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傾斜薄礦脈房柱法開(kāi)采人工礦柱參數(shù)優(yōu)化和安全回采的數(shù)值模擬研究

文檔作者：王澤江李秦邵磊昌宋麗霞郭元文檔來(lái)源：核工業(yè)北京化工冶金研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月17日
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第3 5 卷第3 期
2 0 1 6 年8 月
袖礦冶
URANIUM MINING AND METALLURGY
Vol. 35 No, 3
Aug. 2016
傾斜薄礦脈房柱法開(kāi)采人工礦柱參數(shù)優(yōu)化
和安全回采的數(shù)值模擬研究
王澤江，李秦，邵磊昌，宋麗霞，郭元
(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京101149)
摘要：分析了傾斜薄礦脈礦山房柱法開(kāi)采時(shí)的人工礦柱承載機(jī)理，并推導(dǎo)了人工礦柱相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式。
以南方某鈾礦采場(chǎng)為例，對(duì)其人工礦柱的規(guī)格、數(shù)量、混凝土消耗量等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算、分析，優(yōu)化選取了人工
礦柱參數(shù)。并以此對(duì)采場(chǎng)回采工作進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證其開(kāi)采的安全性，并提出礦柱參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的
方向。
關(guān)鍵詞：房柱法回采；塑性區(qū);人工礦柱參數(shù);數(shù)值模擬
中圖分類號(hào)：TD868; TD853 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-8063(2016)03-0175-07
doi： 10. 13426/j. cnki. yky. 2016. 03. 0005
傾斜薄礦脈的金屬礦藏開(kāi)采是當(dāng)前地下開(kāi)采
中的一個(gè)難題，開(kāi)采過(guò)程中普遍存在地壓管理困
難、成本高、貧化率高、資源損失大等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)
外對(duì)于此類礦體有效的采礦方法主要有房柱法和
全面法2 種，二者的主要區(qū)別在于前者礦柱留設(shè)
為規(guī)則的，而后者是隨機(jī)的，但目的都是為了維護(hù)
采場(chǎng)在回采過(guò)程中圍巖的穩(wěn)固性[1]。從維護(hù)采場(chǎng)
頂板圍巖的穩(wěn)固性出發(fā)，房柱法為更有效且實(shí)用
的采礦方法。
房柱法開(kāi)采時(shí)，礦體回采后礦床內(nèi)會(huì)形成較
大采空區(qū)域。隨著采場(chǎng)的回采，采空區(qū)頂板的暴
露面積也將越來(lái)越大，采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力不斷重新
分布，若支護(hù)礦柱留設(shè)不合理，很可能為礦山的生
產(chǎn)留下安全隱患[2]，不科學(xué)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)往往
導(dǎo)致采切工程量、采礦成本及礦石貧化率的增加，
而礦石的回收率卻下降。因此，確定合理的采場(chǎng)
結(jié)構(gòu)參數(shù)是礦山安全、高效生產(chǎn)的前提，也是采礦
設(shè)計(jì)當(dāng)中必須解決的難題[3]。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括
采場(chǎng)的走向和傾向長(zhǎng)度、開(kāi)采厚度、人工礦柱的布
置方式等，其中礦柱的布置方式是主要的采場(chǎng)結(jié)
構(gòu)參數(shù)之一。
對(duì)于貴重金屬及品位較高的礦體采用房柱法
回采時(shí)，為提高資源回收率，通常以人工礦柱代替
收稿日期：2016-01-16
第一作者簡(jiǎn)介：王澤江（1986—），男，河北張家口人，碩士，助理工程師，從事采礦工程、礦山安全和巖石力學(xué)與工程
等研究。
自然礦柱。房柱采礦法人工礦柱的布置方式直接
關(guān)系到采場(chǎng)開(kāi)采及自然礦柱回收過(guò)程中的安全
性、礦石回收率及支護(hù)成本。因此，房柱法開(kāi)采過(guò)
程中礦柱布置方式的科學(xué)合理性是影響礦山持續(xù)
安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要技術(shù)參數(shù)。筆者以南方某
鈾礦為工程背景，在傾斜薄礦脈的開(kāi)采過(guò)程中，計(jì)
算了在保證安全前提下人工礦柱的不同布置參
數(shù)，優(yōu)化了人工礦柱的布置方式，并通過(guò)數(shù)值模擬
的方法，為實(shí)際安全生產(chǎn)提供了參考依據(jù)。
1 人工礦柱承壓機(jī)理與礦柱規(guī)格的計(jì)算
方法
1.1 人工礦柱承壓機(jī)理分析
礦山工程實(shí)踐表明，在房柱采礦法中，米場(chǎng)礦
柱的完整穩(wěn)定是整個(gè)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定的前提，礦柱
結(jié)構(gòu)的破壞必將惡化采場(chǎng)圍巖的力學(xué)狀態(tài)及采場(chǎng)
的穩(wěn)定性。因此，礦柱的抗壓強(qiáng)度與實(shí)際承受壓
力大小是判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)[4_6]。
采場(chǎng)開(kāi)挖后，采場(chǎng)圍巖必然出現(xiàn)應(yīng)力重新分布。
隨著頂板暴露面積的不斷擴(kuò)大，采場(chǎng)頂板圍巖會(huì)
在一定區(qū)域內(nèi)形成塑性區(qū)，該塑性區(qū)邊界實(shí)際上
是一個(gè)自然平衡拱，即普氏拱[7]。普氏拱以內(nèi)為
產(chǎn)生塑性變形的圍巖；普氏拱以外為圍巖的彈性
176 抽礦冶第3 5 卷
區(qū)，并隨著距離的增加圍巖應(yīng)力逐漸降為原巖應(yīng)
力。由此可見(jiàn)，采場(chǎng)礦柱支護(hù)的是普氏拱內(nèi)巖石
的全部重量，而與拱外的地層重量無(wú)關(guān)。
在自然礦柱支護(hù)時(shí)，自然礦柱與頂?shù)装鍑鷰r
為一體狀態(tài)，自然礦柱對(duì)圍巖的頂?shù)装逵兄鲃?dòng)抵
抗其相互移近的作用，即自然礦柱可有效地阻止
頂板圍巖塑性區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖1 所示。因
此，采場(chǎng)在合理規(guī)格和間距的自然礦柱支護(hù)下很
難形成整個(gè)采場(chǎng)跨度范圍內(nèi)的大塑性區(qū)。而采場(chǎng)
中澆筑人工礦柱屬于利用被動(dòng)支護(hù)控制頂?shù)装鍑?
巖移近[8]，人工礦柱不能對(duì)采場(chǎng)圍巖施加主動(dòng)的
支撐力，而是隨著采場(chǎng)頂板圍巖的塑性變形和下
沉運(yùn)動(dòng)被動(dòng)受力，以反作用的方式支撐圍巖[9]。
因此，在回收自然礦柱時(shí)，人工礦柱的被動(dòng)支護(hù)會(huì)
使采場(chǎng)頂板塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，從而使原自然礦
柱支護(hù)下的各個(gè)小塑性區(qū)相互貫通、合并，最終形
成一個(gè)以采場(chǎng)最大跨度為半徑的大塑性區(qū)，見(jiàn)圖
2。而要保證采場(chǎng)的安全穩(wěn)定，人工礦柱必須可安
全支護(hù)該塑性區(qū)內(nèi)所有巖體的重力。
自然平衡拱
圖1 自然礦柱支撐時(shí)的采場(chǎng)頂板塑性區(qū)
1.2 人工礦柱規(guī)格計(jì)算公式
根據(jù)以上人工礦柱承壓機(jī)理的分析，結(jié)合圍
巖的極限平衡理論[1°]，可以計(jì)算采場(chǎng)在人工礦柱
支護(hù)時(shí)塑性區(qū)的半徑為：
_ 「（y/i 十夕co t g?) ( 1 — sin cp) -| 2sin/
rp = r〇L p c o t cp 」，
式中：rp—采場(chǎng)塑性區(qū)半徑，m ;r。一采場(chǎng)跨度斷
面外接圓半徑，m ; A—礦體埋藏深度，m ;y —頂
板圍巖容重，N / m 3 ^ — 巖體黏聚力，M P a; p—巖
體內(nèi)摩擦角，（°)。
采場(chǎng)開(kāi)挖跨度斷面的外接圓半徑為：
ra= — ^/1\-\-d2 ， ( 2 )
式中： 一米場(chǎng)跨度外接圓半徑， —米場(chǎng)走向
長(zhǎng)度，m ; a n d th e c o m p u ta tio n a l fo rm u la s fo r p illa rs re le v a n t p a ra m e te rs w as d e d
u c e d . T a k in g a s to p e in s o u th e r n p ro v in c e fo r e x a m p le , th e p illa r s’ s iz e , q u a n t i t y , c o n c re te c o n s
u m p tio n e tc . p a ra m e te rs w e re c a lc u la te d a n d an a ly z e d . O p tim iz in g choice of a rtific ia l p illa r p a ra m e te r
w as m a d e . F u r t h e r m o r e , n u m e ric a l m o d e lin g s tu d y fo r th e s to p e b a c k s to p p in g p ro c e ss w a s c a rrie d on
th e p a r a m e te r s ? w h ic h v erified th e s e c u rity d u rin g m in in g . A n d a rtific ia l p illa r p a ra m e te r f u r th e r o p tim
izin g d ire c tio n w a s p ro p o s e d .
Keywords： ro om -a n d -p illa rs b a c k s to p in g ； p la s tic z o n e； a rtific ia l p illa rs p a r a m e te r； n um e ric a l m o d elin g

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