梨樹溝鐵礦多空區(qū)殘礦安全回采技術(shù)研究

任鳳玉 張 晶 劉 洋 張臻良

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.本溪礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧本溪117000）

利用空?qǐng)霾傻V法回采礦石時(shí)，受礦體條件、采切現(xiàn)狀及生產(chǎn)進(jìn)度等影響，易殘留部分礦體［1］。殘礦的安全回采一直是采礦工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，既可以避免資源浪費(fèi)，又能延長(zhǎng)礦山的服務(wù)年限，對(duì)于提高礦山經(jīng)濟(jì)效益意義重大［2］。殘礦一般分布在采空區(qū)內(nèi)部及其周邊，其回采方法常與空區(qū)危害的處理方法相關(guān)［3-4］。目前，常用的空區(qū)處理方法大致可歸納為兩類：一是借助注漿與充填等進(jìn)行強(qiáng)化或支撐圍巖，如高峰礦采用注漿局部固結(jié)技術(shù)回收民采破壞的富礦石［5］，但隨著充填工藝的發(fā)展，充填空區(qū)回采殘礦的方法應(yīng)用更為普遍［6-10］；二是利用誘導(dǎo)冒落技術(shù)［11-12］，誘導(dǎo)多空區(qū)礦體自然冒落，開掘底部結(jié)構(gòu)或利用下部工程回收冒落礦石［13-16］。

梨樹溝鐵礦南部采區(qū)為傾斜中厚礦體，應(yīng)用淺孔留礦法開采，因礦體傾角變化大，在礦體傾角較小區(qū)域，殘留的礦石無法在下部采場(chǎng)回采中回收，且殘礦附近存在多個(gè)大小不等的小型采空區(qū)。對(duì)于傾斜中厚礦體開采形成的小型多空區(qū)殘礦，上述兩類空區(qū)處理方法均不能直接應(yīng)用，需要尋求協(xié)同生產(chǎn)的回收技術(shù)，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)目的。本研究以此為背景，提出一種誘導(dǎo)冒落與分段崩落相結(jié)合的殘礦回收方法，在礦山應(yīng)用中取得了顯著成效。

1 礦山工程概況

梨樹溝鐵礦南部采區(qū)為傾斜中厚礦體，礦巖中等穩(wěn)定到穩(wěn)定，應(yīng)用淺孔留礦法開采，階段高50～60 m，礦房寬40～42 m，間距寬8～10 m，由于礦體傾角變化大，礦房開采高度不一，形成24個(gè)大小不等的采空區(qū)（圖1）。這些采空區(qū)沿礦體走向分布，總分布長(zhǎng)度達(dá)400 m。其中+150 m 中段的采空區(qū)高度較低、離地面較近，礦山采用露天開采方法，回采頂部礦量與處理采空區(qū)。150 m 水平以下采空區(qū)高度較大，且埋深逐漸增大，考慮經(jīng)濟(jì)合理性，不適合再用露天開采方式回收殘礦。且因礦體傾角較小，殘留的礦石無法在下部采場(chǎng)回采中回收，同時(shí)部分礦房采空區(qū)已經(jīng)冒落，多數(shù)處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，空區(qū)的存在也威脅到下部礦體的生產(chǎn)安全，為此，需要研究適宜的殘礦回采方法，以使多空區(qū)殘礦得到合理回收，并使采空區(qū)得到安全有效治理。

在圖1 中，按回采界線圈定的殘留礦體的剖面形態(tài)如圖2 所示，每一剖面的礦石殘留量均較大，外加間柱礦量，淺孔留礦法開采范圍內(nèi)的殘留礦量超過礦體儲(chǔ)量的。這些殘礦體厚度最小3.6 m，最大13.7 m，礦體傾角為33°～51°，具有良好的回收價(jià)值。

2 采空區(qū)頂板礦巖可冒落性分析

圖2 所示的采空區(qū)頂板巖石主要為石榴石英黑云陽起巖和含石榴石英黑云片巖，屬于中等以上堅(jiān)硬巖石，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性為中等穩(wěn)定—穩(wěn)定，局部不穩(wěn)定?；谄胶夤袄碚摚?7-18］，簡(jiǎn)化后的空區(qū)頂板冒落拱如圖3所示，通過分析冒落拱力系平衡關(guān)系，可得式中，T 為采空區(qū)承載拱所受的水平壓力，N；h 為采空區(qū)高度，m，H 為采空區(qū)頂板埋深，m；γ 為上覆巖體平均密度，t/m2（平面問題）；l為采空區(qū)半跨度，m。

由式（1）可見，T 與l 的平方成正比，即隨著采空區(qū)跨度值的增大，承載拱所受水平力T急劇增大。當(dāng)T 超過頂板臨空面圍巖的抗壓強(qiáng)度時(shí)，頂板圍巖便會(huì)被破壞而發(fā)生自然冒落。

假設(shè)采空區(qū)上覆巖體為連續(xù)介質(zhì)，其抗壓強(qiáng)度為σc，令T=σcd，L=2l，代入式（1），擴(kuò)展為空間問題，可得：

式中：L 為臨界冒落跨度，m；γ 為采空區(qū)上覆巖體平均密度，t/m3；d 為承壓拱頂部圍巖承受水平壓力的等價(jià)厚度，m。

式（2）中γ、σc與H 取實(shí)測(cè)值，d 取經(jīng)驗(yàn)值，由式（2）計(jì)算各地質(zhì)剖面的采空區(qū)臨界冒落跨度，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。由表1 可知：40 m 中段各采空區(qū)的長(zhǎng)度均能達(dá)到臨界冒落跨度值，此時(shí)采空區(qū)是否發(fā)生冒落，主要取決于礦房的回采高度，當(dāng)?shù)V房回采高度足夠大，使之沿傾斜方向的水平投影長(zhǎng)度達(dá)到臨界冒落跨度值時(shí)，采空區(qū)便會(huì)發(fā)生自然冒落；而100 m中段的采空區(qū)長(zhǎng)度部分達(dá)到、部分接近臨界冒落跨度值，需要適當(dāng)崩落間柱，才能誘導(dǎo)全部空區(qū)自然冒落。

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3 殘礦回收方案

按礦房回采高度可將圖1采空區(qū)分為兩類，其一為高位采空區(qū)，如100 m 和40 m 兩個(gè)中段的1～5號(hào)礦房，其特點(diǎn)是采空區(qū)高度較大，間柱的寬高比較小，容易向兩側(cè)礦房一次性崩落間柱；其二為低位采空區(qū)，如100 m 中段的6～7 號(hào)礦房和40 m 中段的6～8 號(hào)礦房，其特點(diǎn)是回采高度小，采空區(qū)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。前者需先崩落間柱，消除頂板圍巖冒落能量的集聚條件，增大采空區(qū)冒落形式與冒落進(jìn)程的可控性；后者則可在殘礦回采中直接處理采空區(qū)。

根據(jù)工程施工類比法，取臨界持續(xù)冒落跨度為表1 中臨界冒落跨度的1.25～1.65 倍。高位采空區(qū)和低位采空區(qū)頂板圍巖自然冒落進(jìn)程主要受礦房回采高度的限制，按圖2 所示的采空區(qū)剖面形態(tài)分析，將標(biāo)高100 m 水平附近的礦塊頂?shù)字夭?，?00 m 中段與40 m 中段采空區(qū)相通，可誘導(dǎo)各采空區(qū)自然冒落。為保證空區(qū)達(dá)到持續(xù)冒落條件，將各中段的間柱崩落，同時(shí)回采150 m 水平的頂柱，使各采空區(qū)聯(lián)成一片，并與露天采場(chǎng)聯(lián)通，此時(shí)采空區(qū)的總跨度可達(dá)99 m，遠(yuǎn)大于臨界持續(xù)冒落跨度，滿足空區(qū)頂板持續(xù)冒落條件。

將高位采空區(qū)的間柱崩落后，按分段從上往下回采空區(qū)周圍的殘礦。每一分段布置一條塹溝巷道與一條分段運(yùn)輸巷道，兩條巷道均布置在下盤圍巖中（圖4）。首采分段設(shè)置在130 m 水平，該分段沒有覆蓋巖層，在塹溝巷道與運(yùn)輸巷道之間設(shè)置出礦橫穿，塹溝巷道落礦時(shí)，只放出松散礦量，其余崩落礦量從出礦橫穿放出，保持不出空端部口，防止采空區(qū)冒落氣浪沖擊。從115 m 分段開始，對(duì)于已經(jīng)形成覆蓋層的部位，不設(shè)置出礦橫穿，只用塹溝崩落及放出礦石；在空區(qū)下部礦體厚度較大部位，再設(shè)置出礦橫穿，用塹溝崩落下盤側(cè)礦石，誘導(dǎo)上盤側(cè)礦石自然冒落，冒落的礦石由出礦橫穿放出。由此形成了分段空?qǐng)觥⒎侄伪缆渑c誘導(dǎo)冒落相結(jié)合的殘礦回采方案。

在殘礦回采與空區(qū)協(xié)同處理中，高位采空區(qū)對(duì)殘礦回采安全的影響較大，空區(qū)處理工作分4 步進(jìn)行：

（1）崩落100 m 中段1～5號(hào)礦房之間的4個(gè)間柱。從每一間柱內(nèi)的通風(fēng)行人天井進(jìn)入聯(lián)絡(luò)橫穿，打淺孔向兩側(cè)礦房崩落礦柱，崩落的礦石在采空區(qū)誘導(dǎo)冒落后，從礦塊底部結(jié)構(gòu)與下盤分段回收工程放出。

（2）從高位空區(qū)中部向兩側(cè)退采130 m 分段塹溝，該分段的回采可完整崩落1～4號(hào)礦房的頂柱（圖1與圖2（c）），將引起空區(qū)頂板圍巖自然冒落。

（3）在100 m 中段下盤殘故回收工程回采結(jié)束后，崩落40 m中段的4個(gè)間柱。

（4）回采40 m 中段的頂柱，促使空區(qū)被冒落散體完整充填。

在殘礦回采中，須采取如下安全措施，嚴(yán)防空區(qū)冒落危害。

（1）用散體隔離回采工作面與空區(qū)的空間聯(lián)系。對(duì)于梨樹溝鐵礦Fe1礦體的南部采空區(qū)，塹溝巷道回采長(zhǎng)度不足臨界冒落跨度時(shí)，空區(qū)不會(huì)發(fā)生大規(guī)模冒落，但考慮頂板圍巖的零星冒落滾石影響采場(chǎng)作業(yè)安全，在空?qǐng)龀龅V分段，每一塹溝巷道出礦口應(yīng)出礦到端部口微露空區(qū)為止，嚴(yán)禁端部口敞空，防止?jié)L石傷人。當(dāng)塹溝回采長(zhǎng)度達(dá)到臨界冒落跨度之后，空區(qū)隨時(shí)可能發(fā)生大規(guī)模冒落，需在塹溝端部口上方留下一定厚度的散體安全墊層（根據(jù)文獻(xiàn)［19］，散體安全墊層應(yīng)不小于2 m），并需堵塞工作面與采空區(qū)的一切通口，以嚴(yán)防冒落氣浪沖擊，留于采場(chǎng)內(nèi)的崩落礦石，待空區(qū)冒落形成足夠厚度的覆蓋層后再放出。

（2）監(jiān)測(cè)冒落進(jìn)程與嚴(yán)防大冒落危害。根據(jù)空區(qū)體積與埋深估算，圖1 采空區(qū)冒透地表時(shí)，將會(huì)形成地表塌陷坑。運(yùn)用工程類比法，按臨界冒落跨度的1.25～1.65 倍估算持續(xù)冒落跨度，預(yù)測(cè)得出的采空區(qū)首次冒透地表的范圍應(yīng)在100 m 中段4 號(hào)礦房與5號(hào)礦房之間。為此，在兩礦房的間柱崩落之前，設(shè)計(jì)每一礦房從地表各施工1個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔，用于監(jiān)測(cè)可能最先冒透地表部位的采空區(qū)冒落進(jìn)程，確定冒透地表的時(shí)間與地表陷落范圍［20-21］。在地表及時(shí)隔離陷落區(qū)，嚴(yán)防行人遭受陷落危害。在井下及時(shí)確認(rèn)散體防護(hù)措施的落實(shí)程度，確保生產(chǎn)安全。

4 方案實(shí)施效果

上述殘礦回收方案于2019 年2 月開始實(shí)施，100 m 中段1～5 號(hào)礦房之間4 個(gè)間柱的崩落，以及-130 m分段的回采，均嚴(yán)格按方案要求施工，只是地表鉆孔監(jiān)測(cè)方案因故未能實(shí)施。截至2019 年9 月底，-130 m 分段已經(jīng)回采結(jié)束，共采出9.8 萬t 礦石，1～4 號(hào)礦房采空區(qū)于2019 年8 月中旬安全冒透地表，形成的深度不足1.0 m 的陷坑隨即被礦山排棄的廢石充填。空區(qū)頂板圍巖的如期塌落，標(biāo)志著殘采工程的空區(qū)冒落威脅已基本解除，殘采方案的上述安全措施可確保生產(chǎn)安全。

5 結(jié) 論

（1）生產(chǎn)實(shí)踐表明，本研究提出的分段空區(qū)、崩落與誘導(dǎo)冒落相結(jié)合的殘礦回采方法，能夠高度適應(yīng)梨樹溝鐵礦南區(qū)小型多空區(qū)殘礦的回采條件。對(duì)于傾斜中厚礦體開采形成的小型多空區(qū)殘礦，該方法相較于目前常用的空區(qū)處理方法而言，能保障殘礦安全回收與空區(qū)經(jīng)濟(jì)處理協(xié)同進(jìn)行，對(duì)于同類型礦山具有一定的借鑒意義。

（2）梨樹溝鐵礦實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于傾斜中厚礦體小型多空區(qū)內(nèi)部與周圍的殘礦，可根據(jù)空區(qū)冒落特性制定殘礦回采方案，在殘礦回采中協(xié)同處理空區(qū)。在殘礦回采中，先消除空區(qū)內(nèi)的礦柱，及時(shí)釋放頂板圍巖的冒落能量，再用散體隔離工作面與空區(qū)的空間聯(lián)系，可保障回采過程不受空區(qū)冒落沖擊危害。