梅甫定 王如坤 夏 鴻

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院;2.武鋼礦業(yè)公司金山店鐵礦)

崩落采礦法因生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)而被大多數(shù)地下礦山廣泛采用，其中地下鐵礦尤為突出，采用此法采出的鐵礦占總量的85%以上。但是崩落采礦法在落礦或回采過程中，通過崩落圍巖(覆巖)進(jìn)行地壓管理，造成地表塌陷，不僅需要巨額的搬遷費(fèi)用，也破壞了大量寶貴的土地資源［1］。而充填采礦法在控制地表下陷方面具有良好的效果，而且尾礦也得到充分利用，降低了尾礦對(duì)環(huán)境的污染;缺點(diǎn)是成本較高。隨著國家和企業(yè)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，越來越多的地下礦山企業(yè)開始采用同區(qū)段崩落法和充填法聯(lián)合開采的方法，金山店鐵礦就是其中的一個(gè)典型代表［2-3］。本研究就金山店鐵礦東區(qū)的實(shí)際情況對(duì)將要采用的崩落法和充填法聯(lián)合開采的可行性進(jìn)行全面的研究。

1 礦山概況

金山店鐵礦位于湖北省大冶市金山店鎮(zhèn)，具有得天獨(dú)厚的礦產(chǎn)資源，是武鋼的主要原料基地之一。目前金山店鐵礦主要由張福山和余華寺兩大礦區(qū)構(gòu)成。張福山礦區(qū)以25#勘探線為界分為東、西2個(gè)區(qū)，25#勘探線以東稱為東區(qū)，25#勘探線以西稱為西區(qū)。

1.1 礦山地質(zhì)概況

金山店鐵礦處于新華夏系第二隆起帶的次級(jí)構(gòu)造鄂城、大磨山主體復(fù)合隆起帶與過渡地帶連接部位，屬于接觸交代型鐵礦床，共分布大小100個(gè)礦體;其中Ⅰ和Ⅱ號(hào)礦體規(guī)模較大，占礦床探明儲(chǔ)量的90%以上。Ⅰ號(hào)礦體隱伏于地下，礦體形態(tài)較簡(jiǎn)單規(guī)則，呈似層狀，其厚度為20～80 m;Ⅱ號(hào)礦體位于Ⅰ號(hào)礦體下盤，相距10～120 m，礦體厚度為10～150 m。

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.2.1 開拓系統(tǒng)

張福山礦區(qū)采用豎井開拓，主要井筒有新主井、中央主井、中央副井、東副井、西副井、西風(fēng)井。新主井承擔(dān)整個(gè)礦區(qū)的礦石提升任務(wù)，中央主井現(xiàn)改為進(jìn)風(fēng)井，中央副井提升人員、材料、下放設(shè)備，東、西副井分別作為東區(qū)回風(fēng)井和西區(qū)進(jìn)風(fēng)井。

1.2.2 采礦現(xiàn)狀

1.2.3 運(yùn)輸提升系統(tǒng)現(xiàn)狀

礦山采用環(huán)行運(yùn)輸方式，礦、廢石由溜井經(jīng)振動(dòng)放礦機(jī)裝入底側(cè)卸式礦車，經(jīng)電機(jī)車牽引到卸礦硐室，分別翻入礦、廢主溜井，經(jīng)重型板式給礦機(jī)放入－480 m水平的顎式破碎機(jī)，溜入下部礦倉，再經(jīng)重型板式給礦機(jī)放到－520 m水平的膠帶輸送機(jī)上，最后裝入新主井箕斗提升到地表。

1.3 目前遇到的問題

為緩解西區(qū)采場(chǎng)壓力和尾礦庫庫容不足的壓力以及減少地表搬遷費(fèi)用，欲在東區(qū)－410 m水平以上采用充填法和崩落法聯(lián)合開采的采礦方法，具體方案是－312 m以上仍維持原有的采礦方法不變，即無底柱分段崩落法;－312 m以下至－410 m采用上向水平分層塊石膠結(jié)充填法，見圖1所示。但是該方案是否可行，如何優(yōu)化布置采場(chǎng)，控制地表下陷的效果如何以及如何確定2種采礦方法之間銜接層的安全厚度都是需要在方案實(shí)施前解決的問題。

圖1 上向水平分層充填示意

2 采場(chǎng)布置

2.1 采場(chǎng)要素

圖1所示，礦塊沿礦體走向布置，階段高度70 m，礦塊長度為50 m，寬度為礦體厚度，分層尺寸為3.5 m×6 m(高×寬)。

2.2 采準(zhǔn)方式

根據(jù)礦山現(xiàn)有的開拓系統(tǒng)，采用下盤采準(zhǔn)方式。階段內(nèi)設(shè)置階段溜井，溜井底部設(shè)置振動(dòng)出礦機(jī)，礦石經(jīng)階段平巷及主井運(yùn)往地表。

2.3 主要采準(zhǔn)工程

(1)斜坡道。－340 m至－410 m斜坡道現(xiàn)已設(shè)計(jì)，并與各已建分段相通，－270 m水平到－340 m水平采用新增斜坡道與各分段聯(lián)通。

(2)階段沿脈運(yùn)輸巷。礦車在－340 m水平階段沿脈運(yùn)輸巷溜井口裝礦，經(jīng)階段運(yùn)輸平巷及主井運(yùn)至地表。

(3)分段聯(lián)絡(luò)道。分段聯(lián)絡(luò)道沿礦體走向布置，服務(wù)于整個(gè)水平采場(chǎng)，斷面規(guī)格為3.8 m×3.5 m，距礦體下盤距離為33 m;分段聯(lián)絡(luò)道與采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道連接的轉(zhuǎn)彎半徑為6 m。

從仿真結(jié)果可以看出，在仿真時(shí)間為2s時(shí)，負(fù)載越大，流經(jīng)液壓缸的流量越小，說明泄漏量越大，越影響活塞速度的大小。

(4)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道。每個(gè)分層均布置1條采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道，溝通采場(chǎng)和分段聯(lián)絡(luò)道。其中，下向采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道坡度為8°，上向采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道坡度為12°。

(5)充填回風(fēng)天井。在采場(chǎng)中央位置，沿礦體布置充填回風(fēng)天井，以改善采場(chǎng)的通風(fēng)與充填效果，斷面規(guī)格為1.0 m×1.0 m。充填回風(fēng)天井聯(lián)通充填回風(fēng)巷道和分層采場(chǎng)，污風(fēng)經(jīng)該井排至充填回風(fēng)巷道。

(6)卸礦溜井及卸礦橫巷。整個(gè)階段共用1個(gè)卸礦溜井，斷面直徑尺寸為3 m，根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)的有效運(yùn)距，選擇溜井間距為100～120 m。卸礦橫巷為卸礦溜井與分層聯(lián)絡(luò)道連接的通道，斷面尺寸為3.8 m×3.3 m。

(7)切割工程布置。在底部的上部掘進(jìn)拉底巷道(3.8 m×3.3 m)，并以此為自由面擴(kuò)大至礦塊邊界，形成拉底空間，并將崩下的礦石用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)走。形成一定高的拉底空間后，即可向上分層回采、分層充填。

3 確定地表陷落、移動(dòng)范圍

3.1 地表陷落、移動(dòng)范圍的繪制步驟

(1)選擇25#、32#、34#、39#勘探線的剖面作為二維有限元數(shù)值分析的計(jì)算剖面。

(2)針對(duì)各個(gè)剖面分布確定開采引起的地下松動(dòng)區(qū)。這個(gè)松動(dòng)區(qū)的范圍包括采空區(qū)以及采空區(qū)周圍的破損區(qū)，在破損區(qū)內(nèi)將會(huì)發(fā)生塌落或較大的位移，而在松動(dòng)區(qū)外的巖體則有自成平衡的穩(wěn)定趨勢(shì)。

(3)從松動(dòng)區(qū)南北邊界最寬的位置M和N作鉛垂線，它們與地表交點(diǎn)A、B之間的部位確定為陷落區(qū)，如圖2所示。

圖2 地表陷落、移動(dòng)范圍的確定

(4)在從M、N向地表作鉛垂線時(shí)與－252 m的水平線相交于P、Q點(diǎn)。從P、Q向礦體外作2條射線PC、QD，它們與水平線的交角分別取用金山店西區(qū)－270 m開采高程時(shí)上盤的移動(dòng)角58°和下盤的移動(dòng)角70°，這2條射線與地面的交點(diǎn)C、D之間的部位確定為移動(dòng)區(qū)。

(5)在上述25#，32#，34#，39#4個(gè)剖面上點(diǎn)C、D(對(duì)應(yīng)于移動(dòng)區(qū))，A、B(對(duì)應(yīng)于陷落區(qū))以及基于礦體走向范圍的基礎(chǔ)上，可以圈定出一直采用崩落法開采和采用崩落法和充填法聯(lián)合開采地表陷落范圍和移動(dòng)范圍。

3.2 結(jié)果分析

采用崩落法和充填法聯(lián)合開采法地表陷落、移動(dòng)范圍見圖3，全部采用崩落法地表陷落、移動(dòng)范圍見圖4所示。

圖3 崩落法和充填法聯(lián)合開采法地表陷落、移動(dòng)范圍

(1)由圖3可以看出，采用崩落法和充填法聯(lián)合開采，只有火車站一半和鐵路的一段在地表陷落、移動(dòng)區(qū)內(nèi)，需要搬遷;而張福山村和水庫都在地表陷落、移動(dòng)范圍之外，幾乎不受地表沉陷的影響，因此不需要搬遷。

圖4 崩落法地表陷落、移動(dòng)范圍

(2)由圖4可以看出，若一直采用無底柱分段崩落法，地表陷落、移動(dòng)范圍向北擴(kuò)展很小，主要向南、向東擴(kuò)展，不僅火車站的大部，鐵路仍在地表陷落、移動(dòng)范圍之內(nèi)，而且張福山村和水庫大部分也進(jìn)入地表陷落、移動(dòng)范圍，安全得不到保障，不得不進(jìn)行搬遷。因此，崩落法和充填法聯(lián)合開采對(duì)于保護(hù)張福山村和水庫，減少征地搬遷費(fèi)用具有重要意義。

4 確定銜接層安全厚度

由于上部實(shí)施崩落法開采，下部實(shí)施充填法開采，2個(gè)開采區(qū)域必然存在一個(gè)銜接層，此銜接層主要是在下部充填法開采時(shí)作為礦房頂板存在，該銜接層不僅要承受自重荷載，還要承載上部逐步崩落圍巖的重力。因此，銜接層必須有合適的厚度以保證它自身的穩(wěn)定性。根據(jù)采場(chǎng)布置可知充填法形成空區(qū)(也就是礦房)的跨度為60 m，高度為14 m。而空區(qū)頂板的穩(wěn)定性主要取決于空區(qū)的跨度，根據(jù)以往大量的經(jīng)驗(yàn)，跨度60 m的空區(qū)，上部覆巖厚度在50 m左右為安全的，但這跟圍巖的性質(zhì)有很大的關(guān)系，因此，選取了30、40、50、60 m厚度銜接層進(jìn)行數(shù)值模擬，以尋找不產(chǎn)生破壞的最小銜接層厚度。

4.1 數(shù)值模擬［4］

根據(jù)地質(zhì)資料及開拓縱投影圖，模型中部有60 m寬的空區(qū)，模型寬度為300 m(滿足圣維南原理)。銜接層上部至地表由于崩落法開采會(huì)塌陷至地表，模擬中把上部預(yù)計(jì)的塌陷體按照集中荷載的方式加到銜接層上。此外，模型網(wǎng)格大小為3 m×3 m，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。

4.2 結(jié)果分析

圖5 不同厚度銜接層塑性區(qū)分布

圖6 不同厚度銜接層z方向位移圖

(1)從圖5中可以看出，30 m厚度的銜接層上部和下部都產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，超出了巖體的抗拉強(qiáng)度，并且較大的應(yīng)力基本上存在于整個(gè)銜接層中，這說明銜接層極不穩(wěn)定。當(dāng)銜接層厚度加大到40 m時(shí)，其上下部應(yīng)力分布明顯減小，產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于巖體的抗拉強(qiáng)度，說明此時(shí)的銜接層是穩(wěn)定的。當(dāng)銜接層厚度繼續(xù)加大到50 m和60 m時(shí)，應(yīng)力的數(shù)值和分布范圍都進(jìn)一步減小，說明銜接層在大于40 m厚度的情況下都是穩(wěn)定的。

(2)從圖6中可以看出，30 m厚度銜接層z方向的位移相對(duì)較大，40 m厚時(shí)位移有所減小，但50 m和60 m厚時(shí)位移又增大，這可以解釋為30 m厚時(shí)銜接層因受到嚴(yán)重破壞而位移量較大，40 m厚時(shí)銜接層破壞程度較輕因而位移量減小，而到50 m、60 m厚時(shí)，銜接層雖破壞程度進(jìn)一步減小，但由于自身重力的增加致使銜接層兩幫的支撐位置會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，從而有較大的豎向位移。從銜接層模擬z方向位移圖中也可以看出，40 m是最佳厚度

(3)綜上所述，40 m厚的銜接層不僅是穩(wěn)定的，而且z方向上的位移也最小，因此，將銜接層的安全厚度確定為40 m是合適的。

5 結(jié)論

(1)通過研究表明，在金山店鐵礦東采區(qū)采用崩落法和充填法聯(lián)合開采是可行的，采用上向水平分層塊石膠結(jié)充填法進(jìn)行充填，可有效控制地表下陷，保護(hù)地表建(構(gòu))筑物和水體，節(jié)省征地搬遷的費(fèi)用。

(2)通過數(shù)值模擬的方法得出崩落法和充填法之間銜接層的安全厚度為40 m，不僅可保證開采的安全性，而且可以獲得最大采出率，減少資源的浪費(fèi)。

(3)隨著國家對(duì)安全和環(huán)境的日益重視，科技礦山、無廢礦山、綠色礦山已成為大勢(shì)所趨，作為一種安全、環(huán)保的采礦方法，崩落法和充填法聯(lián)合開采將會(huì)在越來越多的礦山企業(yè)得到應(yīng)用，本研究能為類似礦山提供一些有益借鑒。

［1］ 劉曉云，熊綿國.金屬礦崩落法改充填法開采可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2011(5):10-13.

［2］ 王湘桂，唐開元.礦山充填采礦法綜述［J］.礦業(yè)快報(bào)，2008(12):1-5.

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