 2Xue Dinglong1Cai Meifeng12 （1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. Nanshan Mining Company， Magang Group Holding Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China） AbstractIn view of the production practice in Qijiaojing Iron Mine，and in order to safely and efficiently recover the pillars above the middle of 2 280 m and ensure the safe mining of vanadium ore bodies located on the upper part of the iron ore body， both schemes of the discontinuous interval pillar extraction and the chamber deep-hole blasting ， and the continuous interval pillar extraction and the damming with controlled explosion of interval pillars were put forward， moreover， pillar extraction under both schemes were simulated. The simulation results showed that discontinuous pillar extrac- tion and the chamber deep-hole blasting with goaf treatment can effectively controll the excessive rock movement of the surrounding rock and ensure the safe mining of the vanadium ore-body. However，it should be noted that the goaf should be immediately treated by the chamber deep hole blasting after the recovery of the interval pillar and the roof pillars on both sides，and then the mining should be continued at similar intervals，otherwise the pillar and the upper wall will be unstable. The continuous interval pillar extraction and the damming with controlled explosion of interval pillars cannot guaran- tee the stability of the surrounding rock of the upper plate，which may cause the surrounding rock to collapse and affect the safe recovery of the vanadium ore body. Differential blasting technique with explosion of roof and interval pillars should be ad- opted to avoid over-large span of roof which may cause the roof falling. KeywordsMined-out area treatment， Interval extraction， Numerical simulation， Adjacent ore bodies 收稿日期2019-05-07 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0600703） 。 作者简介刘文胜 （1969） ， 男， 高级工程师， 博士研究生。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 由于空场法有着诸多优点， 在我国金属矿开采 中， 许多矿山都采用了空场法回采。而大部分的采 空区都没有经过处理， 空区内积压了大量的残留矿 柱， 造成了资源的浪费。如果能够合理对空区内的 51 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 矿柱进行回收， 不但能够创造巨大的经济效益， 同时 处理了采空区， 为矿山的安全生产提供了保障 ［1-4］。 同时， 残矿回收由于其技术复杂性， 其矿柱的安全回 采难度十分大， 回收矿柱时， 其空区应同时进行处 理。在矿柱与空区稳定性方面， 赵奎 ［5］采用了模糊数 学方法对矿柱的稳定性进行了分析研究， 吴爱祥 ［6］采 用数值模拟的方法对矿柱回采过程中的应力变化规 律进行了研究， 李俊平 ［7］提出了同时回收间柱和顶柱 并处理采空区的方法， 贺小庆 ［8］提出了矿柱抽采与空 区处理的方法并进行了数值模拟， 郭生茂 ［9］对白山泉 铁矿采用分段凿岩间柱一次性爆破顶柱和间柱的方 案， 并采用下向平行深孔崩落顶柱充填采空区的方 法。从上述分析可以看出， 矿柱回收方案与空区处 理方案是残矿回收的2个部分， 各自独立又相互关 联， 矿柱回收方案应充分考虑后期的空区处理， 为矿 山再创安全开采环境提供保障。 1工程概况 七角井铁矿位于甘肃肃北县境内， 矿山始建于 2001年， 初期采用简单的露天开采， 生产规模非常 小， 后矿山经过多次转手， 最终由肃北博伦矿业公司 进行开采， 并对其进行了开采规划。七角井铁矿主 要开采范围为7～21勘探线。现阶段已形成8条斜 坡道和1条平硐的开拓系统， 生产区域主要为2 280 m中段以上， 现阶段已形成2 364 m水平、 2 320 m水 平、 2 280 m水平3个中段， 其中2 364 m中段、 2 320 m 中段已经开采结束， 2 280 m中段为矿山的主要生产 中段。七角井铁矿属于沉积变质型矿床， 在铁矿体 的上盘赋存有1条钒矿体， 具有一定的开采利用价 值， 铁矿体产于青白口系大豁落山组第四岩段的透 辉 （透闪） 阳起岩中， 长度3 200 m， 倾角28～78， 矿层 中间厚两端薄， 平均厚度11.98 m， 一般厚10～30 m， 走向大致呈N60～80W， 倾向北东， 其上盘为透辉 阳起岩， 下盘为透闪阳起岩， 矿岩松散系数最大可达 1.6。钒矿产于寒武系西双鹰山组下部的碳质板岩 中， 矿体长6 300 m， 倾角17～82， 平均厚度10.83 m， 其上盘为硅质板岩， 下盘为粒屑灰岩。在空间上， 透 辉阳起岩在粒屑灰岩之下。在空间上， 铁矿体与矾 矿体的水平距离为140 m左右。 从铁矿体与矾矿体的空间位置关系而言， 应先 开采位于上盘的矾矿体后开采位于下盘的铁矿体， 且矾矿体应超前铁矿体开采。但在前期开采中， 由 于矾矿体的经济价值远低于铁矿体， 在开采过程中， 矿山为了提早回收投资， 铁矿体先于矾矿体进行开 采。2 280 m水平以上铁矿体主要采用空场法进行回 采， 2 280 m水平以下设计采用充填法进行回采， 由于 2 280 m以上留了大量的矿柱支撑上盘围岩的稳定， 避免上盘围岩发生位移造成对矾矿体的破坏， 致使 2 280 m中段以下开拓系统即充填系统建设滞后， 造 成矿山可采矿量不足， 为了补充矿量满足年生产矿 石量的要求， 矿方决定对2 280 m中段以上的矿柱进 行部分回收， 矿柱回收必然会对上盘围岩的稳定性 产生影响， 从而导致矾矿体的开采条件发生变化， 为 了保护钒矿开采的完整性， 并最大限度地回收2 280 m中段以上预留的矿柱， 本项目针对2 280 m水平以 上矿柱赋存状况、 空区特点， 制定了不同的矿柱回收 方案并对其进行数值模拟分析， 并在数值模拟分析 的基础上， 分析各矿柱回收方案对上盘矾矿体的影 响程度， 最终确定2 280 m中段以上的矿柱回收方案 及采空区处理方案。 2矿柱回收方案 2. 1矿柱矿量统计 根据开拓的斜坡道位置， 对2 280 m中段以上留 设的矿柱进行现场调查统计， 经计算， 矿柱矿量为 326.1万t， 其中顶柱矿量约为181.4万t （见表1） ， 间柱 矿量约为144.7万t （见表2） ， 采空区约为260万m3。 2. 2矿柱回收方案 通过对2 280 m中段以上顶柱、 间柱进行调查统 计， 初步分析矿柱的受力环境及回收技术条件， 提出 了间隔间柱抽采法和下盘药室上盘深孔削壁爆破 法、 间柱全采法与间隔间柱控制爆破堆坝法2种回收 方案， 具体如下。 52 ChaoXing 2019年第6期刘文胜等 七角井矿柱回收方案及对相邻矾矿体的安全影响分析 （1） 间隔间柱抽采法和下盘药室上盘深孔削壁 爆破法。该方案简称为间隔抽采法， 其主要思想为 垂直方向上从上向下回收矿柱， 同一中段内从中间 向两端后退式回收矿柱， 间柱采用隔一采一的回收 方式， 回收间柱时， 对间柱两侧的顶柱一起进行回 收。由于在铁矿体的上盘水平距离为140 m处有一 矾矿体， 间隔抽采间柱及顶柱后， 为了避免空区上盘 围岩因位移过大造成垮塌， 影响矾矿体的安全回采， 提出下盘药室上盘深孔削壁爆破充填采空区的方 案， 即在间柱及两侧顶柱爆破回收后， 在采空区的下 盘围岩中施工多个药室进行爆破， 同时， 在空区上盘 进行深孔削壁爆破， 避免上盘围岩过度爆破损伤， 从 而使采空区中充满废石并达到一定值的充填高度， 对整个空区起到一定的支撑作用， 限制上盘围岩发 生较大范围的位移， 同时保证预留的间柱不发生过 度应力集中导致破坏， 充填体的高度需要数值模拟 进一步进行分析确定。间柱及顶柱爆破后， 暂不出 矿， 待上下盘围岩爆破充填后再进行出矿， 由于上覆 围岩的存在， 出矿安全性得到了保障， 但同时矿石贫 化率及损失率相对较高。 （2） 间柱全采法与间隔间柱控制爆破堆坝法。 该方案简称为堆坝法， 其主要思想为垂直方向上从 上向下回收矿柱， 同一中段内从中间向两端后退式 回收矿柱， 矿柱全部进行回收。在2 364 m中段回收 矿柱时， 每个间柱及两侧顶柱回收完成后， 立即通过 深孔爆破上下盘围岩形成废石堆坝支撑空区上盘， 从而限制因矿柱全部回收后造成上盘围岩位移量过 大造成垮塌。堆坝形成后， 再继续回收下一个矿柱， 以此类推， 直至整个中段的矿柱全部回收完成。在 2 320 m中段回收矿柱时， 为了保证2 364 m中段的废 石堆坝不发生垮塌， 废石堆坝所对应的2 320 m中段 的间柱及两侧的顶柱不予以回收， 永久保留。该方 法的优点在于上下盘围岩爆破工程量小， 2 364 m中 段的矿柱可全部进行回收， 2 320 m中段的大部分矿 柱也可以进行回收， 回收的矿柱的矿量较间隔抽采 法大。该方案的缺点在于矿柱崩落后， 铲运机需要 进入空区出矿， 安全性差， 同时矿体较厚的采场矿石 出矿难度十分大。该方案示意图见图1所示。 3数值模拟 3. 1模型建立 为了分析间隔抽采法和堆坝法方案回收2 280 m 中段以上矿柱回收后其空区的应力、 位移分布规律 及对上盘矾矿体回采的安全影响， 本次模拟采用 ANSYS建模， 沿矿体中部沿走向方向对称选取5个采 场共 5 个矿柱， 矿柱宽度为 7 m， 矿房的埋深为 500 m。本模型单元数达38 885个， 节点数达41 724个， 分析模型见图2所示。 3. 2岩体力学参数 本次计算采用的岩体力学参数见表3所示。 3. 3矿房回采模拟 按照图2中的模型进行开挖模拟， 首先对各矿房 开采结束后的应力状态、 位移进行模拟分析， 图3为 矿房开采结束后的压应力和拉应力分布云图， 从图 中可以看出， 矿房回采结束后， 最大压应力为 17.7 MPa， 最大压应力位于2 280 m中段间柱底部， 最大拉 应力为4.86 MPa， 位于2 280 m中段顶板处。矿房回 采结束后， 其上盘围岩的位移量较小， 为4.3 mm， 对 上盘矾矿体的开采不产生影响。 3. 4间隔抽采法数值模拟 （1） 矿柱回收模拟步骤。根据图2中矿柱模型所 示的矿柱编号， 第一步回收2 364 m中段的2间柱， 第二步回收2 320 m中段2间柱， 第三步回收2间柱 两侧的顶柱， 第四步回收2 280 m中段的2间柱， 第 53 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 五步回收2 280 m中段2间柱的两侧顶柱， 第六步回 收2 364 m中段的第4间柱， 第七步回收2 320 m中 段的第4间柱， 第八步回收2 320 m中段的第4间柱 的两侧顶柱， 第九步开挖2 280 m中段的第4间柱， 第十步开挖2 280 m中段的第4间柱的两侧顶柱， 第 十一步充填第2间柱全开挖后的2 280 m中段， 第十 二步充填第2间柱全开挖后的2 320 m中段的下半 部分， 第十三步充填第2间柱回收后的2 320 m中段 的上半部分。 （2） 模拟结果。按照间隔抽采法的回收步骤进 行模拟， 对每个开挖步骤进行模拟运算， 对每个步骤 开挖结束后矿柱的最大应力、 位移和上盘围岩的最 大应力、 位移进行统计， 具体见表4所示。从表4中 可以看出， 间柱回收比顶柱回收矿柱中的应力增长 更大， 说明间柱对空区的支撑起主要作用， 开挖结束 后， 矿柱中的最大压应力及上盘围岩中的最大压应 力均未超过其极限抗压强度。在2 364 m中段矿柱回 收后， 模型的最大应力增长较小， 2 320 m中段矿柱回 收后， 顶柱中局部部分最大拉应力接近于岩体的抗 拉强度， 通过爆破间柱上下盘围岩充填采空区， 可以 有效缓解顶板和上盘围岩中的拉应力增长， 矿柱回 收后， 上盘围岩竖向位移增大11 mm， 位移量较小。 54 ChaoXing 3. 5堆坝法数值模拟 （1） 矿柱回收模拟步骤。按照堆坝法回收方案， 首先对2 364 m中段所有的矿柱进行回收， 首先回收 3间柱及两侧顶柱， 回收完成后崩落上下盘围岩形 成堆坝支撑采空区， 接着回收2间柱及两侧顶柱， 回 收完成后崩落上下盘围岩形成堆坝支撑采空区， 依 次类推， 直至5个间柱全部回收完成。 （2） 模拟结果。表5为5个间柱依次回收后矿体 的最大拉应力、 压应力、 位移的最大值， 随着第一中 段采空区跨度的增加， 最大拉应力从第三中段顶柱 逐步移动到第二中段的顶柱上， 最大压应力也从第 三中段间柱逐步移动到第二中段的顶柱上， 矿柱的 最大应力、 位移都逐步增大， 但是， 4间柱回收后， 应 力增加的趋势明显加快， 应用控制爆破堆积的松石 坝支撑上盘， 对深部矿柱的应力、 位移影响都不明 显。表6为堆坝法回收间柱后上盘围岩地压及位移 变化， 随着第一中段采空区跨度的增加， 急倾斜上盘 的最大拉应力逐步缓慢增加， 5矿柱回收后， 上盘垂 直位移达到17.88 mm， 应用控制爆破堆积的松石坝 支撑上盘， 对上盘的应力、 位移影响也不明显。间柱 全采并间隔间柱控制爆破堆坝支撑顶板， 2 364 m中 段矿柱最大拉应力达到7.30 MPa， 2 230 m中段矿柱 最大拉应力达到9.66 MPa， 2 280 m中段矿柱最大拉 应力达到11.80 MPa； 2 364 m中段上盘围岩最大拉应 力达到2.90 MPa， 2 230 m中段上盘围岩最大拉应力 达到4.62 MPa， 2 280 m中段上盘围岩最大拉应力达 到5.30 MPa。显然， 采用堆坝法回收矿柱会引起矿 柱、 上盘围岩失稳。因此， 应用间柱全采并间隔间柱 控制爆破堆高坝支撑顶板， 不仅施工繁琐， 而且矿柱 和上盘围岩可能发生失稳。 3. 6方案比较 通过模拟分析， 对间隔抽采法方案和堆坝法方 案回收矿柱后的应力、 位移进行比较分析， 同时， 为 了保证上盘围岩的稳定， 对上盘围岩的应力、 位移也 进行了模拟分析。模拟结果显示， 间隔抽采法可以 有效地限制保留的间柱或上盘围岩向采空区过度岩 移。应用间柱全采与间隔间柱控制爆破堆坝法支撑 顶板， 不仅施工繁琐， 而且不安全。采用控制爆破 堆石筑坝支撑的深部及间柱位移较间隔间柱开采 的更大， 而且2 320 m中段、 2 280 m中段矿柱回采都 会引起矿柱、 上盘围岩失稳。综上所述， 建议采用 间隔间柱抽采法及下盘药室上盘深孔削壁爆破法 回收2 280 m中段以上的矿柱。 4结论 （1） 由于七角井铁矿铁矿体的上盘矾矿体的存 在， 在回收 2 280 m中段以上矿柱时， 需要考虑矿柱 回收后对上盘矾矿体的安全影响， 采用间柱全采与 间隔间柱控制爆破堆坝法回收方案不能有效控制上 盘围岩的应力和位移， 无法确保矿柱回收后上盘矾 矿体的回采安全。 （2） 采用间隔抽采法方案能够有效控制上盘围 岩的应力、 位移增长， 但应注意， 回收间柱及两侧顶 柱后， 需立即采用硐室深孔爆破处理采空区， 然后 再继续类似间隔后退回采， 否则会引起矿柱和上盘 失稳。 （3） 为了保证矿柱回收过程中出矿安全， 应采用 微差爆破技术同时爆破顶、 间柱， 避免发生顶板跨度 过大导致冒落。 参 考 文 献 李俊平， 张浩， 张柏春， 等.急倾斜矿体空场法开采的矿柱回收 与卸压开采效果数值分析 ［J］ .安全与环境学报， 2018， 18 （1） 101-106. Li Junping， Zhang Hao， Zhang Baichun， et al. 3-D simulation anal- ysis for the pillar and pressure relief effects in the empty field sharp-inclining mining structure ［J］ . Journal of Safety and Environ- ment， 2018， 18 （1） 101-106. 黄浩辉.大团山矿床盘区矿柱回采技术研究 ［J］ .中国矿山工程， 2017， 46 （3） 20-23. Huang Haohui. Research of panel pillar stoping in Datuanshan de- posit ［J］ .China Mine Engineering， 2017， 46 （3） 20-23. 叶光祥， 王柳， 张树标， 等.复杂空区群条件下矿柱安全回收技 术研究 ［J］ .金属矿山， 2017 （6） 61-65. Ye Guangxiang，Wang Liu，Zhang Shubiao， et al. Study on the 2019年第6期 ［1］ ［2］ ［3］ 刘文胜等 七角井矿柱回收方案及对相邻矾矿体的安全影响分析 55 ChaoXing ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ safe recovery technique of pillars of complicated multi-layer goafs ［J］ .Metal Mine， 2017 （6） 61-65. 党建东.控制爆破堆坝回收矿柱研究及实践 ［J］ .矿业研究与开 发， 2015， 35 （8） 23-26. Dang Jiandong. Study and application on pillars recovery by con- structing dam with controlled blasting ［J］ .Mining Research and De- velopment， 2015， 35 （8） 23-26. 赵奎， 万林海， 饶运章.基于声波测试的矿柱稳定性模糊推理 系统及其应用 ［J］ .岩石力学与工程学报） ， 2004， 23 （11）1804- 1809. Zhao Kui，，Wan Linhai，，Rao Yunzhang.Fuzzy reasoning system of pillar stability based on sonic wave measurement and its application ［J］ .Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，，2004，， 23 （11） . 1804-1809. 吴爱祥， 胡华， 黄仁东， 等.缓倾斜薄矿体连续开采的采场稳定 性数值模拟 ［J］ .中南工业大学学报 自然科学版， 1999， 30 （5） 457-459. Wu Aixiang， Hu Hua， Huang Rendong， et al. The research on sta- bility of continuous mining stope of flat thin lode by numerical sim- ulation ［J］ .Journal of Central South University Science and Tech- nology， 1999， 30 （5） 457-459. 李俊平， 寇坤， 刘武团.七角井铁矿矿柱回收与采空区处理方 案研究 ［J］ .东北大学学报 自然科学版， 2013， 34 （S1） 137-143 Li Junping，Kou Kun，Liu Wutuan. s of extracting pillars and disposing abandoned-stope in Qijiaojing Iron Mine ［J］ . Journal of Northeastern University Natural Science， 2013， 34 （S1） 137- 143. 贺小庆.矿柱抽采与采空区综合治理技术研究 ［J］ .矿业研究与 开发， 2016， 36 （11） 12-17. He Xiaoqing. Research on pillar extraction and goaf treatment ［J］ . Mining Research and Development， 2016， 36 （11） 12-17. 郭生茂， 刘涛， 陈小平， 等.白山泉铁矿残留矿柱回收技术及空 区处理 ［J］ .有色金属 矿山部分， 2014， 66 （6） 18-20. Guo Shengmao，Liu Tao，Chen Xiaoping，et al. Residual recovery technology and mined-out area processing of Baishanquan iron mine ［J］ . Nonferrous Metals Mining Section， 2014， 66 （6） 18-20. （责任编辑石海林） 金属矿山2019年第6期总第516期 56 ChaoXing