露天地下協(xié)同采礦充填方法

任鳳玉 張東杰 李海英 宋德林

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110189)

1 概 述

弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南采區(qū)包括上、下2 條含鐵帶。下盤含鐵帶以磁鐵礦為主，目前已開采至192 ～152 m水平，在地表形成靠近上盤含鐵帶的深陡塌陷坑;上盤含鐵帶以赤鐵礦為主，近年才開始從+448 m 臺(tái)階開始露天開采，整個(gè)露天采區(qū)位于下盤開采移動(dòng)帶之內(nèi)(見圖1)。為保障露天采場(chǎng)生產(chǎn)安全，下盤含鐵帶需改用充填法向下繼續(xù)開采。

下盤含鐵帶礦體厚2 ～50 m，平均品位33.75%，礦體上下盤含綠泥巖，極不穩(wěn)固，如果用充填法開采［1-3］，存在3 大問題:①圍巖極不穩(wěn)固，為形成充填所需空?qǐng)?，需留護(hù)壁礦柱，生產(chǎn)安全條件差，礦石損失大;②礦石品位較低，充填法采礦成本較高，企業(yè)抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力差;③東南區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量5.4 億t，是鞍鋼集團(tuán)公司中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的主采區(qū)，充填法受圍巖穩(wěn)定性限制，采場(chǎng)生產(chǎn)能力低，無法滿足高強(qiáng)度開采。

圖1 東南區(qū)開采示意Fig.1 The diagram of mining in south-east zone

針對(duì)上述問題，結(jié)合礦床條件，圍繞地表巖移控制［4-5］需要與采、充工藝技術(shù)2 方面開展研究工作，提出了露天地下協(xié)同采充方法，解決了弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南區(qū)礦體高效開采的技術(shù)難題。

2 臨界散體柱支撐原理

弓長(zhǎng)嶺鐵礦的地表塌陷坑形態(tài)如圖2 所示，坑底冒落的散體，向塌陷坑邊壁施加主動(dòng)側(cè)應(yīng)力，同時(shí)承受邊壁巖體變形擠壓的被動(dòng)應(yīng)力，主動(dòng)應(yīng)力與被動(dòng)應(yīng)力共同作用，對(duì)邊壁巖體形成較大的側(cè)向支撐力，由此限制了邊壁巖體的片落范圍。

圖2 弓長(zhǎng)嶺鐵礦塌陷坑形態(tài)Fig.2 The form figure of collapse pit in Gongchangling Iron Mine

對(duì)圖2 所示巖體的應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行分析得出，塌陷坑底部散體對(duì)邊壁巖體的側(cè)向支撐力，隨散體堆高度的增大而增加，當(dāng)施力散體達(dá)到某一高度(或厚度)時(shí)，所形成的散體柱的重力能夠使底層散體的變形剛度足以克服邊壁巖體的碎脹，由此可控制邊壁巖體的塌陷范圍，使其不再進(jìn)一步擴(kuò)大。這一高度的散體柱稱之為臨界散體柱。

臨界散體柱的高度與邊壁巖體的穩(wěn)定性、散體的變形剛度、散體的側(cè)向承載條件有關(guān)。一般進(jìn)入深部開采的金屬礦山，臨界散體柱的高度僅是塌陷坑內(nèi)散體總高度的一小部分。弓長(zhǎng)嶺鐵礦為沉積變質(zhì)礦床，礦體與圍巖呈急傾斜平行層狀產(chǎn)出，礦體單層厚度2～30 m，傾角65° ～90°;礦石主要為磁鐵石英巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，硬度系數(shù)f =8 ～20，節(jié)理發(fā)育;上、下盤基巖主要為混合巖、斜長(zhǎng)角閃巖與硅質(zhì)巖層，f=6 ～12;在礦體與上、下盤基巖之間，斷續(xù)出露綠泥片巖，松軟破碎，f=3 ～4，容易片落。該礦中央?yún)^(qū)的開采深度為385 ～636 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的臨界散體柱高度為99 ～118 m，僅占塌陷坑充滿散體時(shí)的采空區(qū)整個(gè)高度的17.36% ～ 30.82%。也 就 是 說，占 69.18% ～82.64%充滿散體高度的深部空區(qū)，對(duì)地表陷落范圍的影響極小。

由上述分析可知，位于地表塌陷坑底的臨界散體柱，控制著邊壁巖體的片落范圍。根據(jù)這一結(jié)論，如果保持臨界散體柱的高度與變形剛度不變，即可保持地表塌陷范圍的大小不變。此時(shí)，陷落角(采空區(qū)底板邊緣到地表陷落區(qū)邊界的連線與水平面的夾角β)將隨開采深度的增加而增大，如圖3 所示。

圖3 塌陷角與采深關(guān)系Fig.3 The relationship between collapsed angle and mining depth

由圖3 關(guān)系可得［6］:

式中，β 為陷落角;α 為礦體傾角;β0為錯(cuò)動(dòng)角;H 為開采深度;h0為臨界深度，等于臨界散體柱與塌陷坑的高度之和?？梢?，當(dāng)臨界深度(h0)一定時(shí)，H 值越大，β 值越大;而當(dāng)采深(H)一定時(shí)，h0值越小，β 值越大，說明塌陷坑的高度越小，陷落角越大。這一關(guān)系表明，如果向塌陷坑充填散體，使臨界散體柱的位置上移，可有效增強(qiáng)地表塌陷區(qū)邊界巖體的穩(wěn)定性。

3 露天地下協(xié)同采充方法

基于上述臨界散體柱支撐原理，可通過向塌陷坑充填廢石來控制邊壁巖體的片落活動(dòng)和增強(qiáng)塌陷區(qū)邊界巖體的穩(wěn)定性。據(jù)此，對(duì)圖1 所示的開采條件，提出了利用上盤含鐵帶露天采場(chǎng)剝離的廢石充填下盤含鐵帶的塌陷坑，保障露天采場(chǎng)生產(chǎn)安全的技術(shù)措施;同時(shí)，將下盤含鐵帶改用無底柱分段崩落法開采［7-9］，利用塌陷坑內(nèi)散體的自然下移充填采空區(qū)，由此形成露天地下協(xié)同采充方法。

分析表明，在圖1 所示的條件下，實(shí)施露天地下協(xié)同采充方法，將露天剝離的廢石就近充填塌陷坑，由于縮短了排巖運(yùn)距，可大幅度提高排巖效率，有利于提高露天產(chǎn)能;同時(shí)，通過向塌陷坑充填廢石保持臨界散體柱的高度，由此控制地表陷落范圍，解除了下盤含鐵帶的采深限制，便于下盤含鐵帶的高效開采。因此，露天地下協(xié)同采充方法，能夠滿足高效開采需要，在保障施工安全的條件下，便可用來解決弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南區(qū)礦體高效開采的技術(shù)難題。

4 生產(chǎn)安全危害防治

針對(duì)弓長(zhǎng)嶺鐵礦下盤含鐵帶塌陷坑兩壁陡立，坑底被冒落和片落的散體所覆蓋這一現(xiàn)狀，為確定合理的廢石充填方案，需要評(píng)估塌陷坑邊壁巖體有無大規(guī)模片落的可能，為此需要研究塌陷坑底部散體有無突然大幅度沉降的可能性。這一問題歸結(jié)為塌陷坑散體的移動(dòng)方式:是隨著下部礦石的采出緩慢連續(xù)下移，還是結(jié)拱后突然大幅度垮落。為此，需要實(shí)驗(yàn)研究散體流動(dòng)中結(jié)拱現(xiàn)象的發(fā)生條件，根據(jù)主要影響因素的實(shí)際情況，分析塌陷坑內(nèi)散體的移動(dòng)方式［10-11］。

調(diào)查分析得出，在弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南區(qū)的地質(zhì)條件下，影響塌陷坑散體流動(dòng)連續(xù)性的主要因素為散體塊度的組成。在地下出礦結(jié)束的漏斗口，對(duì)出露覆蓋層散體實(shí)驗(yàn)測(cè)定其塊度組成，并參考地表目測(cè)結(jié)果加以修正，得出塌陷坑散體的塊度估計(jì)值(見表1)，作為實(shí)驗(yàn)物料配比的依據(jù)。同時(shí)定義采空區(qū)的寬度與散體粒徑的比值稱為跨徑比。

表1 東南區(qū)塌陷坑散體塊度估計(jì)值Table 1 Cover layer dispersion block estimation in south-east zone

本次實(shí)驗(yàn)共分為3 組:第1 組為等邊小模型等粒徑散體的結(jié)拱實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)跨徑比大于6 時(shí)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象，跨徑比在4.3 ～6 時(shí)偶爾結(jié)拱，當(dāng)跨徑比小于4 時(shí)會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的結(jié)拱現(xiàn)象;第2 組為兩壁約束模型的等粒徑散體的結(jié)拱實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)跨徑比大于3時(shí)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象，當(dāng)跨徑比小于2 時(shí)會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的結(jié)拱現(xiàn)象;第3 組為現(xiàn)場(chǎng)塊度配比的模擬實(shí)驗(yàn)，取散體中占顆?？傊亓?0%的較大粒徑組的平均粒徑作為混合散體的標(biāo)志粒徑，實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)跨徑比不小于2.6 時(shí)散體顆?？蛇B續(xù)流動(dòng);當(dāng)跨徑比為1.6 ～2.6 時(shí)，偶爾出現(xiàn)流動(dòng)停頓、卡塊與小型結(jié)拱現(xiàn)象;當(dāng)跨徑比小于1.6 時(shí)出現(xiàn)卡塊、結(jié)拱現(xiàn)象，見表2。

表2 不同跨徑比散體流動(dòng)連續(xù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental result of the granular flow continuity under different span ratio

由表2 可知，為避免散體在移動(dòng)過程中發(fā)生結(jié)拱現(xiàn)象，需保障跨徑比R≥2.6。為安全起見，塌陷坑散體的標(biāo)志粒徑按1.5 m 計(jì)算，則保障散體流動(dòng)連續(xù)性的采空區(qū)寬度為3.9 m，而弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南區(qū)塌陷區(qū)的邊壁寬度最窄處不小于10 m，保險(xiǎn)系數(shù)為2.56。因此，塌陷區(qū)內(nèi)散體在下移過程中不會(huì)發(fā)生結(jié)拱現(xiàn)象，即向塌陷坑排巖時(shí)不會(huì)引發(fā)結(jié)拱陷落危害。

向塌陷坑排巖的另一種可能危害形式為邊壁滑落危害。東南區(qū)下含鐵帶的上盤巖石主要為鈉長(zhǎng)片巖、斜長(zhǎng)角閃巖等。巖石一般穩(wěn)定性較好，但由于熱液蝕變使頂?shù)装褰V圍巖多形成鎂鐵閃巖、綠泥巖等蝕變巖石，蝕變帶厚度大約20 m 左右，其穩(wěn)定性較差;與此同時(shí)，未被廢石充填部位的塌陷坑深度達(dá)到20 ～55 m，其兩幫壁面主要由結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，表明兩幫圍巖主要沿結(jié)構(gòu)弱面向塌陷坑片落或滑落。為防止塌陷坑邊壁在排巖過程中發(fā)生滑落，提出了沿塌陷坑邊幫與軸線2 個(gè)方向協(xié)同排巖的方案(見圖4)，使排放的散體互相支撐，增強(qiáng)邊壁與散體堆的穩(wěn)定性。

圖4 排巖方案Fig.4 The rock dumping program

5 新方案實(shí)施效果

弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南區(qū)上含鐵帶露天開采剝離的廢石，原來使用汽車運(yùn)至后臺(tái)溝排土場(chǎng)，需要在采場(chǎng)外運(yùn)輸2 km 的距離。自從實(shí)施向塌陷坑排放廢石的技術(shù)措施之后，絕大部分剝離廢石向采場(chǎng)旁的塌陷坑就近排放。在方案實(shí)施后2 a 內(nèi)，向塌陷坑排巖3 600萬t，節(jié)省運(yùn)費(fèi)13 280.8 萬元，排巖量增大361.5 萬t，露天礦石產(chǎn)量增大79.7 萬t，地下礦礦石產(chǎn)量增大40.0 萬t，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

該礦應(yīng)用實(shí)踐表明，露天地下協(xié)同采充技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn):①將下盤含鐵帶由充填法開采轉(zhuǎn)變?yōu)楸缆浞ㄩ_采，利用塌陷坑散體下移充填采空區(qū)，避免了采場(chǎng)內(nèi)采充作業(yè)的相互影響，提高了開采強(qiáng)度;②下盤含鐵帶的深部開采為上盤含鐵帶露天開采提供廢石排放場(chǎng)地，減小了廢石運(yùn)距，增大了露采效率;③上盤含鐵帶露天開采為下盤含鐵帶卸壓，減小了地下采準(zhǔn)巷道的支護(hù)與維修工作量，提高了地采效率。

6 結(jié) 論

(1)弓長(zhǎng)嶺東南區(qū)為圍巖不穩(wěn)定的低品位鐵礦體，用傳統(tǒng)充填法開采的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)較大，針對(duì)礦床條件研發(fā)了采充分離的高效開采工藝。

(2)通過研究采礦引起的地表塌陷坑的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)得出，塌陷坑內(nèi)的臨界散體柱控制地表塌陷的范圍。而向塌陷坑充填廢石，抬升臨界散體柱的位置，增強(qiáng)地表塌陷區(qū)邊界巖體的穩(wěn)定性，可有效保障露天采場(chǎng)近塌陷區(qū)作業(yè)的開采安全。

(3)露天排棄的廢石充入塌陷坑，使塌陷坑內(nèi)的散體自然下移充填地下采空區(qū)，由此構(gòu)成的大規(guī)模充填系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)地下深部開采控制塌落角的功能，又避免采充作業(yè)的相互影響，可大幅度提高充填效率。

(4)弓長(zhǎng)嶺鐵礦塌陷坑內(nèi)的散體，具有較好的流動(dòng)連續(xù)性，不會(huì)在采動(dòng)下移過程中形成結(jié)拱現(xiàn)象，因此，向陷坑排巖不會(huì)發(fā)生散體陷落危害。此外，采用沿塌陷坑軸向與徑向協(xié)同排巖的方法，可有效控制滑坡危害。

(5)應(yīng)用效果表明，可大幅度提高采充生產(chǎn)效率和改善采充作業(yè)環(huán)境，為大型低品位鐵礦床環(huán)保型高效開采開辟了新途徑。

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