0 引言

在矿山生产中，由于各种原因形成了大量未经有效处理的采空区，这些采空区规模或大或小，但几乎都以空区群的形式存在，并已成为影响矿山安全生产的最主要的危害源之一^[1].同时，随着国民经济的快速发展，我国已经成为世界上最主要的矿产资源生产和消费国.因此，近几年来，为了保证国家有色金属供应和企业的持续发展，残矿资源回收的重要性受到越来越多的重视和关注^[2-3].

残矿资源一般赋存在空区群附近，由于受到前期开采扰动的影响，其矿岩的稳固性遭到很大破坏，并产生片帮、冒顶、突水、地震、岩爆、地面塌陷、岩层移动等一系列灾害^[4].如用传统采矿方法对这一类资源进行开采，普遍存在着开采难度大、危险大，生产效率低，地质灾害隐患多，损失贫化高，安全性差等现象，严重威胁着矿山生产安全^[5-6].目前，国内外对于采空区稳定性的研究已经成为热点.研究者从空区探测入手，利用解析计算、智能综合评判以及数值模拟等方法，对采空区稳定性进行分析，提出对空区的处治方法^[7-11].这些研究虽然取得了很多有意义的研究成果，但是在将采空区稳定性分析和残矿资源回收进行有机结合方面还有所缺乏，并且建立的数值模型一般比较粗糙^[12]，难以直接为残矿资源的回采提供技术支持.

本文针对朝不楞铁锌多金属的工程实际，在对复杂空区群现场探测和模型重构的基础上，通过建立精细三维数值模型对空区群稳定性进行分析，据此提出了空区群碎裂残矿资源的回收方案，并在实际工程中进行了应用.

1 工程概况

锡林矿业朝不楞铁锌多金属矿区位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗东北部.矿区地理坐标为：东经：118° 30′ 00″ ～118° 44′ 20″ ，北纬：46° 27′ 30″ ～46°36′30″，交通较为方便.朝不楞铁锌多金属矿区由南、北、西三个矿带组成，南矿带包括一、二矿段，北矿带包括三、四矿段.

北矿带三矿段矿体埋藏深度较小，矿体倾角近于90°，近似沿东北走向，沿走向长度为370 m左右，矿岩稳固性较好.目前，一中段已经停产，二、三中段为此矿段的矿石主产中段，四五中段处于采准状态.采用竖井+盲竖井开拓，在矿体下盘布置了一、二号竖井及一个盲竖井，竖井最深延伸到五中段，中段运输巷直接利用原探矿平巷与竖井联通.朝不楞矿区处于草原深处，生态环境非常脆弱，因此为保护矿区周边生态，矿区地表不允许塌陷.目前，矿区主要采用的采矿方法为平底结构浅孔留矿法，落矿和出矿效率较低，导致大约50 %的矿石资源没有采出，带来巨大的经济损失，为此矿山拟对此矿段的残矿资源进行回收.

由于各种不同类型残矿形成原因不同，赋存的工程地质条件也差异很大.从现场情况来看，该矿段空区形态、分布非常复杂，从而也导致上部中段残矿虽然矿量大，但残矿分布零散，赋存条件异常复杂，回采安全性极差，为残矿资源的回收带来了很大的挑战.

2 空区群实测模型构建

空区群的现场探测采用CMS 三维激光探测系统进行，同时紧密结合矿山工程实际，综合运用AutoCAD、QVOL、3Dmine 等软件工具，实现对采空区精细模型的构建，并以此为基础开展空区体积计算，空区实际边界测定，并重点勾勒出矿柱的实际赋存情况，为残矿资源回采方案研究及实现安全高效残矿回采提供技术支撑.

将建立矿体模型和重构后的实测空区群模型进行复合，其结果如图 1 所示.由图 1 可知，矿体中，空区形态和分布非常复杂，彼此间差异巨大，将矿体分割成不规则的残矿块段.在现场的实地考察中发现，受到开采的影响，这些块段裂隙极为发育，给回收带来极大的安全隐患.

3 复杂空区群稳定性数值分析

要实现残矿资源的回采，必须要保证相应回采工程的安全性.为此对三矿段在现有空区赋存条件下工程的稳定性、不同类型与空间位置残矿资源的可回收性及残矿回收后工程稳定性进行分析与评价.同时对矿区重点区域（拟进行残矿回收的区域）安全状况的分析计算也是必要的.

3.1 数值计算基本思路

采矿工程本身是一个非常复杂的三维空间、非线性问题，在本次模拟中，由于空区群条件极其复杂，要得到准确的结果，必须要建立精细的三维数值模型，为此，将多种软件有机结合，充分发挥这些软件的优势，数值计算的基本思路如图 2 所示.

3.2 数值计算模型构建

根据空区三维精密探测工作所得空区、矿床实体模型等数据及矿区提供的水文地质资料等数据，精确地建立矿区的数值计算模型.计算模型如图 3 所示.

计算区域模型由275227 个节点，1542573 个四面体单元组成，模型长464 m, 宽387.4 m, 平均高度为186.7 m.模型边界采用X、Y、Z 3 个方向均施加位移约束条件，上边界为自由边界.整个模型施加Z 方向上的重力加速度.

计算过程中分5 步开挖，计算顺序依次为：初始地应力场生产、一中段空区开挖、一井二中段空区开挖、二井二中段空区开挖、三中段空区开挖，总计开挖空区数达22 个.

数值计算采用弹塑性本构模型，服从摩尔-库仑准则，岩体的力学参数如表 1 所示.

3.3 计算结果分析

北采区三矿段属于浅埋型矿床，一中段距离地表只有70 余m 的高差，其自重应力场相对较小，这对采场开挖后空区保持稳定有利.采空区的开挖对围岩造成的影响是一个非线性的不可逆的加载过程，它使得处于初始地应力状态下的围岩进行应力重分布，最后达到新的平衡.表 2 给出了各空区顶板最大位移和潜在危险截面的最大主应力最小主应力.

由表 2 可知，在目前的开采条件下，各空区受到的压应力都较小，最大也不超过8 MPa, 远小于岩体自身的抗压强度.然而，部分空区顶板处出现拉应力区，虽然最大拉应力都小于1 MPa, 小于矿岩抗拉强度，但考虑到矿体本身已很破碎，有可能发生局部破坏.

空区顶板位移数值大部分在5 cm 左右，其总体特征为空区暴露面积越大，则其顶板的沉降越明显.最大沉降位移出现在204# 空区，从实际情况来看，此采空区在回采矿石过程中超采严重，其顶板形态又较平整，致使此空区顶板沉降量较大.

上述的分析表明，目前各采空区是基本处于稳定状态，但是由于残矿体非常破碎，受拉应力的影响，局部区域可能发生小规模的冒落事故.

由于矿体埋藏深度较小，故地表沉降不可忽视.从计算结果来看，计算区域内存在两个沉降坑，沉降数量级均为厘米，沉降坑近似为圆形，且都出现在采空区比较集中的区域上方，靠近一井附近的沉降坑比较大，靠近二井附近相对较小，分析其原因是靠近一井的空区比较多，图 4 即为矿区计算区域的地表位移云图.

由图 4 可知，在目前的情况下，由于采矿活动所诱发的地表沉降坑边缘已接近一井，而二井尚未受到影响.可以预见，随着二中段残矿及下部中段资源的回采，一井必将受到岩移的影响，应采取一定的措施加以控制.

从图 5 可知，一中段空区形成后，由于空区规模较小，地表沉降不明显；第二中段一井区域空区较集中、埋深浅，而且规模较大，地表沉降量显著加大；二中段二井开挖区域空区沿矿体走向呈长条状分布，形成空区后地表在此区域内均匀沉降；全部空区形成后，地表沉降分布曲线形成两个沉降中心，各沉降中心的底部呈对称分布，形成尖底形状.靠近一井的沉降盆地范围大于二井附近的沉降盆地，且最大沉降量也相对较大，为1.6 cm, 这表明地表沉降幅度不仅与空区的规模有关，与空区的集中程度也有一定关联.

4 残矿资源回收

根据数值计算结果，从安全高效回收残矿资源的角度出发，基于协同利用采空区的思想，提出以中深孔落矿阶段空场嗣后废石充填为主导的残矿资源回收方案.残矿资源回收不同于完整矿体的回采，其采场相对比较分散且规模较小，采矿方案也要根据残矿体的局部赋存情况进行调整，因此在嗣后充填时主要利用现有的巷道通过井下铲运机和矿车运送废石进行处理.在需要较高充填强度的局部区域，可通过井下移动式混凝土泵泵送混凝土浆进行块石胶结充填.

4.1 开拓运输系统改造

北矿带三矿段以竖井/盲竖井和运输平巷为主要开拓工程，由图 1 可知，各中段的主运输巷均布置在脉内，积压了很多矿石，同时也给残矿的回采带来极大的不便.为此，有必要对矿山目前的开拓运输系统进行改造，改造后的效果如图 6 所示.

图 6中“ 脉外运输巷”和“脉外通风充填联络道”为新增加的开拓运输巷，脉外运输巷联通一井和二井，用于矿石运输，同时作为新鲜风流的流通线路； 脉外通风充填联络道或与两个竖井全部联通或只与其中任何一个竖井联通，作为充填料运输巷及污风回路，同时此巷道还可以在回采空区顶部的吊顶残矿时，作为钻凿水平中深孔的凿岩平巷.

同时，在改造后的运输开拓系统中，一井受到残矿回采的影响较大，因此必须要为一井留设保安矿柱.根据一井穿越的岩土层的岩移特性，圈定了一号竖井的保安矿柱及其范围，如图 7 所示.

4.2 残矿资源回收方案

在残矿资源回收过程中，须针对不同的情况采用不同的采矿方案，为此，将残矿资源划分为采场间柱、顶柱与采场吊顶矿、矿壁残矿（ 矿皮）、保安矿柱及尚未采动矿体、主运输巷护顶矿柱5 种类型.5 种类型中，又以矿壁残矿留存量最大，故在此仅对此种类型的残矿资源回收进行说明.

矿壁残矿依附在空区周围的侧壁上，其厚度大小不一，形态极不规整，是一种较为常见的难采残矿资源.针对此类型的残矿资源，提出的一种典型回收方案如图 8 所示.

在图 8 所示的回收方案中，在凿岩进路内凿上向扇形中深孔或者浅孔，以空区为爆破自由面，视矿壁的具体分布情况，分层崩落矿壁.采准切割工程主要包括在脉外紧靠矿壁附近掘进的人行天井和在不同水平掘进的联络道.爆破时，可分段或者整个矿壁同时崩落，对于厚大的矿壁，可从上至下分段崩落，各排炮孔之间微差间隔起爆.出矿可用铲运机直接进行出矿运输.

5 结论

（1）根据朝不楞铁锌多金属矿残矿资源回采的工程实际，采用CMS 系统对其复杂空区群进行了探测，基于空区重构技术，综合运用AutoCAD、QVOL、3Dmine 等软件工具，实现对采空区精细模型的构建，对残矿资源回收提供了详尽信息.

（2）采用3Dmine、Midas/GTS 和Flac3D 耦合技术，建立了可反映空区群结构的数值计算模型，并对朝不楞铁锌多金属矿空区群的力学特性和安全性进行了分析，为残矿资源回收方案提供了可靠的基础数据.

（3）提出了以中深孔落矿阶段空场嗣后废石充填为主导的残矿资源回收方案，改造了现有的开拓运输系统，将残矿资源分为5 类，并对其中留存量最大类型的典型方案进行了举例说明，为今后类似问题提供了一种可行的思路.