冬瓜山铜矿60#线以北高大采场联合回采方案研究

谢经鹏 孟稳权 郑攻关 汪令辉 潘 敏

（1.安徽铜冠产业技术研究院有限责任公司；2.铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿）

冬瓜山矿体划分多个盘区，盘区内划分宽度均为18 m的矿房矿柱采场，一步骤采场长度82 m，二步骤采场长度78 m，采场高度为矿体厚度。冬瓜山矿体60#线以南矿体厚度小，采场高度低，回采后采空区稳定性较好，垮落现象少；60#线以北采场高度大，最大超过120 m，由于矿岩性质、地质及采场高度等因素变化，部分一步骤采场垮落严重，致使二步骤采场回采难度增加，采场损失率提高；充填体稳定性控制难度增加，凸出的充填体极易被破坏垮入二步骤采场，采场贫化率增加。如何安全高效回采二步骤垮落采场，对于矿山稳产、提高矿山经济效益具有重要作用。

1 60#线以北高大采场垮落现状及原因

1.1 垮落现状

60#线以北采场在地质条件、高应力、采场高度等因素影响下，部分采场垮落严重。以60#线采场为例，包括60-1#～60-28#采场，采用“隔三采一”回采顺序，在一步骤采场回采过程中，部分一步骤采场垮落明显：60-8#采场向60-9#采场垮落最大厚度为16.2 m，60-12#采场向60-11#采场垮落最大厚度为15.6 m，60-24#采场向60-11#采场垮落最大厚度为8.0 m。

1.2 原因分析

（1）采场高度。60#线以北采场高度大，采空区的侧向暴露面积增加，矿柱的高宽比提高，采空区的稳定性降低［1］。根据对冬瓜山56#～58#线采场高度的统计，60#线以北采场的平均高度要高于56#线和58#线采场。根据矿柱强度公式，矿柱的强度和宽高比成正比［2］，随着矿山采场高度增加，矿柱宽度不变，宽高比不断减小，矿柱强度不断降低。

（2）地质因素。60#线以北和60#线以南，地质方面的差异主要体现为：①断裂破碎带分布范围广；②褶曲构造突出。60#线以北断裂构造主要有不同时期形成的近EW向、SN向、NNE向等3组断裂带，这些断裂构造相互叠加复合，形成矿区“网格状”构造特征。60#线以北褶曲构造明显，该构造矿岩存储了较大的能量［3］，当采场回采至该区域时，能量释放，矿岩稳定差。

（3）地应力集中。冬瓜山矿床矿体埋藏深，高应力问题突出［4-5］，46#～58#线一步骤和二步骤采场基本已经回采完毕，三步骤正在逐步回采，受到地压转移效应［4］的影响，60#线以北采场的地应力越加集中。

2 联合回采方案数值模拟研究

冬瓜山矿床部分一步骤采场垮落严重，二步骤采场中间厚度小，临近一步骤充填体凸出，极易被破坏垮落，二步骤采场回采难度大。为降低二步骤垮落采场的回采损失率，本研究提出了“隔三采一”顺序下，中间的一步骤采场和垮落的二步骤采场联合回采方案。冬瓜山矿段在“隔三采一”回采顺序下，采空区垮落主要包括：①“隔三采一”顺序下，2个一步骤采场均垮落严重，例如60-8#、60-12#采场；②“隔三采一”顺序下，一个采场未发生明显垮落，一个采场垮落严重，例如62-2#、62-6#采场。针对采空区垮落形式，本研究提出了3个采场联合回采方案及2个采场联合回采方案。

采用联合方案回采时，三步骤隔离矿柱一侧的采空区暴露面积大幅度增加，穿脉巷道位于隔离矿柱，穿脉巷道是矿山生产系统的主要通道，隔离矿柱的稳定性影响了矿山的生产系统［5］，是本研究分析的重点；采空区顶板以及充填体的稳定性也是需要重点研究的内容之一。

2.1 物理力学参数取值及模型构建

对矿岩及原岩物理力学参数折减处理后，取值见表1。根据60#采场实际尺寸，构建了60-2#～60-28#采场三维模型，如图1所示。模拟计算过程中采场回采顺序根据矿山实际回采顺序回采，并对联合回采方案进行研究，分析联合回采方案对隔离矿柱、顶板及充填体稳定性的影响。

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2.2 3个采场联合回采方案数值模拟研究

以60-9#、60-10#及60-11#采场联合回采为例，3个联合回采采场划分①、②2个单元；回采顺序为回采①单元，充填①单元；回采②单元，充填②单元（图2）。

冬瓜山一步骤采场和二步骤采场开挖后，隔离矿柱及顶板均较稳定，为进一步对比分析联合回采采场回采后的应力及位移变化规律，选择与正常的一步骤采场和二步骤采场进行对比分析，结果见表2。

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由表2可知：3个采场联合回采划分2个回采单元回采，与正常的二步骤采场相比，采空区两侧的充填体位移增幅不大，对充填体的稳定性影响较小；隔离矿柱的位移量增加明显，隔离矿柱的稳定性变差；一步骤和二步骤回采中，隔离矿柱不受拉应力作用，在采用联合回采方案后，隔离矿柱的最大拉应力为1.18 MPa，岩体抗拉强度很小，尤其对于节理裂隙发育的矿体，抗拉强度更低，因此隔离矿柱受到较大范围的拉应力作用不利于隔离矿柱的稳定。

综上分析可知，3个采场联合回采时，不同的方案均对隔离矿柱的稳定性有较大的影响，建议不考虑连续3个采场联合回采。若考虑3个采场联合回采（例如60-9#、60-10#、60-11#采场），需采取措施加强对隔离矿柱的保护。

2.3 2个采场联合回采方案数值模拟研究

以62-4#及62-5#采场联合回采为例，62-3#采场单独回采。联合回采采场划分①、②2个单元；回采顺序为回采①单元，充填①单元；回采②单元，充填②单元，如图3所示。

2个采场联合回采的数值模拟计算结果对比见表3。由表3可知：2个采场联合回采后，采空区一侧充填体的最大位移量与正常回采的二步骤位移量一致，该方案对一侧的充填体稳定性影响不大；隔离矿柱一侧的最大位移量与二步骤回采后的最大位移量相比，降低了0.3 cm；另外，隔离矿柱一侧不再受到拉应力作用，隔离矿柱一侧的矿岩稳定性好；顶板的最大位移低于二步骤顶板的位移量，顶板稳定性较好。

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综上分析可知：2个采场联合回采时，采空区稳定性较好，建议在“隔三采一”顺序下，其中一个采空区垮落严重、另一个未发生明显垮落的采场，可积极应用2个采场联合回采方案。

3 联合回采方案应用效果

3.1 3个采场联合回采方案

根据上述分析，60-9#、60-10#及60-11#采场联合回采时，对隔离矿柱的稳定性影响大，为此提出了通过预留矿柱的措施保护隔离矿柱，预留的矿柱作为三步骤回采，一步骤预留厚度为2 m，二步骤预留厚度为4 m。3个采场联合回采采场①单元矿石量32.2万t，平均品位1.25%，回采后进行采空区三维扫描，扫描结果和设计边界对比如图4所示。由图4可知：60-8#采场的充填体垮落厚度小，其余采空区边界基本与采场设计边界重合；采空区顶板基本和矿体上边界重合，爆破控制效果较理想；隔离矿柱一侧未发生明显垮落，采空区边界基本与设计边界重合。通过相关计算可知，采场损失率为9.6%，贫化率为1.9%。

3.2 2个采场联合回采方案

62-4#、62-5#联合采场①单元矿石量20.5万t，平均品位1.04%，回采后对其进行采空区三维扫描，扫描结果如图5所示。由图5可知：62-6#采场一侧充填体垮落较小，62-6#采空区边界基本与62-4#、62-5#联合采场的采空区边界重合；顶板部分垮落，垮落厚度约7 m，主要集中在预留的“L”形顶板处，该类型顶板，受拉作用明显，岩体受拉极易被破坏。隔离矿柱一侧完整性较好，基本与采场控制边界重合。通过相关计算可知，采场损失率为12.5%，贫化率为3.2%。

4 结语

针对冬瓜山铜矿60#线以北大高采场一步骤高大

采场垮落严重、二步骤采场如何安全高效回采的问题，提出了联合回采方案，并对方案进行了论证。研究表明：3个采场联合回采时，对隔离矿柱的稳定性有较大影响，建议尽量不考虑连续3个采场联合回采；若考虑该方案，需采取措施加强对隔离矿柱的保护。2个采场联合回采时，采空区稳定性较好。通过工业应用，联合回采方案取得了理想效果，采场损失率、贫化率明显降低。