王立君,馬印禹,徐東,張虎,彭康,李元輝

摘要：柴胡欄子金礦上部礦床采用淺孔留礦采礦法開(kāi)采過(guò)程中存在的大量間柱和頂?shù)字鶜埖V，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為了進(jìn)一步提高殘礦資源利用率，結(jié)合礦山開(kāi)采技術(shù)條件，提出4種殘礦資源整體開(kāi)采技術(shù)方案，并基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬模型，其尺寸走向方向420 m，豎直方向616 m，高160 m；圍巖寬50 m，得到不同方案的礦柱回收率、位移場(chǎng)和地表沉降規(guī)律。通過(guò)對(duì)比分析，最終確定最優(yōu)回采技術(shù)方案為橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案。研究結(jié)果表明：在實(shí)際生產(chǎn)中，采用該方案回收非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源可以在安全開(kāi)采的情況下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

關(guān)鍵詞：非膠結(jié)廢巖充填體；殘礦資源回收；數(shù)值模擬；回采方案；橫豎條狀均勻支撐礦柱

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853.34文章編號(hào)：1001-1277（2023）05-0016-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230505

引言

隨著人類(lèi)社會(huì)的不斷發(fā)展，有色金屬資源需求量與消耗量不斷增大，中國(guó)大部分露天礦山資源已經(jīng)枯竭［1-2］，淺部礦山資源也接近枯竭。隨著探明礦體的增大，地下礦山的開(kāi)采深度也快速增加［3-6］，礦山開(kāi)采成本也隨之不斷增加，而回收殘礦資源可以極大地減少礦石損失并提高采礦回采率。但是，由于受以往采動(dòng)的影響，殘留礦的開(kāi)采工藝條件十分復(fù)雜，如何安全高效地回收殘留礦資源，是當(dāng)前采礦技術(shù)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)［7-8］。

赤峰柴胡欄子黃金礦業(yè)有限公司（下稱“柴胡欄子金礦”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市松山區(qū)初頭朗鎮(zhèn)境內(nèi)，為了滿足社會(huì)生產(chǎn)生活的需求，礦山一方面努力提高現(xiàn)有資源的利用率，另一方面也在為新探獲資源合理開(kāi)采做準(zhǔn)備。礦山目前仍采用淺孔留礦采礦法開(kāi)采，采空區(qū)以廢石回填或以混凝土填充，開(kāi)采生產(chǎn)能力較低，且上部礦床留礦采礦法開(kāi)采過(guò)程中，非膠結(jié)廢巖充填體下存在大量間柱和頂?shù)讱堉?。由于礦山的開(kāi)挖充填活動(dòng)，破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)，地壓的轉(zhuǎn)移已造成部分頂?shù)讱堉扑?。隨著礦床開(kāi)采深部不斷增加，上部的殘礦資源變形將日益增大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下間柱和頂?shù)讱堉V石量38.9萬(wàn)t，平均礦石品位2.89 g/t，該部分礦石價(jià)值高達(dá)3.82億元。若及時(shí)進(jìn)行回收，仍可在較安全的情況下最大程度地回收該部分礦體，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

數(shù)值模擬是用電子計(jì)算機(jī)作為工具，用數(shù)字計(jì)算、圖像展示等方式，來(lái)研究工程、物理、甚至是自然界中的各種問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)巖土工程的眾多問(wèn)題進(jìn)行了研究。周科平等［9］利用3DMine、midas/gts、Flac3D軟件耦合，對(duì)殘采方案的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，提高了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。姜立春等［10］運(yùn)用梁理論和Flac3D軟件，結(jié)合容許極限位移量破壞理論研究采場(chǎng)頂板的穩(wěn)定性，對(duì)比梁理論和數(shù)值模擬分析結(jié)果的異同，對(duì)模型穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。鄧紅衛(wèi)等［11］采用Flac3D軟件對(duì)殘礦回收過(guò)程中礦柱的水平位移和最小主應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析。

ABAQUS是一種有限元分析軟件，具有強(qiáng)大的分析功能，該軟件不僅能處理簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題，對(duì)于高度復(fù)雜的非線性問(wèn)題更是有著顯著的優(yōu)勢(shì)［12］。本文針對(duì)柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下間柱和頂?shù)讱堉_(kāi)采技術(shù)條件，提出4種非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源安全回采技術(shù)方案，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，通過(guò)對(duì)位移場(chǎng)、地表沉降及回收率的分析，開(kāi)發(fā)出安全、高效、低成本的間柱和頂?shù)讱堉厥辗桨?，?yōu)化整體殘礦回收模式，研發(fā)殘礦資源最大化開(kāi)采的回收方案。

1 殘礦回采模擬方案設(shè)計(jì)

針對(duì)非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦開(kāi)采條件，提出4種礦柱回采方案。

2023年第5期/第44卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃金方案一：階梯支撐礦柱回采方案，該方案基本回收全部間柱，留頂?shù)字孰A梯狀，見(jiàn)圖1。此方案礦柱回收率75.30 %。

方案一礦柱回收示意圖方案二：“Z”字形與條狀支撐礦柱回采方案，該方案留部分礦柱呈“Z”字形與豎條狀，其余礦柱全部回采，見(jiàn)圖2。此方案礦柱回收率76.05 %。

方案二礦柱回收示意圖方案三：“L”形支撐礦柱回采方案，該方案將殘余礦柱留成均勻的“L”形礦柱（見(jiàn)圖3），支撐上下盤(pán)圍巖，其余礦柱全部回采。此方案礦柱回收率76.79 %。

方案三礦柱回收示意圖方案四：橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案，該方案留零星的均勻橫條與豎條狀礦柱（見(jiàn)圖4），其余礦柱全部回采。此方案礦柱回收率76.05 %。

2數(shù)值模擬材料及參數(shù)

2.1計(jì)算模型

模型范圍：沿礦體走向方向長(zhǎng)420 m，豎直方向地表左側(cè)取342 m，右側(cè)取274 m，其中，礦體范圍沿三中段至六中段，高度為160 m；圍巖寬度50 m，礦房部分均已開(kāi)采完畢，按廢石充填處理。沿礦體走向?yàn)閤方向，豎直方向?yàn)閥方向。

模型采用平面應(yīng)變有限元分析，計(jì)算模型包括3個(gè)部分，按照材料特征分為圍巖、礦體和廢石充填體，整體模型見(jiàn)圖5。模型在兩側(cè)和底部施加約束，礦體頂部施加均勻頂部荷載，整個(gè)模型施加重力荷載。

2.2材料參數(shù)

模型力學(xué)參數(shù)根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際情況，采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3數(shù)值模擬

本次模擬旨在模擬I-4號(hào)礦脈二中段以下整個(gè)殘留礦柱回收總體方案，并比較不同可行性回采方案的優(yōu)劣。

本次模擬采用3個(gè)分析步：第一步，施加頂部均勻荷載和重力荷載以模擬原始地應(yīng)力。第二步，移除一步采礦房單元，模擬礦房開(kāi)挖回采，并進(jìn)行充填處理。第三步，移除二步采礦柱單元，模擬礦柱回收過(guò)程。通過(guò)分析不同方案的位移場(chǎng)、地表沉降及礦柱回收率，確定柴胡欄子金礦非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源安全回采技術(shù)方案。

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1位移場(chǎng)

礦柱回采前后，礦體整體模型的水平和垂直位移變化云圖見(jiàn)圖6。

由圖6可知：方案一所留階梯狀礦柱，整體結(jié)構(gòu)較好，位移較均勻，由于起始礦柱處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)殘柱開(kāi)采后，此處受壓沉降，最大位移發(fā)生在中間，最大垂直位移為30.96 cm。方案二所留礦柱不均勻，有部分礦柱直接與下部圍巖發(fā)生接觸，此處位移回彈較小，此外間柱的存在導(dǎo)致位移回彈不均布，位移最大還是發(fā)生在中部區(qū)域，最大垂直位移為19.48 cm。方案三所留“L”形礦柱，整體性較差，位移變形顯著區(qū)域大，也有位移回彈現(xiàn)象出現(xiàn)，最大垂直位移為17.41 cm，發(fā)生在四中段右部頂柱上；方案四條帶支撐結(jié)構(gòu)，由于本身結(jié)構(gòu)離散，位移等值線區(qū)域大，最大垂直位移發(fā)生在回采后的礦柱處，最大位移為18.13 cm。

4個(gè)非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源開(kāi)采數(shù)值模擬的水平和垂直位移變化云圖表明，地應(yīng)力平衡效果較好。在位移狀態(tài)分析中，頂板的垂直位移對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響要比水平位移重要。因?yàn)榇怪蔽灰七^(guò)大將導(dǎo)致頂板斷裂、冒落甚至地表沉陷。相比各方案，方案一、二和四位移均勻，支撐結(jié)構(gòu)整體支撐協(xié)調(diào)較好，其他方案礦柱離散，高位移區(qū)域較大。方案一最大水平位移為9.084 cm，最大垂直位移為30.96 cm；方案二最大水平位移為8.44 cm，最大垂直位移為19.48 cm；相比之下，方案四稍優(yōu)。

3.2地表沉降

下沉曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)下沉的分布規(guī)律，設(shè)主斷面方向?yàn)閤軸，下沉位移為y軸，地表移動(dòng)盆地主斷面的下沉曲線見(jiàn)圖7。

對(duì)各方案垂直礦體走向沉降點(diǎn)分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：

1）方案一，y=-2.491×10-18x7+3.643×10-15x6-2.046×10-12x5+5.338×10-10x4-5.773×10-8x3+9.146×10-7x2-3.270×10-5x-0.079 59，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

2）方案二，y=-2.386×10-18x7+3.450×10-15x6-1.907×10-12x5+4.866×10-10x4-5.100×10-8x3+7.008×10-7x2-2.003×10-5x-0.074 51，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

3）方案三，y=-2.486×10-18x7+3.638×10-15x6-2.042×10-12x5+5.303×10-10x4-5.660×10-8x3+7.974×10-7x2-2.647×10-5x-0.078 86，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

4）方案四，y=-2.723×10-18x7+4.003×10-15x6-2.256×10-12x5+5.911×10-10x4-6.518×10-8x3+1.415×10-6x2-3.852×10-5x-0.078 28，擬合系數(shù)為0.999 5，擬合度較好。

方案一最小地表沉降位移為7.82 cm，最大沉降位移為11.10 cm；方案二最小地表沉降位移為7.36 cm，最大沉降位移為9.80 cm；方案三最小地表沉降位移為7.80 cm，最大沉降位移為10.75 cm;方案四最小地表沉降位移為8.55 cm，最大沉降位移為10.55 cm。

4結(jié)論

1） 4種非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源開(kāi)采方案回采的地應(yīng)力平衡效果較好。在位移狀態(tài)分析中，頂板的垂直位移對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響要比水平位移重要。相比各方案，方案一、二和四位移均勻，應(yīng)力整體分布較均勻，支撐結(jié)構(gòu)整體支撐協(xié)調(diào)較好，其他方案礦柱離散，高位移區(qū)域較大。比較4個(gè)方案的位移可知，方案四稍優(yōu)。

2）方案一最小地表沉降位移為7.82 cm，最大沉降位移為11.10 cm；方案二最小地表沉降位移為7.36 cm，最大沉降位移為9.80 cm；方案三最小地表沉降位移為7.80 cm，最大沉降位移為10.75 cm;方案四最小地表沉降位移為8.55 cm，最大沉降位移為10.55 cm。

3）選取最大位移、地表沉降和礦柱回收率作為指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，方案優(yōu)劣順序?yàn)榉桨杆?方案二>方案三>方案一。方案四，橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案在柴胡欄子金礦殘礦資源開(kāi)采中，從最大位移、礦柱回收率、塑性區(qū)大小3個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)中占有優(yōu)勢(shì)。因此，柴胡欄子金礦采用橫豎條狀均勻支撐礦柱回采方案回收非膠結(jié)廢巖充填體下殘礦資源。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］古德生，李夕兵.有色金屬深井采礦研究現(xiàn)狀與科學(xué)前沿［C］∥中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì).中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第5屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，2003：1-5.

［2］黃麟淇，陳江湛，周健，等.未來(lái)有色金屬采礦可持續(xù)發(fā)展實(shí)踐與思考［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2021，31（11）：3 436-3 449.

［3］PENG K，LIU Z M，ZHANG Y L，et al.Determination of isolation layer thickness for undersea mine based on differential cubature solution to irregular Mindlin plate［J］.Journal of Central South University，2017，24（3）：708-719.

［4］PENG K，YIN X Y，YIN G Z，et al.Galerkin solution of Winkler foundation-based irregular Kirchhoff plate model and its application in crown pillar optimization［J］.Journal of Central South University，2016，23（5）：1 253-1 263.

［5］彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（8）：2 417- 2 422.

［6］彭康，李夕兵，彭述權(quán)，等.海底下框架式分層充填法開(kāi)采中礦巖穩(wěn)定性分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（1）：3 452-3 458.

［7］楊曉東，陳宗靈，趙振鵬，等.基于3DEC的柴胡欄子金礦全面采礦法殘留礦柱穩(wěn)定性分析［J］.黃金，2019，40（4）：29-34.

［8］谷新建，胡磊，彭文慶，等.老窿殘礦開(kāi)采技術(shù)及安全管理措施［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18（1）：150-153.

［9］周科平，杜相會(huì).基于3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合的殘礦回采穩(wěn)定性研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21（5）：17-22.

［10］姜立春，趙東利.典型殘礦回采結(jié)構(gòu)模型及穩(wěn)定性分析［J］.金屬礦山，2014（7）：7-11.

［11］鄧紅衛(wèi)，郭旺，周科平，等.基于FLAC3D穩(wěn)定性分析的殘礦回采方案研究［J］.金屬礦山，2011（12）：18-21.

［12］朱向榮，王金昌.ABAQUS軟件中部分土模型簡(jiǎn)介及其工程應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2004（增刊2）：144-148.

Technical optimization of the safe extraction of residual ore resources under

a non-cemented waste rock filling body in Chifeng Chaihulanzi Gold MineWang Lijun1，Ma Yinyu1，Xu Dong1，Zhang Hu1，Peng Kang2，Li Yuanhui3

（1.Chifeng Chaihulanzi Gold Mining Co.，Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University;

3.School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University）

Abstract：A large number of residual ores in the intermediate pillars，crown，and sill pillars left by the shrinkage mining process adopted in the upper deposit of Chaihulanzi Gold Mine are highly economically valuable.To further improve the utilization rate of residual ore resources，this paper based on the existing scheme of the mine proposes 4 overall mining technology schemes for residual ore resources.Based on ABAQUS numerical simulation software，the corresponding numerical simulation model is established.The size striking direction extends 420 m，the vertical direction 616 m，and the height 160 m;the width of the surrounding rock is 50 m.The recovery rate，displacement field，and surface subsidence of different schemes were obtained，and the optimal technical extraction scheme was finally determined to be the horizontal and vertical striped evenly supported ore pillar extraction scheme through comparative analysis.The results show that in actual production，the scheme can maximize the economic benefits under the condition of safe mining while recovering the residual mineral resources under the non-cemented waste rock filling body.

Keywords：non-cemented waste rock filling body;residual mineral resource recovery;numerical simulation;extraction scheme;horizontal and vertical striped evenly supported ore pillar