空場轉(zhuǎn)崩落條件下資源集約整合與空區(qū)放頂研究*

孫江先 王 星 孫國權(quán)

(1.紫金天鷗礦業(yè)有限公司;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

1 地質(zhì)概況

紫金天鷗礦業(yè)有限責任公司下告鐵礦所在地段為一盆地，地勢由南至北逐漸抬升，但中部位置呈現(xiàn)平緩狀態(tài)，侵蝕基準面標高為+160 m。所處盆地周邊的山體于北部呈弧形連續(xù)延伸，于南部呈切割狀延伸。北部海拔標高為285.8～528.8 m，坡角為25°～30°，南部山體海拔標高為308.0～247.15 m，坡角為20°～25°。

1.1 工程地質(zhì)條件

下告鐵礦礦區(qū)的巖體按工程地質(zhì)性質(zhì)可以劃分為6大類:①完整堅硬巖，主要有中粒斑狀黑云母花崗巖、花崗斑巖、閃長玢巖、石英斑巖和中細粒石英砂巖等未風化巖石;②較完整較堅硬的巖體組，主要有未風化的白云質(zhì)大理巖、角巖化粉砂巖、矽卡巖和角巖等;③較破碎較軟巖組，主要是粗中粒斑狀黑云母花崗巖、白云質(zhì)大理巖和大理巖等弱風巖體以及微—弱風化的角巖化細砂巖、角巖化粉砂巖等;④破碎軟巖組，主要是粗中粒斑狀黑云母花崗巖、角巖化細砂巖、角巖化粉砂巖等強風化的巖體;⑤極破碎巖組，主要是糜棱巖和靡棱質(zhì)角礫巖等構(gòu)造巖體;⑥松散組巖體，主要是第四系沖、坡積及全風化巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水補給來源主要為大氣降水和地表的下告河流及其支流。在區(qū)域水文地質(zhì)單元中，礦區(qū)位于區(qū)域地下水的局部排泄區(qū)，區(qū)內(nèi)賦存的地下水，其補給條件良好，排泄則以各含水巖帶之間的內(nèi)循環(huán)為主。各含水巖組的分布、賦存條件形成區(qū)內(nèi)各含水層中地下水的相互補排關(guān)系、地表水與地下水的相互補排關(guān)系及降水對地下水的直接與間接補給關(guān)系。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單。

2 現(xiàn)有井下采空區(qū)調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，空區(qū)存在于+47、+60、+75、+90 m 4個水平范圍內(nèi)，空區(qū)編號分別為6001、6005、6009和6013。空區(qū)總體積為8.28萬m3?？諈^(qū)具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 空區(qū)數(shù)據(jù)

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采空區(qū)穩(wěn)定性分析模型的確定是根據(jù)礦山現(xiàn)有空區(qū)狀態(tài)和礦體的賦存環(huán)境等進行的。參照礦山實際情況，本次數(shù)值模擬的模型尺寸為500 m×240 m×180 m，模型共有24 000個單位和26 775個節(jié)點。

3.1 數(shù)模邊界條件

數(shù)值模擬計算之前，需要對模型設定邊界條件。本次模擬中將模型于X－Y面內(nèi)固定，Z方向上于模型底部進行固定，即讓模型頂面到達地表，無需設定約束，使其處于自由狀態(tài)。

3.2 模擬結(jié)果分析

6005與6009兩空區(qū)Z向位移模擬云圖見圖1，6005與6009兩空區(qū)最大主應力模擬云圖見圖2，6005與6009兩空區(qū)部分Z向位移監(jiān)測點記錄見圖3。

圖1 6005與6009兩空區(qū)Z向位移云圖

圖2 6005與6009兩空區(qū)最大主應力云圖

(1)當?shù)V柱寬度保持在12～15 m時，6005和6009號兩大空區(qū)(采場)均繼續(xù)進行采礦活動直至采完，期間不會造成礦柱和頂板的失穩(wěn)。

圖3 6005與6009兩空區(qū)部分Z向位移監(jiān)測點記錄

(2)由于空區(qū)的頂板位置有呈拱形冒落的趨勢，但+137 m以上部分的次生應力比較小，所以，在采空區(qū)處理期間需強制崩落頂板。

(3)當空區(qū)頂板暴露面積增大時，礦柱內(nèi)的應力集中現(xiàn)象也愈加明顯，此時礦柱的承載對空區(qū)穩(wěn)定性的維護比較重要。

4 資源集約利用與空區(qū)放頂方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在資源整合利用的同時，為保證形成安全覆蓋層，需要進行強制放頂工作。

此方案的思想是依次將6005、6009、6013、6001采空區(qū)崩落，當崩落6013采空區(qū)后，將采場上部+107 m至+126.5 m范圍內(nèi)的礦巖體一起崩落，當6001號采空區(qū)崩落后，將6003上盤巖體崩落。但須注意的是在進行依次崩落作業(yè)時需確保有足夠的巖石墊層。

(1)回采區(qū)段劃分為2個區(qū)段，見圖4。

圖4 兩回采區(qū)段劃分圖

(2)資源整合與放頂作業(yè)步驟。第一步，可具體分以下幾個分步。①進行6005號采場作業(yè):首先將6005號采場上盤+75～+90 m范圍內(nèi)的圍巖進行分段爆破崩落，然后再將其上部+47～+75 m范圍內(nèi)的礦體崩落。該過程中共計有32 425 t礦石崩落，在完成+47～+75 m內(nèi)礦體崩落后出礦8 500 t，此時的覆蓋層厚度為20 m，到達+67 m水平。②進行6009號采場作業(yè):將6009號采場上部+47～+75 m范圍的礦體崩落，共計崩落55 233 t礦體，隨后出礦23 000 t，此時的覆蓋層厚度為25 m，到達+72 m水平。③進行6013號采場作業(yè):將6013號采場上部+47～+107m范圍內(nèi)的礦體崩落，崩礦方式為分段崩落，共崩落42 237 t礦，此后出礦25 200t，該步作業(yè)之后覆蓋層厚度為25 m左右，垂直位置保持在+72 m水平內(nèi)。第二步，在進行上述作業(yè)之后，裝藥巷道和放礦溜井之間連通，為保證后續(xù)作業(yè)的安全，需在第一步驟作業(yè)之后用鋼筋混凝土在與新采空區(qū)相同位置構(gòu)筑阻波墻?？删唧w分為以下幾個分步。①崩落6005和6009號采場之間上面+107～+126.5 m范圍內(nèi)的礦巖體，崩落處礦巖體28 000 m3，此時覆蓋層標高到達+90 m位置。②進行6001號采場上覆+90～+107 m范圍內(nèi)的礦體和6001號采場內(nèi)所留頂住的回采作業(yè)。③進行6003號采場+90～+107 m范圍內(nèi)的礦體回采。④進行6003號采場+47～+90 m范圍內(nèi)的礦體回采。以上作業(yè)需在25 m厚度覆蓋層下進行，在此過程中進行有序出礦作業(yè)，進行資源的有效整合。第三步，于+75 m水平內(nèi)連通其下盤已有的至+60 m水平的天井，并且在工程形成后進行6005號采場西部位置礦巖體的崩落作業(yè)。

(3)采空區(qū)封閉。在上述崩落過程中，需在+47、+60、+75、+90 m水平內(nèi)與采空區(qū)相連通的工程內(nèi)構(gòu)筑阻波墻，并將以后無需使用的工程也進行封閉處理?；炷磷璨▔穸葹?.0 m，于砌筑位置兩幫打0.5 m深的錨桿孔進行固定。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬進行穩(wěn)定分析之后，明確需強制放頂范圍，于后續(xù)作業(yè)中分區(qū)段和步驟進行崩落，這種方案的回采工程和采空區(qū)頂板的崩落工程可以實現(xiàn)平行作業(yè)，于實際礦山的利用中比較容易實現(xiàn)，而且其工程量也相對較少，對于現(xiàn)有4個采空區(qū)的處理時間較短。另外，這種方案在資源的集約整合方面具有較大優(yōu)勢，其殘留礦石回收率最高，所產(chǎn)生貧化率很低。另一方面，此方案能夠?qū)崿F(xiàn)空區(qū)放頂和資源回收整合的同步進行，于資源利用方面可以實現(xiàn)集約化管理和使用，亦即能夠解決礦山生產(chǎn)狀況和產(chǎn)量要求的矛盾，對礦山的實際生產(chǎn)管理具有一定的參考意義。

［1］ 付占宇，彭府華.下告鐵礦采空區(qū)上覆懸頂巖層穩(wěn)定性研究［J］. 采礦技術(shù)，2012.1，12(1):47-49.

［2］ 王慶軍，郭樹林，王軍民，等.控制爆破切槽放頂處理空區(qū)技術(shù)探討［J］. 黃金，2006，27(12):26-30.

［3］ 鄭 磊，高玉寶.多空區(qū)條件下崩落放頂過程的地壓顯現(xiàn)與礦柱穩(wěn)定性研究［J］.有色金屬，2010，62(4):11-14.