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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

文档作者：王泽江李秦邵磊昌宋丽霞郭元文档来源：核工业北京化工冶金研究院		点击数：	更新时间： 2025年03月17日
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第3 5 卷第3 期
2 0 1 6 年8 月
袖矿冶
URANIUM MINING AND METALLURGY
Vol. 35 No, 3
Aug. 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
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)03-0175-07
doi： 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
中的一个难题，开采过程中普遍存在地压管理困
难、成本高、贫化率高、资源损失大等问题。国内
外对于此类矿体有效的采矿方法主要有房柱法和
全面法2 种，二者的主要区别在于前者矿柱留设
为规则的，而后者是随机的，但目的都是为了维护
采场在回采过程中围岩的稳固性[1]。从维护采场
顶板围岩的稳固性出发，房柱法为更有效且实用
的采矿方法。
房柱法开采时，矿体回采后矿床内会形成较
大采空区域。随着采场的回采，采空区顶板的暴
露面积也将越来越大，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
产留下安全隐患[2]，不科学的采场结构参数往往
导致采切工程量、采矿成本及矿石贫化率的增加，
而矿石的回收率却下降。因此，确定合理的采场
结构参数是矿山安全、高效生产的前提，也是采矿
设计当中必须解决的难题[3]。采场结构参数包括
采场的走向和倾向长度、开采厚度、人工矿柱的布
置方式等，其中矿柱的布置方式是主要的采场结
构参数之一。
对于贵重金属及品位较高的矿体采用房柱法
回采时，为提高资源回收率，通常以人工矿柱代替
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。
自然矿柱。房柱采矿法人工矿柱的布置方式直接
关系到采场开采及自然矿柱回收过程中的安全
性、矿石回收率及支护成本。因此，房柱法开采过
程中矿柱布置方式的科学合理性是影响矿山持续
安全、经济生产的重要技术参数。笔者以南方某
铀矿为工程背景，在倾斜薄矿脉的开采过程中，计
算了在保证安全前提下人工矿柱的不同布置参
数，优化了人工矿柱的布置方式，并通过数值模拟
的方法，为实际安全生产提供了参考依据。
1 人工矿柱承压机理与矿柱规格的计算
方法
1.1 人工矿柱承压机理分析
矿山工程实践表明，在房柱采矿法中，米场矿
柱的完整稳定是整个采场围岩稳定的前提，矿柱
结构的破坏必将恶化采场围岩的力学状态及采场
的稳定性。因此，矿柱的抗压强度与实际承受压
力大小是判断采空区稳定性的一个重要指标[4_6]。
采场开挖后，采场围岩必然出现应力重新分布。
随着顶板暴露面积的不断扩大，采场顶板围岩会
在一定区域内形成塑性区，该塑性区边界实际上
是一个自然平衡拱，即普氏拱[7]。普氏拱以内为
产生塑性变形的围岩；普氏拱以外为围岩的弹性
176 抽矿冶第3 5 卷
区，并随着距离的增加围岩应力逐渐降为原岩应
力。由此可见，采场矿柱支护的是普氏拱内岩石
的全部重量，而与拱外的地层重量无关。
在自然矿柱支护时，自然矿柱与顶底板围岩
为一体状态，自然矿柱对围岩的顶底板有主动抵
抗其相互移近的作用，即自然矿柱可有效地阻止
顶板围岩塑性区的进一步扩大，如图1 所示。因
此，采场在合理规格和间距的自然矿柱支护下很
难形成整个采场跨度范围内的大塑性区。而采场
中浇筑人工矿柱属于利用被动支护控制顶底板围
岩移近[8]，人工矿柱不能对采场围岩施加主动的
支撑力，而是随着采场顶板围岩的塑性变形和下
沉运动被动受力，以反作用的方式支撑围岩[9]。
因此，在回收自然矿柱时，人工矿柱的被动支护会
使采场顶板塑性区进一步扩大，从而使原自然矿
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大塑性区，见图
2。而要保证采场的安全稳定，人工矿柱必须可安
全支护该塑性区内所有岩体的重力。
自然平衡拱
图1 自然矿柱支撑时的采场顶板塑性区
1.2 人工矿柱规格计算公式
根据以上人工矿柱承压机理的分析，结合围
岩的极限平衡理论[1°]，可以计算采场在人工矿柱
支护时塑性区的半径为：
_ 「（y/i 十夕co t g?) ( 1 — sin cp) -| 2sin/
rp = r〇L p c o t cp 」，
式中：rp—采场塑性区半径，m ;r。一采场跨度断
面外接圆半径，m ; A—矿体埋藏深度，m ;y —顶
板围岩容重，N / m 3 ^ — 岩体黏聚力，M P a; p—岩
体内摩擦角，（°)。
采场开挖跨度断面的外接圆半径为：
ra= — ^/1\-\-d2 ， ( 2 )
式中： 一米场跨度外接圆半径， —米场走向
长度，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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