云锡高峰山矿段1 570 m以上由老厂分公司开采，采用全面法和底部漏斗空场法等方法进行开采（李俊平等，2018；谢晋谊等，2021；徐路路等，2021）。生产区自2012年建设投产至今，累计采出矿石量300多万t，产生采空区30多个。经过多年开采，至2019年底仅可在矿段内进行小规模回采，2021年之后转为收残找盲阶段，总体生产能力较低。目前矿段内剩余资源量大部分为空区边角残矿及采场间的矿石矿柱，其中，矿柱矿量占总资源量的20%~30%。随着采区资源的不断枯竭，盘区残留矿柱的回收工作备受重视。

经统计，高峰山老厂分公司矿段保有矿柱资源量为93.44万t，根据原矿体回采方式的不同，残余矿柱以采场间柱和盘区间预留的连续矿柱为主，这部分预留矿柱具有较好的开采价值（寇永渊等，2020；刘洋等，2022；朱斌等，2022；朱万成等，2022；高峰等，2023）。针对此类矿柱的回采，国内外学者开展了诸多研究。从稳定性角度出发，陈祉颖等（2023）基于有限元软件模拟，利用模糊综合评判法进行矿柱回收方案优化选择；林敏等（2022）通过模拟分析采场内的变形、应力分布和塑性状态，确定了合理的矿柱回收方案；Xia et al.（2023）评估了胶结充填体的稳定性，提出了金属矿山高层矿柱回采的新方法。从回采技术条件出发，孙健等（2020）通过对矿柱进行回采作业安全性、回采周期、矿石贫化、采场生产能力和采矿成本等技术经济指标进行对比后，推荐采用中深孔崩落法回收采场的间柱和顶柱；马印禹（2023）综合理论计算和现场试验对置换原岩矿柱的技术进行研究，并评价其经济效益，为残留矿柱回收提供了新的方向。然而，影响矿柱回收的安全因素主要是矿柱形态大小、围岩稳定性（徐大智等，2022）和矿柱回收前临近采空区的地压显现情况等（李俊平等，2018）。除此之外，矿柱回采工艺是否成熟以及可采矿柱的经济效益也是需要考虑的因素（郭琦，2023）。

本文以云锡老厂分公司高峰山矿段为工程背景，结合矿区实际情况，提出了矿柱回采方案。通过数值模拟计算，进行方案可行性分析，确定适合矿山的矿柱回采方式（王栋毅等，2017）。同时，根据矿山生产状况及矿柱现状，对研究范围内矿柱的资源情况和回采条件等进行对比分析，确定了具备开采价值的矿柱，以提高剩余资源利用率，为矿山的矿柱回收工作提供技术支持。

云锡集团高峰山矿段1-1主矿体位于大理岩和花岗岩间（图1），矿体赋存标高为1 530~1 620 m，倾角为0~30°，由老厂分公司和大屯分公司联合开采。其中，老厂分公司生产区域位于1 570 m标高以上，共划分为4个区块开采，分别是北盘区、中盘区、南盘区和8号矿群。

（1）北盘区采用空场法进行开采，已于2019年6月底开采结束。

（2）中盘区采用底部结构空场法和全面法进行开采，划分为一采区和二采区，已于2021年底开采结束。

（3）南盘区采用底部结构空场法进行开采，划分为一采区、二采区、三采区和四采区。目前一采区、二采区和三采区已开采结束，四采区正处于残矿收尾阶段。

（4）8号矿群采用底部结构空场法进行开采，划分为多个小矿体。目前8-9#矿体正在开采，其余矿体正在进行开采前建设。

北、中、南3个盘区的资源主要集中在1 570 m中段，采场呈“棋盘”式布置（图2），目前剩余资源主要为采场间柱和盘区间预留的连续矿柱。其中，北盘区矿柱资源有1#盘区矿柱，中盘区矿柱资源有5#盘区矿柱、1#~3#采区间柱和采场间柱，南盘区矿柱资源有2#~4#盘区矿柱、1#~5#采区间柱和采场间柱。矿柱特征及资源量情况见表1。

在现场开展工程地质调查工作时，选择有代表性的岩样进行岩石力学试验，获得成果参数（卢泰宏等，2022）。从现场调查情况来看，部分采场预留矿柱的两侧已出现边帮脱落和垮落。局部区域，预留矿柱两边的空区连成一片，因此矿柱回采前需要确定当前采区内的地压显现规律。采用 FLAC^3D软件建立矿区采场三维数值模型（图3），模拟矿山采场实际回采过程及矿柱稳定情况，从而确定矿柱的最佳回采顺序。

从采区位移云图（图4）来看，开挖各采区引起的位移变形量有所差别，其中开挖中一采、中二采、南一采和南二采引起的变形量在30.5~35.4 cm之间，开挖南三采和南四采引起的位移变形量分别为52.0 cm和77.6 cm。一般情况下，采空区矿柱所受应力值与顶板跨度（Zhou et al.，2018；Du et al.，2022）、上盘围岩倾角及暴露面积、上盘围岩岩性和上覆载荷等密切相关，可以根据采场位移量大小对采场稳定性进行排序。经分析，中一采、中二采、南一采和南二采4个采区的地压显现程度大于南三采和南四采。

金属矿山回采矿柱的方式一般有4种，分别是抽采矿柱、置换矿柱、崩落矿柱和充填矿房回采原生矿柱（Guo et al.，2022），其优劣势如下：

（1）抽采矿柱法仅适用于水平或缓倾斜的房柱法和全面法采矿的矿柱回收，即只采一定跨度的矿柱，需要把握所采矿柱的尺寸。该方法会导致部分顶板失去支撑而容易发生局部冒落，且只能部分回采，因此矿柱的回采率不高。

（2）人工矿柱置换矿石矿柱，可以提高矿柱的回采率。然而，该方法会增加回采成本，且对置换体有一定要求。

（3）充填矿房回采原生矿柱的回采率较高，一般适合矿石价值较高的矿柱回收，是成本最高的回收方式。

（4）分段崩落法回采矿柱，回采强度较高，但回采过程中的爆破震动，会引起顶板围岩垮塌，从而造成矿石损失与贫化。

目前国内矿山普遍采用胶结充填法进行矿柱回采（Xu et al.，2022）。选用回采矿柱的方法时，需考虑矿石和围岩的稳定性，矿体倾角和形态、矿岩接触线的变化特征，矿石品位和价值，地表是否需要保护，矿房的采矿方法及充填材料，上阶段的开采状况等因素。由于高峰山上部1 800 m中段有较多需要保护的重要工程，崩落法显然不适合。因此，本次矿柱回采考虑如表2所示的6种回收方案。

如图5所示，经过计算，方案1和方案2的开挖尺寸过大［图6（a）、6（b）］，导致模型计算不收敛。方案3中矿柱抽采后，采场由条带式的点柱支撑，采场内的位移数值较方案1降低了60%［图6（c）］，但从计算结果来看，方案3中过大的位移变形使得采场无法维持稳定。方案4采场内塑性贯穿百分比有所降低，位移值也下降至173.2 cm［图6（d）］，但无法达到安全开采的程度，且该方案只回采了间隔2个矿房内的间柱，回采率过低，无法应用于实际生产过程。各方案计算结果见表3。

人工置换矿柱的强度比矿石原岩的强度低，开挖扰动后可以限制和减轻上覆岩层的应力释放，但不能完全阻止岩层的变形。人工矿柱的强度按照Bieniawski 与Van Heerden通过大规模原位测试得出强度计算公式（熊晓勃等，2021），表示为

式中：S_p为矿柱强度（MPa）；S_L为矿岩强度参数（MPa）；W_p为矿柱宽度（m）；h为矿柱高度（m）；α为常数，当矿柱的宽高比大于5时，α=1.4；当矿柱的宽高比小于5时，α=1。

通过计算得出，当置换矿柱跨度为10~40 m时，需要的人工矿柱强度为10~14 MPa，约为C20混凝土的强度。考虑到C20混凝土成本达300元/m³，因此，方案5计算时未考虑不同强度混凝土的置换方案，仅以C20混凝土进行矿柱置换。

采用传统的人工置换矿柱方案时，在矿体开挖后先用充填体进行矿柱置换，当人工矿柱达到强度要求后，上覆岩层的地压传递还需要一定的时间，这样就可以在比较安全的情况下回采矿房，从而最大限度地进行资源回收（杨涛波等，2011）。高峰山矿段由于采空区已经形成多年，矿柱两边处于临空状态，经过长时间的地压传递，矿柱处于应力集中状态，大规模开挖会使应力急剧释放，从而发生顶板垮落或片帮现象。从数值模拟结果（表4）来看，采场矿柱位移值为382.5~386.4 cm，矿柱塑性区贯穿百分比为52%~73%，因此方案5不适合矿段内矿柱回收［图7（a）］。在此基础上，考虑减小尺寸开挖的方案，采用两步骤间隔回采的进路式采矿法对资源矿柱进行回收，最大程度地减少岩体扰动。但由于采切工程不好布置，每条回采进路的规格为4 m×4 m，将资源矿柱划分为矿房和矿柱，进行两步骤间隔回采。

通过充填力学参数试验（彭朝智等，2023），对比多个方案后，得出两步骤间隔回采所需的充填体参数，如表5所示。在该条件下，矿柱塑性破坏及采场位移值较为平稳，采场矿柱位移值为8.2 cm，矿柱塑性区贯穿百分比为16%，较小的模拟结果可使胶结矿柱保持基本稳定，有利于矿柱的回收［图7（b）］。

在理想条件下，考虑了6种不同的矿柱回收方案，对比分析后，仅有两步骤间隔回采的进路式采矿法适用于老厂分公司高峰山矿段的矿柱回收。为了满足项目研究需求，矿柱回收方案实施前需开展工业试验。由矿柱回收前采场稳定性分析可知，南三采和南四采地压显现程度较明显，中一采、中二采、南一采和南二采地压显现程度次之。结合矿山实际情况，选择中一采和南四采2个区块作为工业试验对象。

试验要求进路规格为4 m×4 m，将保安矿柱划分为矿房和矿柱，采用两步骤间隔回采，一步骤胶结充填强度大于3.52 MPa，二步骤充填强度大于1.08 MPa。为保持采场顶板稳定，采用如下回采工艺：

①采场结构参数确定

矿块沿矿柱走向布置，进路规格为4 m×4 m，不留间柱和顶底柱；采场搬运方式为30 kW电耙，进路长度控制在50~60 m之间（图8）。

②回采工艺

回采分为凿岩爆破、通风和出矿等工序，采用自上而下的顺序进行回采。

采用YT29凿岩机凿岩作业，爆破采用非电导爆管微差起爆；通风时，新鲜风流经中段出矿巷道→通风、人行、充填管道井→分层联道→主回采进路→洗涮工作面，之后产生的污风由局扇通过管道排至上部回风平巷。

③采场充填

采场充填分为平场、钢筋铺设、密闭进路口、充填和养护等工序。首先，对回采结束的进路按腰线清理平整，在进路底板铺垫矿石后，由里向外依次打锚杆。然后，进行钢筋铺设工作，底筋以焊接方式与吊筋相连，为了防止水泥渗入破碎矿石中，充填之前需在采场的底板上铺设一层塑料薄膜。当已回采进路的邻侧为待回采进路时，需沿进路两帮预留一定长度的主筋，便于邻侧进路回采时能够找到预留的主筋；当已回采进路的邻侧为矿体边界时，可在距底筋1.5 m高度处向矿体边界施工直径为25 mm的水平钻孔，打入锚杆使之固定。进路充填时，底部承载层的混凝土标号按C15标准配比，后期在充填接顶时需采用混凝土砂浆充填，用于提高充填接顶率。进路回采完毕后，采用木制充填隔离墙对进路口进行密闭。同一水平相邻进路之间的充填体养护期一般为3~5 d，如果是上下水平之间，充填体的养护期则为7~10 d（孟清文等，2020）。

中一采和南四采试验采场从2018年10月开始施工，分别在2个不同地压显现程度的工业试验采场进行试验，工业试验过程如图9所示。试验表明：在矿柱回采过程中和回采后，矿柱顶板均能保持稳固，无任何垮塌。因此，应用方案6的采矿方法，在实现资源回收的同时能够保证回采安全，有效延长矿山服务年限。

近年来，有色金属价格波动幅度较大，因此需要从多个维度分析剩余矿柱是否具备回收条件和回收价值。

高峰山矿段1 570 m中段以上的北、中、南3个盘区预留了13条盘区矿柱和采场间柱，用于控制采场顶板暴露面积和地压活动。经统计，现保有矿柱资源量为93.44万t；锡金属量为4 542 t，平均品位为0.486%；铜金属量为6 853 t，平均品位为0.733%。

由表6可知，南盘区的3#盘区矿柱、1#采区间柱和5#采区矿柱资源品位低，开采价值不高，现阶段建议留作永久矿柱；中盘区的5#盘区矿柱、1#采区间柱、2#采区间柱和3#采区间柱周边空区不太稳定，需在空区治理完成后方可进行回采；中盘区的1#盘区矿柱、南盘区的2#采区矿柱和3#采区矿柱周边或上部有保护工程，在目前条件下暂不可开采，若相应工程不再保护利用，再次分析论证后可进行回采；南盘区的2#盘区矿柱、4#盘区矿柱、4#采区矿柱和采区间柱（东段）相对完整、保有资源量大且品位高（锡金属量占比达矿柱的47%，铜金属量占比达矿柱的40%），具备回采条件，可在现阶段回采。

根据矿柱资源分布情况和回采条件分析，对具备回采条件的南盘区2#盘区矿柱、4#盘区矿柱、4#采区矿柱和采区间柱（东段）进行回采经济效益及价格盈亏平衡分析。根据近3年锡精矿和铜精矿金属市场平均价格进行估算，依据地质储量、损失贫化率、充填量和采矿综合成本等基础信息，计算得出矿柱回收利润与矿柱回采的价格盈亏平衡点。其中，得南盘区4#盘区矿柱由于锡品位和铜品位相对较低，且采出单位矿石成本较高，主要为充填成本，折合成当量锡精矿金属量计，盈亏平衡锡精矿金属价格为24.48万元/t，即当锡精矿金属价格大于24.48万元/t时方可回采；南盘区2#盘区矿柱、4#采区矿柱和采区间柱（东段）在锡精矿金属市场价格大于10.05万元/t时便可回采。

目前矿区利用1 700 m中段充填制备站，在1 730 m分段高峰山南部斜坡道建设了多条充填巷道，联通1 800 m中段的多口充填井，对整个南盘区较大采空区进行块石胶结充填，在治理空区的同时，使南盘区多年开采留设的采场间柱和采区矿柱得到释放。目前南盘区的2#盘区矿柱、4#盘区矿柱、4#采区矿柱和采区间柱（东段）等资源已采用胶结充填法进行回收，取得良好的经济效益。

（1）采用 FLAC^3D软件进行数值分析，确定各盘区矿柱的地压显现情况，得出南三采和南四采2个采区地压显现明显，可最后再考虑开展矿柱回收工作。

（2）针对高峰山老厂分公司矿段的实际情况，在理想条件下考虑了6种不同矿柱回收方案进行模拟分析，推荐采用胶结充填法进行矿柱回收，进路规格为4 m×4 m，两步骤间隔回采，一步骤胶结充填强度大于等于3.52 MPa，二步骤充填强度大于等于1.08 MPa。

（3）工业试验结果表明，在2个不同地压显现程度的工业试验采场回采过程中和回采后，矿柱顶板均能保持稳固，在回收资源的同时能保证回采安全。

（4）从矿柱资源品位、周边空区稳定性以及矿柱上方有无保护工程等方面，确定矿段内有4条剩余矿柱具备回收条件。结合回采经济效益及价格盈亏平衡对比，得出南盘区4#盘区矿柱在锡精矿金属价格大于24.48万元/t时方可回采，南盘区2#盘区矿柱、4#采区矿柱和采区间柱（东段）在锡精矿金属市场价格大于10.05万元/t时便可进行回采。