赤峰柴胡栏子金矿非胶结废岩充填体下残矿资源安全回采技术优化

王立君,马印禹,徐东,张虎,彭康,李元辉

摘要：柴胡栏子金矿上部矿床采用浅孔留矿采矿法开采过程中存在的大量间柱和顶底柱残矿，具有极高的经济价值，为了进一步提高残矿资源利用率，结合矿山开采技术条件，提出4种残矿资源整体开采技术方案，并基于ABAQUS数值模拟软件，建立对应的数值模拟模型，其尺寸走向方向420 m，竖直方向616 m，高160 m；围岩宽50 m，得到不同方案的矿柱回收率、位移场和地表沉降规律。通过对比分析，最终确定最优回采技术方案为横竖条状均匀支撑矿柱回采方案。研究结果表明：在实际生产中，采用该方案回收非胶结废岩充填体下残矿资源可以在安全开采的情况下实现经济效益的最大化。

关键词：非胶结废岩充填体；残矿资源回收；数值模拟；回采方案；横竖条状均匀支撑矿柱

中图分类号：TD853.34文章编号：1001-1277（2023）05-0016-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230505

引言

随着人类社会的不断发展，有色金属资源需求量与消耗量不断增大，中国大部分露天矿山资源已经枯竭［1-2］，浅部矿山资源也接近枯竭。随着探明矿体的增大，地下矿山的开采深度也快速增加［3-6］，矿山开采成本也随之不断增加，而回收残矿资源可以极大地减少矿石损失并提高采矿回采率。但是，由于受以往采动的影响，残留矿的开采工艺条件十分复杂，如何安全高效地回收残留矿资源，是当前采矿技术面临的一个巨大挑战［7-8］。

赤峰柴胡栏子黄金矿业有限公司（下称“柴胡栏子金矿”）位于内蒙古自治区赤峰市松山区初头朗镇境内，为了满足社会生产生活的需求，矿山一方面努力提高现有资源的利用率，另一方面也在为新探获资源合理开采做准备。矿山目前仍采用浅孔留矿采矿法开采，采空区以废石回填或以混凝土填充，开采生产能力较低，且上部矿床留矿采矿法开采过程中，非胶结废岩充填体下存在大量间柱和頂底残柱。由于矿山的开挖充填活动，破坏了原岩应力场，地压的转移已造成部分顶底残柱破碎。随着矿床开采深部不断增加，上部的残矿资源变形将日益增大。通过现场调查分析，柴胡栏子金矿非胶结废岩充填体下间柱和顶底残柱矿石量38.9万t，平均矿石品位2.89 g/t，该部分矿石价值高达3.82亿元。若及时进行回收，仍可在较安全的情况下最大程度地回收该部分矿体，实现经济效益最大化。

数值模拟是用电子计算机作为工具，用数字计算、图像展示等方式，来研究工程、物理、甚至是自然界中的各种问题。在此基础上，国内众多学者对岩土工程的众多问题进行了研究。周科平等［9］利用3DMine、midas/gts、Flac3D软件耦合，对残采方案的稳定性进行数值模拟研究，提高了数值模拟结果的合理性。姜立春等［10］运用梁理论和Flac3D软件，结合容许极限位移量破坏理论研究采场顶板的稳定性，对比梁理论和数值模拟分析结果的异同，对模型稳定性进行综合评价。邓红卫等［11］采用Flac3D软件对残矿回收过程中矿柱的水平位移和最小主应力进行了模拟分析。

ABAQUS是一种有限元分析软件，具有强大的分析功能，该软件不仅能处理简单的线性问题，对于高度复杂的非线性问题更是有着显著的优势［12］。本文针对柴胡栏子金矿非胶结废岩充填体下间柱和顶底残柱开采技术条件，提出4种非胶结废岩充填体下残矿资源安全回采技术方案，采用ABAQUS数值模拟软件，通过对位移场、地表沉降及回收率的分析，开发出安全、高效、低成本的间柱和顶底残柱回收方案，优化整体残矿回收模式，研发残矿资源最大化开采的回收方案。

1 残矿回采模拟方案设计

针对非胶结废岩充填体下残矿开采条件，提出4种矿柱回采方案。

2023年第5期/第44卷矿业工程矿业工程黄金方案一：阶梯支撑矿柱回采方案，该方案基本回收全部间柱，留顶底柱呈阶梯状，见图1。此方案矿柱回收率75.30 %。

方案一矿柱回收示意图方案二：“Z”字形与条状支撑矿柱回采方案，该方案留部分矿柱呈“Z”字形与竖条状，其余矿柱全部回采，见图2。此方案矿柱回收率76.05 %。

方案二矿柱回收示意图方案三：“L”形支撑矿柱回采方案，该方案将残余矿柱留成均匀的“L”形矿柱（见图3），支撑上下盘围岩，其余矿柱全部回采。此方案矿柱回收率76.79 %。

方案三矿柱回收示意图方案四：横竖条状均匀支撑矿柱回采方案，该方案留零星的均匀横条与竖条状矿柱（见图4），其余矿柱全部回采。此方案矿柱回收率76.05 %。

2数值模拟材料及参数

2.1计算模型

模型范围：沿矿体走向方向长420 m，竖直方向地表左侧取342 m，右侧取274 m，其中，矿体范围沿三中段至六中段，高度为160 m；围岩宽度50 m，矿房部分均已开采完毕，按废石充填处理。沿矿体走向为x方向，竖直方向为y方向。

模型采用平面应变有限元分析，计算模型包括3个部分，按照材料特征分为围岩、矿体和废石充填体，整体模型见图5。模型在两侧和底部施加约束，矿体顶部施加均匀顶部荷载，整个模型施加重力荷载。

2.2材料参数

模型力学参数根据过往经验与生产实际情况，采用的材料参数见表1。

2.3数值模拟

本次模拟旨在模拟I-4号矿脉二中段以下整个残留矿柱回收总体方案，并比较不同可行性回采方案的优劣。

本次模拟采用3个分析步：第一步，施加顶部均匀荷载和重力荷载以模拟原始地应力。第二步，移除一步采矿房单元，模拟矿房开挖回采，并进行充填处理。第三步，移除二步采矿柱单元，模拟矿柱回收过程。通过分析不同方案的位移场、地表沉降及矿柱回收率，确定柴胡栏子金矿非胶结废岩充填体下残矿资源安全回采技术方案。

3数值模拟结果及分析

3.1位移场

矿柱回采前后，矿体整体模型的水平和垂直位移变化云图见图6。

由图6可知：方案一所留阶梯状矿柱，整体结构较好，位移较均匀，由于起始矿柱处于压缩状态，当残柱开采后，此处受压沉降，最大位移发生在中间，最大垂直位移为30.96 cm。方案二所留矿柱不均匀，有部分矿柱直接与下部围岩发生接触，此处位移回弹较小，此外间柱的存在导致位移回弹不均布，位移最大还是发生在中部区域，最大垂直位移为19.48 cm。方案三所留“L”形矿柱，整体性较差，位移变形显著区域大，也有位移回弹现象出现，最大垂直位移为17.41 cm，发生在四中段右部顶柱上；方案四条带支撑结构，由于本身结构离散，位移等值线区域大，最大垂直位移发生在回采后的矿柱处，最大位移为18.13 cm。

4个非胶结废岩充填体下残矿资源开采数值模拟的水平和垂直位移变化云图表明，地应力平衡效果较好。在位移状态分析中，顶板的垂直位移对采场稳定性的影响要比水平位移重要。因为垂直位移过大将导致顶板断裂、冒落甚至地表沉陷。相比各方案，方案一、二和四位移均匀，支撑结构整体支撑协调较好，其他方案矿柱离散，高位移区域较大。方案一最大水平位移为9.084 cm，最大垂直位移为30.96 cm；方案二最大水平位移为8.44 cm，最大垂直位移为19.48 cm；相比之下，方案四稍优。

3.2地表沉降

下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律，设主断面方向为x轴，下沉位移为y轴，地表移动盆地主断面的下沉曲线见图7。

对各方案垂直矿体走向沉降点分别进行拟合，拟合结果为：

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，拟合系数为0.999 5，拟合度较好。

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，擬合系数为0.999 5，拟合度较好。

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，拟合系数为0.999 5，拟合度较好。

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，拟合系数为0.999 5，拟合度较好。

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

4结论

1） 4种非胶结废岩充填体下残矿资源开采方案回采的地应力平衡效果较好。在位移状态分析中，顶板的垂直位移对采场稳定性的影响要比水平位移重要。相比各方案，方案一、二和四位移均匀，应力整体分布较均匀，支撑结构整体支撑协调较好，其他方案矿柱离散，高位移区域较大。比较4个方案的位移可知，方案四稍优。

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

3）选取最大位移、地表沉降和矿柱回收率作为指标，结合现场实际情况，方案优劣顺序为方案四>方案二>方案三>方案一。方案四，横竖条状均匀支撑矿柱回采方案在柴胡栏子金矿残矿资源开采中，从最大位移、矿柱回收率、塑性区大小3个指标的综合评价中占有优势。因此，柴胡栏子金矿采用横竖条状均匀支撑矿柱回采方案回收非胶结废岩充填体下残矿资源。

［参 考 文 献］

［1］古德生，李夕兵.有色金属深井采矿研究现状与科学前沿［C］∥中国有色金属学会.中国有色金属学会第5届学术年会论文集.北京：中国有色金属学会，2003：1-5.

［2］黄麟淇，陈江湛，周健，等.未来有色金属采矿可持续发展实践与思考［J］.中国有色金属学报，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，等.基于响应面法的海下框架式采场结构优化选择［J］.中南大学学报（自然科学版），2011，42（8）：2 417- 2 422.

［6］彭康，李夕兵，彭述权，等.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析［J］.中南大学学报（自然科学版），2011，42（1）：3 452-3 458.

［7］杨晓东，陈宗灵，赵振鹏，等.基于3DEC的柴胡栏子金矿全面采矿法残留矿柱稳定性分析［J］.黄金，2019，40（4）：29-34.

［8］谷新建，胡磊，彭文庆，等.老窿残矿开采技术及安全管理措施［J］.中国安全科学学报，2008，18（1）：150-153.

［9］周科平，杜相会.基于3DMINE-MIDAS-FLAC3D耦合的残矿回采稳定性研究［J］.中国安全科学学报，2011，21（5）：17-22.

［10］姜立春，赵东利.典型残矿回采结构模型及稳定性分析［J］.金属矿山，2014（7）：7-11.

［11］邓红卫，郭旺，周科平，等.基于FLAC3D稳定性分析的残矿回采方案研究［J］.金属矿山，2011（12）：18-21.

［12］朱向荣，王金昌.ABAQUS软件中部分土模型简介及其工程应用［J］.岩土力学，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