緩傾斜厚層石膏礦床崩落法開采損失貧化控制技術研究

賈海波，任鳳玉，丁航行，何榮興

(東北大學 資源與土木工程學院，沈陽110004)

我國石膏資源豐富，已探明的各類石膏總儲量約為600億t，但特級和一級石膏僅占總量的8%，絕大多數石膏產品價值低，需要低成本高效開采，因此，迄今為止，國內石膏礦床普遍采用房柱法開采，而且礦柱不回收，永久損失地下[1]。在開采緩傾斜厚層石膏礦床時，一般礦柱礦量超過60%，由此造成石膏礦石的回采率低[2]。此外，石膏礦柱抗風化能力弱，支撐強度隨時間推移不斷弱化，當支撐不住頂板巖層施加的壓力時，失穩(wěn)垮落，容易造成空區(qū)冒落災害。2015年12月25日山東省平邑縣保太鎮(zhèn)境內萬莊石膏礦區(qū)，就發(fā)生了大規(guī)模采空區(qū)坍塌事故(簡稱“12.25”重大礦難)，由此充分表明，厚層石膏礦體用房柱法開采，存在嚴重的安全隱患。為消除礦柱危險源和保持低成本采礦，可用崩落法沿礦層連續(xù)開采。為此，有人研究用無底柱分段崩落法代替空場法回采石膏礦床的可能性，并在一些石膏礦山進行了試驗[3]。但由于一般石膏礦床的礦體厚度，不滿足無底柱分段崩落法三分段回采的要求[4-5]，由此導致礦石損失率與貧化率過大，從而該法未能推廣應用。由此可見，如何解決損失貧化控制問題，是崩落法取代房柱法開采石膏礦床的重要前提。

本文結合山東蘭陵石膏集團有限公司厚層石膏礦床條件，運用三律(巖體冒落規(guī)律、散體流動規(guī)律和地壓活動規(guī)律)適應性理論，研究崩落法用于開采厚層石膏礦床時的損失貧化控制技術。

1 礦床地質條件與三律特性

1.1 礦床地質條件

山東蘭陵石膏集團有限公司礦床賦存于古近紀官莊群卞橋組二段—含膏巖性段內。由下至上可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個礦帶，其中Ⅰ-1石膏層占礦床總資源量的79.99%，是開采主礦層。該石膏層長3 800 m，寬2 760 m，產狀27°∠3°～9°，埋深269.69～791.57 m，產出標高-253.81～-780.82 m，礦層厚度10.69～24.90 m，平均厚度14.90 m，巖石質量指標50%～70%，屬中等完整，局部破碎。結構面以層面為主，抗壓強度較高，巖塊堅硬系數1.73。

礦層頂板為泥巖、泥灰?guī)r與薄層石膏礦層相間分布，各層產狀基本一致，石膏層與泥巖夾層呈突變關系，界線清楚。泥巖夾層分布穩(wěn)定，節(jié)理、層理不發(fā)育，層狀結構，含泥量較高，質軟，易產生彎張破壞或塑性變形導致坍塌，屬軟弱巖石。礦層底板以泥巖為主，少量含膏泥巖，局部為泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r、細—粉砂巖。礦區(qū)水文地質條件簡單，工程地質條件屬中等類型。

1.2 巖體三律特性

礦山采用留永久性連續(xù)礦柱的房柱采礦法，礦房寬5～6 m，礦柱寬5～6 m，礦房回采高度8～16 m，礦石回采率20%左右。采動地壓的顯現形式，主要表現于礦柱的變形與塌落。在礦房回采期間，礦房與礦柱的穩(wěn)定性較好，一般不需要支護。隨著回采區(qū)域的增大和時間的推移，礦柱在采動應力與表層風化的耦合作用下，層理與裂隙開張，表層呈碎塊脫落(見圖1)，礦柱的縮小與變形，引起頂板暴露跨度增大，發(fā)生破壞與冒落。最終礦柱失穩(wěn)，引起頂板較大規(guī)模冒落。

采空區(qū)頂板的冒落形式，受石膏層理的影響較大。由相似材料實驗得出，隨著采空區(qū)跨度的增大，頂板石膏巖體按層理逐層發(fā)生離層與脫落，兩側邊壁呈小塊掉落，使采空區(qū)冒落線呈梯形向上發(fā)展。在實驗條件下，邊壁冒落線的傾角57°～70°(見圖2)。這一逐層冒落的特性，有利于控制落礦過程的廢石摻雜。

圖1 地壓活動引起礦柱片落Fig.1 Pillar scaling in gypsum mine caused by ground pressure

圖2 石膏礦體冒落線實驗形狀Fig.2 The experimental shape of caving line in gypsum mine

散體流動的黏滯性對放礦過程中礦石損失貧化影響重大，因此是崩落法采場結構參數的主要影響因素。為查明散體流動黏滯性，需要測定放出體形態(tài)。根據現場調查與觀察，蘭陵石膏集團厚層石膏礦床的崩落礦石塊度一般不超過0.8 m，按1/100幾何相似比進行測定放出體形態(tài)的放礦實驗，取7號井田的石膏礦石，破碎成塊度不大于0.8 cm的散體，在東北大學放礦實驗室，用達孔量方法測定放出體形態(tài)，即在實驗模型的散體堆里預先設置標志顆粒，稱量每次放出標志顆粒時的當次散體放出量，累計得出每一個標志顆粒到達漏口時對應的放出總量，根據其所在散體堆中擺放的排面位置，劃出達孔量曲線，由達孔量相等的點確定放出體邊界。由此得出的放出體下部較寬上部較窄(見圖3)，表明石膏散體的流動黏滯性較大，覆巖下放礦時，頂部覆蓋層廢石較早混入礦石中，引起較大的礦石貧化率。為此，需采取措施，嚴格控制頂部廢石的形成與混入時間。

2 降低崩落法礦石損失貧化的技術措施

崩落法采礦的礦石損失貧化過程，主要包括落礦與出礦兩個階段。落礦損失主要為未崩落又不能適時自然冒落的礦石損失；落礦貧化主要是采場內礦石在崩落或冒落過程中摻雜廢石造成的貧化。放礦損失主要發(fā)生于礦體下盤或出礦口之間的礦石殘留，即采場內崩落或冒落的礦石放不出來部分，最終損失于采場之內；放礦貧化主要發(fā)生于采場礦石放出過程中的廢石混入，即礦石摻雜廢石放出造成的品位降低。對厚層石膏礦床而言，礦體厚度相對于崩落法的適用條件來說較小，崩落礦石的移動空間條件差，為此需要在落礦與出礦兩個階段，全程控制礦石損失貧化，以實現低貧損開采[6]。

由于礦體厚度較小，從降低礦石損失考慮，適合用有底柱崩落法開采。此時導致礦石貧化的原因，主要是頂板廢石混入。為控制貧化，需要增大崩落礦石的移動速度，控制廢石移動時間與移動速度，以遲滯頂部廢石的混入時間與減小廢石混入量。為此，可利用石膏礦石的可冒性，在礦層上部留下適宜厚度的礦石頂板，為崩落礦石形成空場出礦條件，以增大純礦石放出量。同時，通過合理確定出礦口的位置，將相鄰采場的廢石控制在放礦有效移動帶之外，以減小側面廢石的混入量，保障采場崩落的礦石的絕大部分以純礦形式被放出[7]。

總之，可用底部出礦、遲滯頂板圍巖冒落時間、控制側向廢石混入、盡可能增大空場出礦量等綜合措施，控制厚層石膏礦體崩落法開采的損失貧化。

3 采礦方法構建

厚層石膏礦床應用崩落法開采，為了控制礦石損失貧化和實現低成本開采，需要合理構建采場結構，并采用合理的回采方式與放礦控制方法，全方位落實礦石損失貧化的控制措施，形成高度適應礦床“三律”特性的開采方案。為此，需要按照采準系數小、采場結構簡單、便于損失貧化控制和便于采場地壓控制的準則，構建采礦方法。

圖4 串聯塹溝誘導冒落法Fig.4 Induced caving method with tandem trenches1—出礦巷道；2—出礦橫穿；3—塹溝巷道；4—回采炮孔；5—運輸巷道

按上述四方面原則，研究提出圖4所示的串聯塹溝出礦的采場結構。沿礦體走向布置采場，采場長60 m，寬12 m。在礦體上部留下遲滯頂板圍巖冒落的誘導冒落層礦石，用塹溝崩落礦體下部礦石。崩落的礦石由塹溝與出礦橫穿放出，冒落的礦石由出礦橫穿放出。用鏟運機出礦，將采場礦石鏟運至運輸平巷，直接裝車運走。

由梯形冒落線形狀表明，石膏礦層的頂板滯后工作面一定距離冒落。在誘導冒落層礦石自然冒落之前，可視為空場條件下放礦，冒落之后則為覆巖下放礦條件。為增大空場條件下的出礦量，減小覆巖下放礦量，需要根據頂板礦巖可冒性，合理留設誘導冒落礦層的厚度，使其能夠適時冒落，接續(xù)崩落礦石的放出。采場的位置不同，頂板礦巖的冒落邊界與受力條件不同，導致誘導冒落礦層的合理厚度不等。一般來說，初始采場的誘導冒落層厚度1～2 m為宜，后續(xù)采場可增至3～5 m。可通過試驗漸近尋優(yōu)。將塹溝的切割工程設置在采場中部，從中部向兩端回采塹溝巷道。塹溝巷道的鑿巖可一次完成，按步距回采。每一步距放到端部口微敞空或開始出露側向廢石為止，剩余礦石由出礦橫穿放出。在靠近頂板圍巖的礦石自然冒落、帶動上覆軟弱圍巖自行冒落、形成崩落法覆巖放礦條件時，由于冒落廢石的塊度小于礦石的塊度，粒徑較小廢石在放礦過程中超前運動，容易引起較大貧化率，此時各出礦橫穿，采用少量均勻放礦方式，遲滯廢石到達出礦口的時候，在出礦口一旦見到頂部廢石出露，則停止放礦，適當崩落出礦橫穿的端部口，后退一定距離，再繼續(xù)放礦，以此增大礦石放出量，減小頂部廢石的混入量。

在一個采場回采結束后，將出礦巷作為下一采場的塹溝巷道，用出礦橫穿與新形成的出礦巷道聯通，形成新的采場結構，重復上述回采過程。

為經濟安全地控制采場地壓，按礦巖自穩(wěn)特性優(yōu)選巷道斷面形狀。運用圍巖冒落后形成的斷面即為趨于穩(wěn)定的斷面的原理，根據礦巖梯形冒落特點，采準工程采用梯形巷道斷面，巷道幫內傾角可取70°。同時，根據圍巖穩(wěn)定性需要采取適當支護措施，其中巷道頂板支護以錨桿為主，兩幫支護以網噴為主。以此合理利用圍巖自穩(wěn)能力，降低支護成本與提高采準工程的可靠性。

分析表明，圖4所示的串聯塹溝誘導冒落法，具有采場結構簡單、采準工程施工方便、回采作業(yè)安全有保障、礦石生產效率高等突出優(yōu)點，能夠高度適應蘭陵石膏集團厚層石膏礦床的“三律”特性與開采條件，可取得安全高效的開采效果。

4 結論

1)目前厚層石膏礦床開采中存在的礦石損失大與生產安全條件差的難題，可通過引入崩落采礦法取代房柱法加以解決。

2)由于石膏礦床的厚度一般不能很好地滿足崩落法適用條件，應用崩落法開采厚層石膏礦床，需要從落礦與出礦兩個環(huán)節(jié)控制礦石損失貧化。

3)山東蘭陵石膏集團厚層石膏礦巖，具有采空區(qū)梯形冒落、圍巖風化后空區(qū)地壓大與散體流動黏滯性較大的“三律”特性，需采用誘導冒落與低貧化放礦協(xié)同技術，控制礦石損失貧化與降低礦石生產成本。

4)本文提出的串聯塹溝誘導冒落法，可高度適應蘭陵石膏集團厚層石膏礦床的開采條件，可取得安全高效的開采效果。