冬瓜山铜矿隔离矿柱开采方法及稳定性分析

汪洪涛 隋少飞

(铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿)

冬瓜山铜矿是我国深井开采的代表矿山之一，矿区矿体厚大且围岩稳固，开采过程中出现岩爆等现象。针对矿区的开采条件，采用预留隔离矿柱的分矿房矿柱阶段空场法嗣后充填法开采［1-7］，矿房胶结充填，矿柱非胶结充填，待矿房和矿柱回采完后再回采隔离矿柱。随着资源的进一步消耗，隔离矿柱成为开采对象;但是开采隔离矿柱时，由于开采深度达1 000 m左右，地压现象凸显，开拓巷道掘进时出现冒顶片帮现象及岩石压裂的声音。鉴于此，研究采用何种开采方法实现安全高效地回采隔离矿柱及确定其相应的结构参数成为必要。

1 冬瓜山铜矿开采技术条件

冬瓜山矿区是我国开采深度达1 000 m以上的铜矿床，储量达9 546万t。50#～58#勘探线内矿体范围为首采区，本矿段走向上长度为400 m，宽平均为380 m，真厚度为38.1 m，矿体厚度大于50 m时采用隔2～3个盘区回采1个盘区的方式，中厚矿体开采为隔1个盘区回采1个盘区，矿房先开采，再采矿柱，矿房胶结充填，矿柱非胶结充填，预留隔离矿柱的分矿房矿柱阶段空场法嗣后充填(见图1)。第三盘区为垂直走向划分采场，采场分矿房矿柱，矿房、矿柱长82 m，宽为18 m。预留盘区间隔离矿柱的长度是矿体的宽度，大概为350～420 m，宽度18 m。

图1 预留隔离矿柱的分矿房矿柱阶段空场嗣后充填法

2 隔离矿柱开采方法选择

2.1 隔离矿柱开采方法选择依据

隔离矿柱开采方案的选择要考虑的因素很多，包含安全程度、回收率、贫化率、开采成本等。综合各种开采技术条件，总结出冬瓜山矿隔离矿柱的开采方案选择应遵循下面几点:①开采结构参数的合理性;②开采能力的大小，开采效率的高低;③爆炸冲击力的大小，对高阶段充填体的破坏程度;④贫化损失率的范围，开采效益的高低;⑤地压控制与管理难易程度。

2.2 采矿方法

隔离矿柱宽度为18 m，长度为矿体水平厚度，大概在300～420 m，两侧为高阶段胶结尾砂充填体。为了发挥冬瓜山铜矿无轨大型深孔凿岩设备的优点，提升开采效率，保护环境及控制地压，规定隔离矿柱用大直径深孔嗣后充填法开采，多个采场同时开采，嗣后一次全尾胶结填充采空区，隔离矿柱开采方法如图2所示。

2.3 采切工程

采切工程尽量利用以前布置在隔离矿柱里的采准工程，凿岩硐室采用以前的采准工程内的上部采准平巷、联络道，凿岩硐室内留部分矿柱支撑硐室顶板。出矿进路利用以前隔离矿柱里的穿脉，采用V形堑沟集矿，施工V形堑沟的中深孔炮孔排距为1.8～2 m。

图2 大直径深孔嗣后充填法方案

2.4 回采作业

采用T－150潜孔钻机钻凿下向深孔，炮孔直径为165 mm，炮排距×孔间距为3 m×3 m，边孔参数为2 m×2 m，每次崩矿长度是8 m左右。采用V型堑沟集矿，经振动放矿机落矿至矿车，然后到主溜井。回采完采用全尾胶结充填。

3 采场结构参数优化

3.1 回采作业

根据冬瓜山铜矿隔离矿柱深井开采技术条件，选择3种采场结构参数进行优化选择:方案一为采场宽14 m，长32 m，永久矿柱厚4 m;方案二为采场宽14 m，长28 m，永久矿柱厚4 m;方案三为采场宽12 m，长30 m，永久矿柱厚5 m。

3.2 数值计算与结果分析

采用MIDAS/GTS建模，然后导入FLAC3D进行数值计算，在计算结果内剖选各方案54#勘探线的最大主应力、最小主应力、最大位移和塑性区计算云图，如图3～图8所示。

图3 方案一下54#勘探线内隔离矿柱最大主应力

计算结果表明:①随着采场的回采，顶板与两边矿体呈现应力集中。从最大主应力的计算结果可知，当采场长度越长，采场宽度越大时，围岩里面的最大主应力越大。采场的长度为28 m、宽度为14 m时最大主应力最小，数值是40.19 MPa;采场的长度是32 m、宽是14 m时最大主应力最大，数值是40.24 MPa。②采场永久矿柱厚度由4 m增加至5 m时，围岩拉应力值明显降低，降低到1 MPa上下。③随着回采的进行，顶板发生较大的位移，采场的长度为32 m，宽度为14 m时垂直位移最大，数值是26.3 cm，安全性最差。④当采场宽是14 m，长是32 m，永久矿柱厚度是4 m时，采场塑性区范围最大;当采场宽是14 m，长是28 m，永久矿柱厚度是4 m时，采场塑性区范围最小，此组参数被定为隔离矿柱的最终采场结构参数。

4 结论

(1)为了发挥冬瓜山铜矿无轨大型深孔凿岩设备的优点，提升开采效率，保护环境及控制地压，规定隔离矿柱用大直径深孔嗣后充填法开采，多个采场同时开采，嗣后一次全尾胶结填充采空区。

(2)通过数值计算软件模拟3种不同的采场结构参数，分析采场的稳定性。当采场宽是14 m，长是28 m，永久矿柱厚度是4 m时，最大主应力、采场塑性区范围最小，此组参数定为隔离矿柱的最终采场结构参数。

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