小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下分區(qū)高效開采技術(shù)

李 楠 常 帥 任鳳玉

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下分區(qū)高效開采技術(shù)

李 楠1常 帥2任鳳玉3

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

針對小汪溝鐵礦上部礦體規(guī)模較小、露天轉(zhuǎn)地下自由作業(yè)空間小、首采礦段的回采工作面不夠充足、難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)能的問題，在分析礦巖可冒性以及礦體賦存條件的基礎(chǔ)上，提出了基于巖體持續(xù)冒落面積的3分區(qū)開采方案，并依據(jù)頂板圍巖冒落范圍以及巖移影響范圍分析了分區(qū)開采的安全條件。該方案在確保生產(chǎn)安全的前提下，將小汪溝鐵礦的地采產(chǎn)能由設(shè)計(jì)的100萬t/a提高到280萬t/a。生產(chǎn)實(shí)踐表明，利用頂板圍巖的冒落特性提出的多分區(qū)開采技術(shù)，擴(kuò)展了露天和地下同時(shí)開采的作業(yè)空間，不僅實(shí)現(xiàn)了小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下產(chǎn)能的大幅度提高，也實(shí)現(xiàn)了安全高效的開采目標(biāo)，同時(shí)也為類似鐵礦山實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度開采提供了有效途徑。

露天轉(zhuǎn)地下 冒落 分區(qū)開采 無底柱分段崩落法

小汪溝鐵礦礦體+300 m水平以上采用露天開采，+300 m以下轉(zhuǎn)入地下開采。地下開采設(shè)計(jì)應(yīng)用無底柱分段崩落法，幾經(jīng)優(yōu)化，最終取階段高度60 m，分段高度12 m，從上向下逐階段開采，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力100萬t/a。但由于上部礦體規(guī)模較小，露天轉(zhuǎn)地下的自由作業(yè)空間小，首采礦段的回采工作面較少，實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)能的難度較大。因此，為實(shí)現(xiàn)在有效轉(zhuǎn)產(chǎn)銜接的同時(shí)又能夠增大產(chǎn)能[1-2]，需針對礦床條件，研發(fā)適宜的高效開采工藝。

1 開采分區(qū)方法

小汪溝鐵礦地質(zhì)儲量較大(6 477萬t)，制約產(chǎn)能的主要因素是分段內(nèi)礦體的面積較小(水平面積僅1.48～1.52萬m2)，由此限制了常規(guī)開采方法的回采工作線的長度。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，小汪溝鐵礦上盤圍巖節(jié)理裂隙比較發(fā)育而節(jié)理面密閉，當(dāng)暴露面積較小時(shí)具有較好的穩(wěn)固性，當(dāng)暴露面積足夠大時(shí)具有良好的可冒性。為此，考慮利用巖體的冒落特性[3]。結(jié)合小汪溝鐵礦礦巖可冒性分析以及礦體賦存條件，提出了基于巖體持續(xù)冒落面積的分區(qū)開采方案。

大體說來，隨采空區(qū)頂板暴露面積的增大，上覆巖層逐漸發(fā)生自然冒落。發(fā)生冒落的面積與冒落的高度隨空區(qū)頂板暴露面積的增大而不斷增大。當(dāng)空區(qū)頂板暴露面積達(dá)到一定數(shù)值后，即使不再增大暴露面積，隨著時(shí)間的推移，冒落高度也不斷增大，頂板圍巖不再形成長時(shí)間穩(wěn)定的應(yīng)力平衡拱，這時(shí)的空區(qū)頂板面積稱之為持續(xù)冒落面積[4]。而頂板圍巖發(fā)生持續(xù)冒落時(shí)的最小暴露面積稱之為臨界持續(xù)冒落面積。具體內(nèi)容包括以下3個方面。

(1)每一區(qū)域的回采面積需大于持續(xù)冒落面積，靠自身采空區(qū)的回采面積能夠誘導(dǎo)頂板圍巖自然冒透地表。

(2)分區(qū)之間臨時(shí)礦柱的尺寸不小于采動壓力的影響范圍，不因分區(qū)開采影響相鄰采區(qū)采動壓力峰值，或者引起峰值應(yīng)力的變化，在巖體強(qiáng)度允許范圍之內(nèi)，確保各分區(qū)之間礦體得到正常開采。

(3)下分區(qū)冒透地表的時(shí)間在上分區(qū)采至下分區(qū)的影響范圍之前，當(dāng)上位分區(qū)采至下位分區(qū)影響范圍之內(nèi)時(shí)，下位采空區(qū)早已冒透地表，且散體早已沉實(shí)，并對臨時(shí)礦柱形成穩(wěn)定的散體側(cè)壓力條件，保護(hù)臨時(shí)礦柱在開采過程中不發(fā)生明顯的沉陷位移。

2 分區(qū)開采方案

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與巖體穩(wěn)定性分級結(jié)果，頂板圍巖一般節(jié)理裂隙中等發(fā)育，點(diǎn)荷載強(qiáng)度多在3～5 MPa，屬于整體中等穩(wěn)定、局部穩(wěn)定的級別，這一穩(wěn)定性條件與西石門鐵礦中區(qū)的頂板圍巖類似[5]。運(yùn)用工程類比法分析得出，小汪溝鐵礦頂板圍巖的完整性不如西石門中區(qū)，臨界持續(xù)冒落面積不應(yīng)超過6 000 m2。

根據(jù)臨界持續(xù)冒落面積初步分析結(jié)果，結(jié)合礦體條件，首先提出了以12.66線為界分為上、下2區(qū)同時(shí)開采的雙工作面平行推進(jìn)方案(見圖1)。下位分區(qū)第1分段進(jìn)路回采結(jié)束時(shí)，上位分區(qū)將回采到第3～第4分段，即當(dāng)+60 m分段回采結(jié)束時(shí)，上位分區(qū)將回采到+276 m或+264 m分段，此時(shí)下位分區(qū)的巖移范圍至上位分區(qū)回采工作面的水平距離約為320 m，也就是說，分區(qū)之間臨時(shí)礦柱的尺寸可達(dá)320 m。工程實(shí)踐表明，對于中等穩(wěn)定的巖體條件，采動壓力顯著影響范圍一般不超過30 m[6]。因此，厚度320 m的臨時(shí)礦柱足可保證上、下2分區(qū)生產(chǎn)工作面互不影響。

圖1 上、下分區(qū)開采方案Fig.1 Scheme of top and bottom mining divisions

但由于下位分區(qū)的回采時(shí)間不能滿足露天轉(zhuǎn)地下穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)銜接的需要，為此，設(shè)計(jì)將上部分區(qū)進(jìn)一步分為2個采區(qū)。根據(jù)夏甸金礦的經(jīng)驗(yàn)，對于節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)面密閉的巖體，采空區(qū)頂板冒落引起空區(qū)邊緣的應(yīng)力集中范圍一般不超過25 m[7-8]，考慮1.2的保險(xiǎn)系數(shù)，取臨時(shí)礦柱的尺寸不小于30 m。按此要求，結(jié)合礦體形態(tài)，從+240 m水平礦體厚度較大的第9勘探線入手，以240 m水平為界，將其分為上、中2個分區(qū)。因此，整個礦體沿延深方向分為上、中、下3個分區(qū)同時(shí)開采。

上部分區(qū)從露采境界向下逐分段回采；中部分區(qū)與下部分區(qū)的首采位置，根據(jù)頂板圍巖臨界持續(xù)冒落面積的評估值，同時(shí)考慮冒落過程中分區(qū)之間受礦山壓力的影響范圍，選擇在適宜的階段運(yùn)輸水平的標(biāo)高位置。由于+240 m水平設(shè)置2條平硐，構(gòu)成環(huán)形運(yùn)輸系統(tǒng)，因此，經(jīng)優(yōu)選確定為：中部分區(qū)從+240 m分段開始向下開采，下部分區(qū)從+60 m分段開始向下開采。3分區(qū)的水平投影關(guān)系見圖2。

圖2 3分區(qū)位置的水平投影關(guān)系Fig.2 Horizontal projection of three mining divisions

上位分區(qū)的首采分段設(shè)置在+300 m水平，下位分區(qū)的首采分段設(shè)置在+60 m水平，前者礦體水平面積為8 336 m2，后者礦體的水平面積為17 500 m2，兩者都大于6 000 m2。因此，兩者都可用首采分段的回采面積誘導(dǎo)頂板圍巖自然冒落。中位分區(qū)的首采分段的回采面積與采空區(qū)跨度不足以誘導(dǎo)頂板圍巖自然冒落，為使頂板圍巖自然冒落，需連續(xù)回采+240 m、+228 m、+216 m與+204 m 共4個分段，即用這4個分段的回采面積誘導(dǎo)頂板圍巖自然冒落。

3 分區(qū)開采安全及其實(shí)施效果

分區(qū)開采的首要原則是不破壞每一工作面的生產(chǎn)安全條件，即每一工作面都不能遭受因分區(qū)開采帶來的采動地壓的破壞作用與空區(qū)冒落危害[9]。小汪溝礦體賦存在陽起磁鐵石英巖和透閃磁鐵石英巖中，穩(wěn)定性較好，而且礦體側(cè)伏角較小、延深較大，沿傾斜方向有足夠的分區(qū)空間，可使分區(qū)之間避開采動壓力疊加，加之應(yīng)用無底柱分段崩落法開采，采準(zhǔn)工程承受采動壓力的能力較強(qiáng)，因此，分區(qū)開采引起的采動壓力容易控制到不對生產(chǎn)造成較大影響的程度。

按照臨時(shí)礦柱的尺寸不小于30 m的要求，在上位分區(qū)的+276 m分段回采結(jié)束之前，中位分區(qū)的頂板圍巖能夠自然冒落或強(qiáng)制崩落，使其冒落或崩落的高度超過+276 m，即可保證中位空區(qū)不影響上位分區(qū)的回采工作面的生產(chǎn)安全。下位采空區(qū)向上冒落過程中，在冒落空區(qū)邊緣引起的應(yīng)力集中帶的寬度，有可能超過中位空區(qū)。為安全起見，取2倍的保險(xiǎn)系數(shù)，按60 m寬臨時(shí)礦巖柱的要求確定2分區(qū)的回采順序。按此要求，在中位分區(qū)+120 m分段回采結(jié)束之前，下位分區(qū)的頂板圍巖能夠自然冒落或強(qiáng)制崩落，并使其冒落或崩落的高度超過+120 m，即可保證下位空區(qū)不影響上位分區(qū)回采工作面的生產(chǎn)安全。

總之，按頂板持續(xù)冒落面積沿礦體延深方向劃分3區(qū)開采，按上述關(guān)系安排回采順序，以此保證分區(qū)之間臨時(shí)礦柱的寬度，即可保正3工作面同時(shí)回采方案正常生產(chǎn)的安全條件。

在實(shí)施過程中，上、中、下3分區(qū)的頂板圍巖隨著其下礦石的回采而自然冒落，截止到2011年底，中部分區(qū)已經(jīng)冒透地表，下部分區(qū)在第1分段進(jìn)路的回采過程中已形成足夠厚度的覆蓋層，各分區(qū)的回采工作均得以順利進(jìn)行。經(jīng)過對礦山實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在3個分段的回采區(qū)域，取得了礦石回采率85.2%、貧化率12.6%的良好效果。同時(shí)，在基建投資幾乎沒有增加的條件下，將小汪溝鐵礦的地采產(chǎn)能由設(shè)計(jì)的100萬t/a提高到2011年的280萬t/a。

3分區(qū)開采技術(shù)擴(kuò)展了露天、地下同時(shí)開采的作業(yè)空間，不僅實(shí)現(xiàn)了露天轉(zhuǎn)地下過渡期的增產(chǎn)銜接，也實(shí)現(xiàn)了安全高效的開采目標(biāo)。同時(shí)，分區(qū)開采技術(shù)也為類似鐵礦山提供了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度開采的有效途徑。

4 結(jié) 論

(1)基于頂板圍巖的冒落特性提出的上、中、下3分區(qū)同時(shí)開采方案有效擴(kuò)展了回采工作面的作業(yè)范圍，顯著增大了礦山的生產(chǎn)能力。

(2)合理分區(qū)布置以及合理的回采順序有效保證了各分區(qū)之間的回采安全，避免了各分區(qū)回采巖移的互相影響。

(3)基于巖體持續(xù)冒落面積的分區(qū)開采技術(shù)不僅保證了小汪溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下過渡期間地采產(chǎn)能的大幅度提高，也實(shí)現(xiàn)了安全高效的開采目標(biāo)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

High Efficient Divisional Mining Technology during Transition from Open-pit to Underground Mining in Xiaowanggou Iron Mine

Li Nan1Chang Shuai2Ren Fengyu3

(1.CCTEGShenyangEngineeringCo.，Ltd.，Shenyang110015，China; 2.SchoolofMiningEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China;3.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

There are some problems in Xiaowanggou Iron Mine，such as small-scale upper ore-body，narrow working space from open pit to underground mining，and deficient stopes in the first mining section，and hard to reach the expected productivity etc.In view of these problems，and on the basis of analyzing the caving possibility of ore rocks and the occurence conditions of orebody，a new scheme of three dividions based on the continuous caving of rocks was proposed.And then，according to the ranges of roof surrouding rock caving and rock movement，the safety of mining were analyzed.On the premise of keeping safety in mining，this scheme makes the productivity of underground mining in Xiaowanggou Iron Mine increase from 1 million t/a in original to 2.8 million t/a.Finally，the production practice showed that the multi-division mining technology based on the characteristics of roof surrounding rock caving expanded the work space as the simultaneous mining of open pit and underground.It not only greatly improves the productivity from open pit to underground in Xiaowanggou Iron Mine，but also achieves the exploration target with safety and efficiency.Meanwhile，it provides an effective way for high efficient exploitation of similar iron mines.

Transition from open-pit to underground，Caving，Sectional mining，Pillarless sublevel caving method

2013-12-11

李 楠(1981—)，女，工程師，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-05-021-03