傾斜破碎難采礦體完整性高效回采技術(shù)研究

隋金鉑 任鳳玉 曹建立

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

礦產(chǎn)資源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中占有非常重要的地位［1，2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國尚有各類地下復(fù)雜難采鐵礦石儲量約85億t，礦巖松散軟破，屬于復(fù)合型難采礦體［3］。在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，此類礦床開采成本過高、采場生產(chǎn)效率低下，導(dǎo)致回采成本相當(dāng)高，經(jīng)濟(jì)效益不如意［4，5］。因此，針對破碎難采礦體，還需積極開展新型采礦工藝研究，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及開采技術(shù)指標(biāo)，以解決此類礦體的安全、經(jīng)濟(jì)、高效的回采問題。

學(xué)者們針對金屬礦山破碎礦體開采進(jìn)行了廣泛的研究。徐強(qiáng)東等［6］根據(jù)金廠峪金礦礦石穩(wěn)固、頂板不穩(wěn)固緩傾斜的特點(diǎn)，提出了逆向和順向回采的房柱采礦法；魏建中等［7］針對筆山礦段新羅村礦體礦巖穩(wěn)定性特點(diǎn)布置了2個(gè)采場，穩(wěn)定性較好的采場應(yīng)用分段空場采礦法，穩(wěn)定性較差的采場應(yīng)用淺孔留礦采礦法；王聚永等［8］針對派—布拉克鉛鋅礦的礦體賦存形態(tài)復(fù)雜，提出應(yīng)用中深孔房柱法回采蘑菇狀礦體，應(yīng)用分段空場法回采側(cè)伏中厚礦體，應(yīng)用淺孔留礦法回采側(cè)伏薄礦體；李陽松等［9］針對阿爾登鉛鋅礦上盤礦巖交界處構(gòu)造破碎帶發(fā)育，且原淺孔留礦采礦法安全性差、貧化損失大、生產(chǎn)能力小，提出采用分段空場采礦法進(jìn)行回采，使采場生產(chǎn)指標(biāo)均有所提升；段文權(quán)等［10］針對金山店鐵礦松軟破碎的難采礦體，通過加大出礦穿脈間距、低貧損放礦、完善支護(hù)方式、平衡采準(zhǔn)和回采之間的時(shí)間關(guān)系等工藝，使無底柱分段崩落法在松軟破碎難采礦體條件下也能得到很好的使用；楊雪菲［11］為保障無底柱分段崩落法能安全高效地回采西石門鐵礦深部難采礦體，重點(diǎn)研究分段高度和進(jìn)路間距2個(gè)無底柱分段崩落法的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本項(xiàng)目在前人研究的基礎(chǔ)上，對和睦山鐵礦傾斜破碎礦體開采中存在的采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)難、支護(hù)難、礦體回采難等問題，通過巖體冒落力學(xué)模型構(gòu)建與現(xiàn)場監(jiān)測，對現(xiàn)用開采工藝進(jìn)行了改進(jìn)，給出了適用于破碎礦體的巷道支護(hù)方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了回采參數(shù)與下盤殘礦回收方法，有效降低了礦石損失貧化率，可為同類礦山安全高效開采提供指導(dǎo)與借鑒。

1 和睦山鐵礦巖體冒落特征分析

和睦山鐵礦由于礦體與底板圍巖均不穩(wěn)固，應(yīng)用無底柱分段崩落法開采存在諸多問題，為尋求適用該類礦巖條件的高效開采方法，需對其礦巖冒落特性進(jìn)行研究。

1.1 臨界冒落跨度確定

通過建立空區(qū)頂板冒落模型，計(jì)算得到礦巖的臨界冒落跨度值，確定礦巖可冒性條件。在應(yīng)力平衡拱上，頂板圍巖受到水平壓力T和拱腳支撐力R共同作用，冒落力學(xué)模型見圖1。

根據(jù)力系平衡原理，由圖1可得如下關(guān)系式：

式中，q為空區(qū)頂板垂直壓力，q=γH，MPa；γ為上覆巖層平均容重，kg/m3；h為空區(qū)高度最小值，m；l為空區(qū)的半跨度，m。

由式（4）可知，空區(qū)跨度l越大，T隨空區(qū)跨度增大的速率就越大，引起頂板圍巖破壞的空區(qū)跨度表達(dá)式如下：

式中，Tc為空區(qū)頂板巖體的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；H為空區(qū)頂板埋深，m。

和睦山礦體的地表標(biāo)高為+40～55 m，平均標(biāo)高+50 m左右，則有H=50-hz-h（hz為第一分段所在標(biāo)高），上覆巖體容重的平均值γ=2 740 kg/m3，將相關(guān)參數(shù)代入式（5），可得：

和睦山鐵礦設(shè)計(jì)采用雙工作面回采，hz分別為-50 m與-150 m。這2個(gè)水平開采的礦體主要為混合礦，極限抗壓強(qiáng)度Tc=10.57～22.24 MPa，空區(qū)高度的最小值h=4.5 m，將相關(guān)參數(shù)代入式（6），得到2個(gè)工作面開采空區(qū)臨界冒落跨度見表1。

通過上述計(jì)算分析，各中段空區(qū)臨界冒落跨度值小于礦體水平厚度，即隨著中段礦體開采，足以誘導(dǎo)頂板圍巖自然冒落，適合采用誘導(dǎo)冒落法開采。

1.2 現(xiàn)場冒落監(jiān)測分析

（1）監(jiān)測工程布置。由于-100 m中段為上下工作面接續(xù)中段，為此監(jiān)測工程布置在該中段，由2條探礦巷道與1條監(jiān)測巷道組成，主要用于監(jiān)測冒落界線、巷道底板變形與空區(qū)冒落情況。監(jiān)測布置見圖2。為滿足采動(dòng)巖移與冒落界線的監(jiān)測需要，在監(jiān)測巷道底板上，布置8個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為6 m。監(jiān)測初期，3條觀測巷均未見異常；后續(xù)隨著井下開采的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測巷端部已經(jīng)冒落，形成大的塌陷坑，測點(diǎn)1掉入坑內(nèi)，塌陷坑分布見圖3。

（2）監(jiān)測結(jié)果分析。各監(jiān)測點(diǎn)垂直位移變化情況見圖4。可以看出監(jiān)測巷圍巖變形冒落發(fā)展主要分為活躍期與平穩(wěn)期2個(gè)階段，在冒落發(fā)生前，變形表現(xiàn)為先增加后降低，直到冒落發(fā)生。由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出，巖體變形活躍期與平穩(wěn)期交替出現(xiàn)，反映了礦山壓力在轉(zhuǎn)移過程中的增減斷續(xù)變化特征，冒落活動(dòng)主要發(fā)生于巖體變形活躍期，根據(jù)巷道內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)位移變化，可以預(yù)測冒落發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，以此保障開采作業(yè)安全。

2 和睦山鐵礦巷道支護(hù)方法

由于礦體和下盤近礦圍巖均不穩(wěn)固，如何保證采準(zhǔn)工程的成巷率與利用率是和睦山鐵礦采礦生產(chǎn)能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵問題。為此，確定了以簡易光面爆破掘進(jìn)和噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)為基本方案的巷道支護(hù)方案，形成了不同巖性與巷道類型采用不同級別支護(hù)形式的巷道支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)見表2。

礦體出露部位多為破碎的礦體，初期采用槽鋼拱架支護(hù)未能有效防止巷道塌方冒頂，研究采用超前錨桿加密集金屬拱架的支護(hù)措施，超前錨桿間距20 cm，長度6 m，槽鋼金屬支護(hù)間距0.5～0.8 m（圖5），支護(hù)效果較好，改善了施工安全條件。

對于受地壓影響較大部位，安裝支架時(shí)用錨桿將支腳固定在巷道側(cè)壁上，通過提高支架底部的穩(wěn)定性，可有效降低支架的變形程度（圖6）。

3 完整性高效回采方案研究

3.1 雙工作面回采方案確定

和睦山礦體傾角45°～60°，中段之間回采范圍的錯(cuò)距較大，為提高開采強(qiáng)度，提出將-150 m中段與-50 m中段采用誘導(dǎo)冒落法與無底柱分段崩落法相結(jié)合的雙工作面協(xié)同回采方案（圖7）。

對于雙工作面首采分段采用誘導(dǎo)冒落法開采，由于-50 m與-150 m中段水平的臨界冒落跨度最高值為18 m，遠(yuǎn)小于礦體厚度，中段開采后礦體及覆巖能夠自然冒落，誘導(dǎo)冒落方案見圖8。-50 m水平巷道上盤端部距離下位工作面首采分段的距離為67 m，可保障回采不受下位工作面冒落威脅，對于100 m中段回采，巷道端部距離下位工作面-150 m中段距離約為27 m，此時(shí)下位工作面已經(jīng)冒落完成，同樣不會遭受冒落威脅，可實(shí)現(xiàn)雙工作面安全高效開采。

3.2 回采參數(shù)優(yōu)化

為保障雙工作面回采方案的高效性，進(jìn)一步降低礦石損失與貧化值，需對回采相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

（1）進(jìn)路間距優(yōu)化。和睦山鐵礦采用低貧化放礦方式，散體的有效流動(dòng)帶寬度計(jì)算方法如下：

式中，α1、β1為垂直進(jìn)路方向散體流動(dòng)參數(shù)值；H為分段高度，m。

合理進(jìn)路間距確定，表達(dá)式如下：

式中，b為進(jìn)路寬度，m；μ為散體流動(dòng)系數(shù)，這里取μ=0.5。

和睦山鐵礦進(jìn)路寬度3.2 m，散體流動(dòng)參數(shù)為α1＝1.395 2，β1＝0.233 8，將相關(guān)參數(shù)代入式（9），計(jì)算得到低貧化放礦方式下，進(jìn)路間距的合理值為9.96～11.88 m。為此確定最佳進(jìn)路間距為10～12 m。

（2）崩礦步距優(yōu)化。采用低貧化放礦時(shí)，垂直進(jìn)路方向的放出體方程表達(dá)式［12］為

式中，y、z為放出體坐標(biāo)變量；h為放出體高度（約為2倍分段高度）。

假定放出體最寬部位ymax所在高度為hmax，則在z=hmax處有dy/dz=0，此時(shí)有，放出體最大寬度表達(dá)式為

由此得到最優(yōu)崩礦步距計(jì)算表達(dá)式為

式中，θ為放出體流軸與端壁夾角；k為礦石松散系數(shù)。

和睦山鐵礦放出體高度h=25 m，夾角θ=72°，松散系數(shù)k=1.5。將相關(guān)參數(shù)代入式（12），得到最佳崩礦步距L=1.78 m，最終確定崩礦步距為1.8 m。

和睦山鐵礦靠近切割巷部位礦石層高度較小，每次爆破1排炮孔，即取崩礦步距1.8 m；當(dāng)回采工作面越過上分段回采界線后，礦石層高度增大，每次爆破2排炮孔，即取崩礦步距3.6 m。

（3）爆破參數(shù)優(yōu)化。和睦山鐵礦炮孔裝藥量為3.46 kg/m。上位工作面，分段高度10 m，進(jìn)路間距10 m，崩礦分間面積為90.4 m2，礦石平均體重3.37 t/m3，通過現(xiàn)場實(shí)踐一次炸藥單耗約為0.32 kg/t。步距崩礦量為90.4×2×3.37=609.3 t，所需裝藥量為609.3×0.32=194.97 kg，所需裝藥炮孔的總長度為194.97÷3.46=56.35 m。通過圖9布孔方式，可以看出8孔布置方法的裝藥孔總長度57.8 m，接近于56.35 m，因此取8孔方案為宜。

下位工作面，分段高度12.5 m，進(jìn)路間距12 m，崩礦分間面積為140.4 m2，礦石平均體重3.5 t/m3，步距崩礦量為140.4×2×3.5=981.4 t。炸藥單耗0.32 kg/t，則每排炮孔所需裝藥量為981.4×0.32=314.05 kg，所需裝藥炮孔的總長度為314.05÷3.46=90.76 m。通過圖10布孔方式，可以看出9孔布置方法裝藥孔總長度90.8 m，接近于90.76 m，因此取9孔方案為宜。

總之，在正?；夭蓞^(qū)，對于分段高度10 m、進(jìn)路間距10 m條件，每排布置8個(gè)炮孔為宜；對于分段高度12.5 m、進(jìn)路間距12 m，每排布置9個(gè)炮孔為宜。

3.3 下盤殘礦回收方法

和睦山鐵礦采用多條殘礦回收進(jìn)路布置方式，如何安排出礦順序，決定著下盤殘留體的放出礦量多少，為此，需通過相似物理實(shí)驗(yàn)對其做進(jìn)一步分析。

（1）相似實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。下盤殘留礦石散體的厚度為6 m，回收進(jìn)路寬×高=3 m×3 m，進(jìn)路間距12 m，相似比1∶300，放礦模型由有機(jī)玻璃板構(gòu)成，模型尺寸：模型長為45 cm，寬為2 cm，高度為50 cm，共布置回收進(jìn)路11個(gè)，進(jìn)路間距4 cm，放礦口為寬×高=1 cm×1 cm，取殘留散體左側(cè)高度大于右側(cè)，這樣符合誘導(dǎo)區(qū)冒透后殘留散體放出形態(tài)，每次裝入的礦石都按照這個(gè)界線布置，覆巖高度6 cm，礦石模型顆粒約為2～3 mm，巖石顆粒為3～4 mm，礦巖散體裝入情況見圖11。

（2）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)通過改變回收進(jìn)路的出礦順序，觀察礦巖界線移動(dòng)規(guī)律，使礦巖界線平緩下降，減少礦石與廢石的接觸面積，從而達(dá)到最大限度回收殘礦的目的，共進(jìn)行4組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均采用低貧化放礦，從1#進(jìn)路按順序出礦。第一組實(shí)驗(yàn)按順序單個(gè)回收進(jìn)路順次出礦，第二組實(shí)驗(yàn)為2個(gè)回收進(jìn)路協(xié)同出礦，第三組實(shí)驗(yàn)為3個(gè)回收進(jìn)路協(xié)同出礦；第四組實(shí)驗(yàn)為4個(gè)回收進(jìn)路協(xié)同出礦。每組實(shí)驗(yàn)裝入的礦巖量見表3。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。每組實(shí)驗(yàn)放礦結(jié)束后，礦石殘留體形態(tài)見圖12，回收率見表4。可見在其他參數(shù)已定時(shí)，相鄰進(jìn)路之間出礦影響比較大，不同的放礦方式和進(jìn)路回采順序，所形成的礦石殘留體形態(tài)也不同，從而影響礦石的回收指標(biāo)。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于單進(jìn)路順次出礦方式，由于礦巖接觸機(jī)會的增加，導(dǎo)致回收率較低，約為72.01%；對于雙進(jìn)路同時(shí)出礦方式，礦巖接觸條件得到一定限制，各進(jìn)路位置殘留體分布較均勻，回收率達(dá)到77.87%；對于后2種出礦方式，礦巖接觸得到一定限制，但部分進(jìn)路殘留體高度較大，致使回收率最高約為74.8%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用雙回收進(jìn)路齊頭退采，低貧化放礦方式，可對殘礦實(shí)現(xiàn)有效回收。

4 結(jié) 論

（1）通過理論分析，計(jì)算得到和睦山鐵礦各中段采空區(qū)臨界冒落跨度值，由于臨界冒落跨度遠(yuǎn)小于中段礦體水平厚度，表明和睦山鐵礦適合采用誘導(dǎo)冒落法開采；通過現(xiàn)場冒落監(jiān)測，巷道變形發(fā)展主要表現(xiàn)為活躍期與平穩(wěn)期2個(gè)階段，冒落活動(dòng)主要發(fā)生于變形活躍期。

（2）研究提出了以簡易光面爆破掘進(jìn)和噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，形成了不同巖性與巷道類型采用不同級別支護(hù)形式的巷道支護(hù)方法，取得了良好的支護(hù)效果。

（3）針對和睦山鐵礦破碎礦體條件，研究提出了誘導(dǎo)冒落法與無底柱分段崩落法相結(jié)合的雙工作面協(xié)同回采方法，根據(jù)礦山現(xiàn)用分段高度確定進(jìn)路間距的合理值為10～12 m，最佳崩礦步距為1.8 m；在正?；夭蓞^(qū)，對于10 m分段高度，每排布置8個(gè)炮孔為宜；對于12.5 m分段高度，每排布置9個(gè)炮孔為宜。

（4）通過對下盤殘礦回收方式實(shí)驗(yàn)研究，選用雙回收進(jìn)路齊頭退采，低貧化放礦方式，殘礦回收效果最佳，可對殘礦實(shí)現(xiàn)有效回收。