尾礦庫下殘礦崩落法開采損失貧化控制

劉 洋 任鳳玉 何榮興 張東杰

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙 古包頭 014010；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

安全高效開發(fā)殘礦從來都是礦業(yè)行業(yè)的難點(diǎn)問題，既能減少礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，又能夠延續(xù)礦山的生產(chǎn)年限，對(duì)于提升礦山生產(chǎn)效益意義重大［1-3］。殘礦的回采方式大體可分為兩種：一是充填采空區(qū)開發(fā)殘礦的方式；二是利用誘導(dǎo)冒落技術(shù)回采殘礦［4-7］。

本溪市大北山鐵礦由于礦區(qū)狹小，沒有構(gòu)建尾礦庫的條件，因此選用露天坑作為尾礦庫，礦山前期選取空?qǐng)龇ㄩ_采礦石。尾礦庫底部的標(biāo)高為194 m，出于保護(hù)尾礦庫的考慮，在88 m水平回采礦體，遺留下56 m高的采空區(qū)（如圖1所示）。采空區(qū)不僅阻礙了下部礦體正常開采，同時(shí)也將造成采空區(qū)之上的資源損失。因此，將尾礦庫和采空區(qū)之間的殘礦作為回采礦體。對(duì)于此類殘礦的回采，需要尋求防控尾砂混入的回采方案，以達(dá)到安全高效的生產(chǎn)目的。本項(xiàng)目將其作為研究背景，提出一種尾砂防控和分段崩落相結(jié)合的殘礦回收方法，并在殘礦回采中取得良好效果。

1 礦山開采條件及方案

殘礦位于大北山鐵礦斜坡道西部，平均厚度為39 m，平均品位為29.5%，傾角為40～62°，礦石價(jià)值較低?；诖蟊鄙借F礦殘礦的開采條件，選取無底柱分段崩落法作為采礦方法。采場結(jié)構(gòu)如圖2所示。切割巷道、回采巷道及回采聯(lián)巷均為三心拱，巷道斷面尺寸為4.0 m×4.0 m（寬×高）。

2 礦石散體流動(dòng)參數(shù)測定和礦巖可冒性分析

2.1 散體流動(dòng)參數(shù)測定

使用達(dá)孔量實(shí)驗(yàn)測定放出體形態(tài)［8］，端部放礦的散體流動(dòng)參數(shù)值：α=1.628 8，β=0.076 3，k=0.084 88；α1=1.541 4，β1=0.131 2；回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.997 2。分析可得，放出體上部較寬，下部較窄，礦石沿進(jìn)路方向與垂直進(jìn)路方向均有較好的流動(dòng)性，有利于礦石的放出。

2.2 礦巖可冒性分析

根據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)面調(diào)查及Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則得出大北山鐵礦礦巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

出礦后，采空區(qū)的臨界冒落跨度［9］為

式中，h為空區(qū)高度，m；T為準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度，MPa；γ為覆巖層的容重，N/m3；Hl為空區(qū)埋深，m。

大北山鐵礦礦石容重為3.3 t/m3，尾砂容重為2.85 t/m3，開采水平上部巖層的厚度為38 m，開采水平上部尾砂層的厚度為55 m，155 m水平是誘導(dǎo)冒落分段，空區(qū)頂板標(biāo)高約為19 m。因此，試驗(yàn)采場回采時(shí)，臨界冒落跨度值：上盤圍巖＜24.42 m，鐵礦＜25.97 m，下盤圍巖＜26.12 m；當(dāng)采區(qū)跨度大于26 m時(shí)，尾礦庫底部產(chǎn)生持續(xù)冒落。

3 采場工程布置

按三分段回收的原則，結(jié)合鑿巖與裝藥設(shè)備的能力，得出大北山鐵礦的分段高度為15～20 m。根據(jù)開采礦體幾何條件及滿足在頂部留一層誘導(dǎo)冒落礦體以延遲尾砂混入時(shí)間的要求，155 m水平作為首采分段。首采分段采用19 m高度；第二分段采用15 m高度；因?yàn)橐呀?jīng)形成覆蓋層，為了提高礦山的開采效率，第三分段高度采用20 m。

根據(jù)散體流動(dòng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)及流動(dòng)帶范圍的表達(dá)式得出［10］，首采、第二及第三分段的進(jìn)路間距分別是16 m、16 m及18 m；根據(jù)礦巖散體流動(dòng)參數(shù)測定得出崩礦步距的初值是1.6 m。

為了保證采場的安全，需要嚴(yán)防采空區(qū)冒落引起的周邊巖體的陷落危害，因此采準(zhǔn)工程不能超出采空區(qū)冒落與側(cè)向崩落的邊界。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐得出，初始塌陷區(qū)的巖體邊壁一般內(nèi)傾，傾角一般為75～85°。由初始塌陷區(qū)的短半軸端點(diǎn)按傾角β作直線，與冒落拱相交（如圖3所示），交點(diǎn)的坐標(biāo)［11］為

式中，a為空區(qū)等價(jià)圓的長半軸，m；b為等價(jià)圓的短半軸，m；c為空區(qū)頂板埋深，m；θm為初始塌陷區(qū)的短半軸與長半軸的比值，可以采用空區(qū)冒落等價(jià)圓的短半軸與長半軸的比值估算，一般為0.6～1.0；β為巖體側(cè)向崩落邊界線傾角，（°），為了保證試驗(yàn)采場的安全，認(rèn)為傾角等于85°。根據(jù)礦山實(shí)測數(shù)據(jù)得出：a=51 m，b=42 m，c=104 m。

基于式（4）及圖4推導(dǎo)的采空區(qū)的陷落形態(tài)，從而得到采場的開采界限，采場的工程布置如圖5所示。因?yàn)闅埖V屬于傾斜及急傾斜礦體，且受所留誘導(dǎo)冒落層的影響，需要在分段之間設(shè)置一條垂直于回采巷道的下盤沿脈進(jìn)路。

4 損失貧化控制

4.1 損失貧化分析

由于殘礦位于尾礦庫的下方，因此在回采過程中需謹(jǐn)防尾砂滲入采出礦石。首采分段，不僅需要采出部分礦石，還需要誘導(dǎo)頂板圍巖自然冒落，為下分段提供正常的開采條件。為了充分回收殘留礦體，第三分段需要回采更多的礦石，因此需要控制尾砂大量滲入采出礦石，造成礦石貧化和威脅井下作業(yè)安全。

4.2 首采分段損失貧化控制

155 m分段的回采面積約為2 605 m2，大于持續(xù)冒落面積530 m2；且采區(qū)跨度大于臨界冒落跨度。同時(shí)，由于該分段距離空區(qū)較近，預(yù)計(jì)在155 m分段回采后，采場頂板不但能順利冒落，并且能冒透尾礦庫底板。因此，需留設(shè)散體墊層來消除沖擊氣浪［12］。

前期放礦時(shí)，步距放礦量約為760 t。在采空區(qū)冒透地表后，為控制上部尾砂入滲，控制出礦量在1 000 t左右。至155 m分段開采結(jié)束時(shí)，各進(jìn)路在回采過程中都未出現(xiàn)尾砂混入采出礦石的現(xiàn)象。155 m分段崩落礦石的回采率為57.7%，出礦品位為29.3%。

4.3 第二分段及三分段損失貧化控制

140 m分段的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為15 m×16 m×1.6 m（分段高度×進(jìn)路間距×崩礦步距）。根據(jù)尾砂穿流特性［13］得出，均勻放礦及多條進(jìn)路齊頭回采可以有效避免大量尾砂混入采出礦石。因此，140 m分段選取均勻出礦和每2條進(jìn)路同步后退回采。140 m分段選用低貧化的放礦方式，并選用當(dāng)次廢石混入率與單一步距總放出量2項(xiàng)指標(biāo)控制放礦［14］。當(dāng)尾砂與覆蓋層的交界面高于松動(dòng)體范圍時(shí)，尾砂呈現(xiàn)出整體緩慢下移［15］。因此，根據(jù)155 m分段的回采量，可以估算尾砂層和140 m分段的距離計(jì)算公式：

式中，γ為礦石的容重，大北山鐵礦礦石容重為3.3 t/m3；H為140 m分段上部的礦石厚度，H=54 m；S為140 m分段的回采面積，m2；M為回收礦石量，t；α為冒落巖體的平均碎脹系數(shù)，大北山鐵礦α是1.15。

因此，估算出尾砂層與140 m分段回采巷道頂板的距離為49.46 m，再乘以安全系數(shù)（0.8），進(jìn)而得出步距放出量約為1 380 t時(shí)松動(dòng)體到達(dá)尾砂與散體的交界面，即140 m分段步距最大放出量約為1 380 t。在回采過程中，當(dāng)回采量為900 t時(shí)，放礦口眉線處出露廢石，至本步距回采結(jié)束時(shí)，未出現(xiàn)大量尾砂混入采出礦石的現(xiàn)象。

120 m分段的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為20 m×18 m×1.6 m（分段高度×進(jìn)路間距×崩礦步距），選取均勻出礦和每2條進(jìn)路齊頭并進(jìn)的回采方式，選取當(dāng)次廢石混入率與單一步距總的放出量2項(xiàng)指標(biāo)控制放礦。根據(jù)式（3）估算出尾砂層和120 m分段的距離，進(jìn)而得出120 m分段回采進(jìn)路的步距最大出礦量約是1 950 t。

根據(jù)試驗(yàn)采場現(xiàn)場實(shí)測及中央?yún)^(qū)回采經(jīng)驗(yàn)估算出，試驗(yàn)采場的回采率約為80.9%，貧化率約為24.3%。因此，通過制定二次回采方案與放礦制度等一系列方法，可以基本達(dá)到正常的回采指標(biāo)。

5 結(jié)論

（1）大北山鐵礦殘礦位于尾礦庫下部，采取無底柱分段崩落法開采，要防控尾砂大量混入，據(jù)開采礦體幾何條件及滿足在頂部留一層誘導(dǎo)冒落礦體以延遲尾砂混入時(shí)間的要求，選取155 m水平為首采分段，并提出了下盤殘留體回收措施。

（2）首采分段采用控制出礦量來防控尾砂滲入，第二分段和第三分段采用當(dāng)次廢石混入率與單一步距總放出量2項(xiàng)指標(biāo)控制放礦，根據(jù)尾砂移動(dòng)規(guī)律確定出單一步距總放出量。這些措施在大北山殘礦開采中應(yīng)用良好，達(dá)到的生產(chǎn)指標(biāo)回采率約為80.9%，貧化率約為24.3%。