露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層界面移動規(guī)律初步分析

溫海民 陳 超 劉艷東

(1．河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司黑山鐵礦，河北承德 067400; 2．河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009;3．寬城滿族自治縣冶金建材工業(yè)公司，河北寬城 067600)

0 引言

我國的大中型露天金屬礦山大多都始建于20世紀(jì)50年代～60年代，經(jīng)過幾十年的開采，已有80%的鐵礦山進入了中晚期開采階段，大部分礦山已在高陡邊坡下進行深凹露天開采。隨著開采深度的增加，技術(shù)難度加大，而且經(jīng)濟上不再可行，因此露天轉(zhuǎn)地下開采勢在必行。對于采用崩落采礦法進行轉(zhuǎn)地下開采的礦山，要求在地下開采區(qū)域的上部留有安全緩沖墊層——覆蓋層，其對露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山生產(chǎn)安全及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)具有重要的現(xiàn)實意義。

實現(xiàn)露天開采方式向地下開采方式的轉(zhuǎn)變，有許多問題需要解決。其中覆蓋層的問題是其中之一。隨著覆蓋層下面礦石的放出，散體不斷的下移補充，覆蓋層界面將不斷的發(fā)生變化，很可能出現(xiàn)凹坑，造成“V”形凹坑，可能使雨水匯聚，造成雨水下滲速度太快，從而對礦山的開采造成危害。為此研究覆蓋層界面移動規(guī)律迫在眉睫。

1 露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層移動規(guī)律實驗研究

1．1 覆蓋層界面移動物理模擬試驗?zāi)康?/h3>

構(gòu)建物理實驗?zāi)Ｐ停M采用無底柱崩落法的露天轉(zhuǎn)地下礦山首采中段放礦過程中，覆蓋層移動變化的規(guī)律，以及覆蓋層表層界面變化，確定其變化規(guī)律。

礦石崩落后，形成覆蓋層—礦石層雙層結(jié)構(gòu)，隨著放礦過程中礦石不斷被放出，礦石層和覆蓋層不斷相互侵蝕，結(jié)果導(dǎo)致礦石層的貧化和覆蓋層散體材料下移流動過程中不斷損失。再次放礦過程中，隨著覆蓋層整體的不斷向下移動，覆蓋層表層界面將不斷的發(fā)生變化，將逐漸出現(xiàn)“V”形塌陷凹坑。覆蓋層表層界面的“V”形塌陷，不但造成礦石的損失貧化，而且會影響到覆蓋層的安全功能，甚至導(dǎo)致覆蓋層安全機能的失效。故在覆蓋層形成和維護過程中，必須考慮后期覆蓋層的損失，保持覆蓋層的結(jié)構(gòu)和厚度大體維持穩(wěn)定和平衡，保證其安全機能充分發(fā)揮。揭示放礦擾動下覆蓋層表層界面的變化規(guī)律，是完善露天轉(zhuǎn)地下礦山覆蓋層設(shè)計和形成技術(shù)急需解決的問題。

本文將通過覆蓋層移動規(guī)律的物理模擬實驗，通過觀察放礦過程中覆蓋層和礦石層的相互侵蝕，分析覆蓋層表層界面的移動規(guī)律。

1．2 覆蓋層界面移動物理模擬試驗內(nèi)容

利用自制實驗?zāi)Ｐ?，通過相似比例實驗，觀察不同覆蓋層表層界面在不同放礦制度下的移動變化規(guī)律，采用數(shù)值擬合方法，構(gòu)建覆蓋層表層界面移動規(guī)律描述模型。

1．3 覆蓋層界面移動物理模擬試驗

采用自制實驗?zāi)Ｐ?，相似比?∶200，礦體垂直厚度18 cm，礦體傾角65°，礦體上盤邊坡角取50°，下盤邊坡角取55°，模型長80 cm，寬70 cm，高120 cm，試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。

實驗用的散體實驗介質(zhì)取自石人溝鐵礦，經(jīng)破碎篩分，其粒度構(gòu)成見表1。

表1 試驗中散體實驗介質(zhì)配比

實驗中所用的材料如圖2所示。

圖1 覆蓋層界面移動實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖2 滲透實驗所用物料

2 試驗結(jié)果分析

由圖3，圖4可知，隨著礦石層放出礦石量的增加，覆蓋層和礦石層相互侵蝕，覆蓋層表層界面形態(tài)在移動過程中不斷變化。隨著礦石的放出，覆蓋層界面不斷移動下降，覆蓋層表層界面將由原來的拋物線形慢慢轉(zhuǎn)化成為直線形或反拋物線形。以A點為坐標(biāo)原點，測得覆蓋層界面曲線的6個點坐標(biāo)，見表2。

表2 覆蓋層界面曲線坐標(biāo)點 cm

作圖如圖5，圖6所示。

圖3 放礦前的覆蓋層表層界面

圖4 充分放礦后的覆蓋層表層界面

圖5 放礦前覆蓋層表層界面形態(tài)曲線圖

圖6 放礦后覆蓋層表層界面形態(tài)曲線圖

在圖6中，短虛線表示原覆蓋層界面曲線，長虛線表示二階拋物線擬合曲線，實線表示三階拋物線擬合曲線。運用數(shù)學(xué)公式，求得:

三階拋物線模擬公式:

二階拋物線模擬公式:

由圖6可知實線比較接近覆蓋層界面曲線，所以應(yīng)該用三階拋物線模擬公式:

3 結(jié)語

該模型在由露天轉(zhuǎn)地下開采的過程中，由露天邊幫爆破形成覆蓋層時，應(yīng)該爆破成拋物線形y=－0．000 7x3+0．012 4x2+0．351 1x+42．482。具體到某一個礦時，應(yīng)該做成一個比例模型，仿照上述步驟尋得拋物線界面曲線，為露天邊幫爆破提供指導(dǎo)性意見。

［1] 徐長佑．露天轉(zhuǎn)地下開采［M］．武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1990．

［2] 解世俊．金屬礦床地下開采［M］．第2版．北京:冶金工業(yè)出版社，1986:224-228．

［3] 李寶祥．金屬礦床露天開采［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1992．

［4] Tovey N K，Krinslry D H．Mapping of the orientation of finegrained mineral in solid and sediments［J］．Bulletin of IAEG，1992(5):19-20．