倾斜薄矿脉房柱法开采人工矿柱参数优化和安全回采的数值模拟研究.pdf

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1、第35卷第3期袖矿冶Vol.35No,32016年8月URANIUMMININGANDMETALLURGYAug.2016倾斜薄矿脉房柱法开采人工矿柱参数优化和安全回采的数值模拟研究王泽江，李秦，邵磊昌，宋丽霞，郭元(核工业北京化工冶金研究院，北京101149)摘要：分析了倾斜薄矿脉矿山房柱法开采时的人工矿柱承载机理，并推导了人工矿柱相关参数的计算公式。以南方某铀矿采场为例，对其人工矿柱的规格、数量、混凝土消耗量等参数进行了计算、分析，优化选取了人工矿柱参数。并以此对采场回采工作进行了数值模拟研究，验证其开采的安全性，并提出矿柱参数进一步优化的

2、方向。关键词：房柱法回采；塑性区;人工矿柱参数;数值模拟中图分类号：TD868;TD853文献标志码：A文章编号：1000-8063(2016)03-0175-07doi：10.13426/j.cnki.yky.2016.03.0005倾斜薄矿脉的金属矿藏开采是当前地下开采自然矿柱。房柱采矿法人工矿柱的布置方式直接中的一个难题，开采过程中普遍存在地压管理困关系到采场开采及自然矿柱回收过程中的安全难、成本高、贫化率高、资源损失大等问题。国内性、矿石回收率及支护成本。因此，房柱法开采过外对于此类矿体有效的采矿方法主要有房柱法和程中矿柱布置方式的科学

3、合理性是影响矿山持续全面法2种，二者的主要区别在于前者矿柱留设安全、经济生产的重要技术参数。笔者以南方某为规则的，而后者是随机的，但目的都是为了维护铀矿为工程背景，在倾斜薄矿脉的开采过程中，计采场在回采过程中围岩的稳固性[1]。从维护采场算了在保证安全前提下人工矿柱的不同布置参顶板围岩的稳固性出发，房柱法为更有效且实用数，优化了人工矿柱的布置方式，并通过数值模拟的采矿方法。的方法，为实际安全生产提供了参考依据。房柱法开采时，矿体回采后矿床内会形成较1人工矿柱承压机理与矿柱规格的计算大采空区域。随着采场的回采，采空区顶板的暴方法露面积也将越来越大

4、，采场围岩的应力不断重新分布，若支护矿柱留设不合理，很可能为矿山的生1.1人工矿柱承压机理分析产留下安全隐患[2]，不科学的采场结构参数往往矿山工程实践表明，在房柱采矿法中，米场矿导致采切工程量、采矿成本及矿石贫化率的增加，柱的完整稳定是整个采场围岩稳定的前提，矿柱而矿石的回收率却下降。因此，确定合理的采场结构的破坏必将恶化采场围岩的力学状态及采场结构参数是矿山安全、高效生产的前提，也是采矿的稳定性。因此，矿柱的抗压强度与实际承受压设计当中必须解决的难题[3]。采场结构参数包括力大小是判断采空区稳定性的一个重要指标[4_6]。采场的走向和倾向长

5、度、开采厚度、人工矿柱的布采场开挖后，采场围岩必然出现应力重新分布。置方式等，其中矿柱的布置方式是主要的采场结随着顶板暴露面积的不断扩大，采场顶板围岩会构参数之一。在一定区域内形成塑性区，该塑性区边界实际上对于贵重金属及品位较高的矿体采用房柱法是一个自然平衡拱，即普氏拱[7]。普氏拱以内为回采时，为提高资源回收率，通常以人工矿柱代替产生塑性变形的围岩；普氏拱以外为围岩的弹性收稿日期：2016-01-16第一作者简介：王泽江（1986—），男，河北张家口人，硕士，助理工程师，从事采矿工程、矿山安全和岩石力学与工程等研究。176抽矿冶第35卷区，并

6、随着距离的增加围岩应力逐渐降为原岩应1.2人工矿柱规格计算公式力。由此可见，采场矿柱支护的是普氏拱内岩石根据以上人工矿柱承压机理的分析，结合围的全部重量，而与拱外的地层重量无关。岩的极限平衡理论[1°]，可以计算采场在人工矿柱在自然矿柱支护时，自然矿柱与顶底板围岩支护时塑性区的半径为：为一体状态，自然矿柱对围岩的顶底板有主动抵_「（y/i十夕cotg?)(1—sincp)-

7、2sin/抗其相互移近的作用，即自然矿柱可有效地阻止rp=r〇Lpcotcp」，顶板围岩塑性区的进一步扩大，如图1所示。因式中：rp—采场塑性区半径，m;r。一采场跨度断此

8、，采场在合理规格和间距的自然矿柱支护下很面外接圆半径，m;A—矿体埋藏深度，m;y—顶难形成整个采场跨度范围内的大塑性区。而采场板围岩容重，N/m3^—岩体黏聚力，MPa;p—岩中浇筑人工矿柱属于利用被动支护控制顶底板围体内摩擦角，（°)。岩移近[8]，人工矿柱不能对采场围岩施加主动的采场开挖跨度断面的外接圆半径为：支撑力，而是随着采场顶板围岩的塑性变形和下ra=—^/1--d2，(2)沉运动被动受力，以反作用的方式支撑围岩[9]。式中：一米场跨度外接圆半径，—米场走向因此，在回收自然矿柱时，人工矿柱的被动支护会长度，m;

9、。使采场顶板塑性区进一步扩大，从而使原自然矿据此，采场顶板围岩塑性区总重量为：柱支护下的各个小塑性区相互贯通、合并，最终形成一个以采场最大跨度为半径的