安徽姑山露天采場開采掛幫礦三步驟回采方案設(shè)計(jì)

楊 劍 楊家冕 尹 裕 劉允秋

(1.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司桃沖礦業(yè)公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

姑山掛幫礦三步驟回采對象為盤區(qū)穿脈，是一步驟回采和二步驟回的聯(lián)絡(luò)道，是盤區(qū)最后回采部分，等同于礦柱回收，礦體遭受了一步回采和二步驟回采的連續(xù)破壞，回采難度加大。姑山露天采場掛幫礦東北部1#、2#穿脈礦體位于-130～-100 m水平，高度30 m，長度為70～110 m，與其相連的礦房類似，按已有工程，可劃分為-130，-120，-110 m 3個(gè)分段。二步驟回采已經(jīng)充填完畢，已經(jīng)具備了回采條件。三步驟回采礦體主要為一步驟回采、二步驟回采充填后各穿脈縱向未回收的礦體，以一個(gè)完整的中段為例，穿脈上部有約6.5 m高、10 m寬、與穿脈同長的礦石，加之穿脈兩幫礦石，構(gòu)成了1個(gè)中段三步驟回采的礦量。

姑山掛幫礦礦體底板為輝長閃長巖，頂板主要為輝長閃長巖，部分為黃馬青組、周沖村組及大王山組、云合組砂頁巖、碳酸鹽巖、火山碎屑巖等。礦體頂?shù)装鍘r性多屬半堅(jiān)硬—松軟巖類，穩(wěn)固性差，裂隙、節(jié)理發(fā)育。據(jù)采場現(xiàn)場調(diào)查，由于礦區(qū)常年疏干，地下水位逐年下降，第四系砂卵礫石層因失水變得更加松散，局部坍塌、滑落現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。此外，高嶺土化輝長閃長巖浸水后成泥狀，脫水后則成土狀，極易發(fā)生滑動和坍塌?？傮w上，采場工程地質(zhì)條件復(fù)雜。為有效回收姑山露天采場掛幫礦資源，本研究對相應(yīng)的三步驟回采技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)選。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 模型構(gòu)建及參數(shù)確定

本研究結(jié)合姑山采場掛幫礦的工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及擬用采礦方法的特點(diǎn)，為完全模擬開采過程、頂板圍巖受采動影響的過程、各采礦方法開采過程中采場的穩(wěn)定性以及采場充填后的圍巖應(yīng)力變化[1-3]，以-130 m中段為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同采場參數(shù)及回采工藝情況下采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析。三步驟回采數(shù)值模擬計(jì)算模型見圖1。

圖1 三步驟回采數(shù)值模擬計(jì)算模型

根據(jù)姑山露天采場掛幫礦的工程地質(zhì)特征、室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計(jì)算要求，經(jīng)歸類及工程處理后，設(shè)計(jì)了4種力學(xué)介質(zhì)，即上盤巖體、礦體、下盤巖體和充填體[4-5]。4種力學(xué)介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 各種力學(xué)介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)

1.2 模擬分析

本研究數(shù)值模擬方案：方案一，間柱全部回采，礦房尺寸為60 m×10 m×18 m(長×寬×高)，回采完畢后進(jìn)行充填；方案二，間柱部分回采，兩幫各留厚約3 m的礦體，礦房回采尺寸為60 m×4 m×18 m(長×寬×高)，回采完畢后進(jìn)行充填。2種方案的數(shù)值模擬結(jié)果見圖2、圖3。

結(jié)合圖2、圖3，得到了采場最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、頂板位移以及塑性變形體積等數(shù)據(jù)，見表2。

圖2 2種方案回采過程中的最大主應(yīng)力分布

圖3 2種方案回采過程中的位移分布

表2 采場數(shù)值模擬分析數(shù)據(jù)

三步驟回采模擬計(jì)算過程中，由于方案一采場兩側(cè)均為充填體，在礦房回采后，采場及周圍充填體發(fā)生了大范圍失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象，故而該方案不可行。需要指出的是，方案二在礦房回采過程中頂板易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板最大壓應(yīng)力為20.26 MPa，小于礦體抗壓強(qiáng)度，但回采過程中需要密切關(guān)注頂板變化情況，并采取相應(yīng)措施。

2 三步驟回采技術(shù)方案

2.1 回采方案

本研究選擇方案二進(jìn)行回采，即聯(lián)巷兩幫各留厚約3 m的礦柱，礦房回采尺寸為60 m×4 m×18 m(長×寬×高)，回采完畢后進(jìn)行充填。

2.2 回采順序

垂直方向上，采場東北部1#、2#穿脈的礦體回采高度為30 m，垂直方向回采順序可以由上往下，也可以由下往上進(jìn)行，不同回采順序的特點(diǎn)對比見表3。分析表3可知：本研究選擇自上而下的回采順序。

表3 回采順序特點(diǎn)對比

水平方向上，平面上每個(gè)分段按24 m長度劃分，由內(nèi)向外依次回采和充填。1#、2#穿脈按長度80 m考慮，每條穿脈分3～4次回采。

2.3 回采工藝

(1)鑿巖爆破。采用淺孔鑿巖方式，沿著礦柱往上挑頂，盡可能保證礦柱的垂直度，每次鑿巖前須清理礦房頂板和兩側(cè)頂板浮石。按原有爆破方式爆破落礦。

(2)出礦及充填。采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，落礦完畢后盡快出完礦房內(nèi)的崩落礦石。礦房出礦完畢后應(yīng)盡早充填，充填強(qiáng)度與二步驟回采礦房充填方法相同。

(3)支護(hù)。①錨桿支護(hù)，在穿脈頂板和側(cè)幫礦柱鋼筋網(wǎng)與頂板脫層分離處補(bǔ)打錨桿，將鋼筋網(wǎng)緊貼于頂板，支護(hù)網(wǎng)度為1.0 m×1.0 m～0.8 m×0.8 m，-110，-100，-82 m分段水平在礦房長度方向上補(bǔ)打1排長錨索，錨索間距為3 m，錨索長度為5 m；②噴漿，補(bǔ)打錨桿完畢后，進(jìn)行頂板全噴漿，噴漿厚度為50～100 mm。

(4)安全要求。每個(gè)中段礦石回采完畢后對礦體上盤揭露的圍巖面進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，與頂板形成下部采礦的預(yù)控頂；對回采過的間柱進(jìn)行浮石檢撬，消除倒掛現(xiàn)象，并進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)或錨網(wǎng)噴支護(hù)。

3 結(jié) 語

根據(jù)姑山露天采場掛幫礦開采技術(shù)條件及現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了適用于該礦三步驟回采的技術(shù)方案，通過數(shù)值模擬分析，優(yōu)選出了最適宜的開采方案，安全高效回收了采場東北部的1#、2#穿脈聯(lián)巷的礦體，回收率達(dá)到60%，貧化率為8%，共采出三步驟礦房礦石47.86萬t，提高了礦石回采率，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可供類似礦山借鑒。