肖利民，劉曉亮，王 宇，窛向宇

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

楊家灣鐵鋅礦“三下”保護性開采安全措施研究

肖利民，劉曉亮，王 宇，窛向宇

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

針對楊家灣鐵鋅礦現(xiàn)狀及面臨的問題，通過采礦方法技術(shù)經(jīng)濟比較得出適合本礦山的最優(yōu)采礦方法；結(jié)合礦山現(xiàn)狀，合理劃分出崩落法和充填法開采區(qū)域；通過模擬計算，確定出崩落法采場與下部充填法采場之間隔離層的厚度；最后根據(jù)礦山現(xiàn)狀及未采動礦體分布情況，編制出安全、合理的回采順序。在采取上述保護性開采安全措施后，將可保護礦區(qū)地表公路、河流、民房不被破壞。

“三下”開采；充填采礦法；安全；隔離層

“三下”開采是指在地表水體、建筑物、構(gòu)筑物及鐵路下進行礦體開采[1]。近年來，隨著礦產(chǎn)資源的消耗迅猛增長，在國內(nèi)，開采條件好、品位高的礦基本上都已經(jīng)開采，而礦石品位低、上部有水體(流砂)、建筑物、主要運輸干線等(統(tǒng)稱“三下”礦床)、主體礦開采后的殘留體(包括民采后空區(qū)間礦體、境界外礦體)、露天礦山深部礦體等復(fù)雜難采礦床逐步被開發(fā)利用[2]。

根據(jù)楊家灣鐵鋅礦實際情況，結(jié)合國內(nèi)外礦山“三下”開采實踐經(jīng)驗，對楊家灣鐵鋅礦”三下”保護性開采安全技術(shù)措施進行了研究。

1 礦山概況

楊家灣鐵鋅礦礦體頂板主要為正長斑巖，底板為透輝矽卡巖、黑云大理巖或透輝大理巖。正長斑巖較堅硬、性脆，受后期構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，巖石較破碎，沿裂隙多發(fā)育粘土巖化，使巖石堅固性大大降低。巖石抗壓強度571.0～1412.3 kg/cm2，抗拉強度20.1～67.0 kg/cm2，抗剪強度102.2～160.4 kg/cm2。透輝矽卡巖極易風(fēng)化，吸水膨脹，較破碎，穩(wěn)固性極差，對礦體開采不利。

礦區(qū)地表主要水體洛河自南而北橫穿礦體。河水與第四紀砂礫石層地下水水力聯(lián)系極為密切，是砂礫石含水層地下水的主要補給來源。2011年礦區(qū)地表已出現(xiàn)3個塌陷坑，塌陷面積共約2000 m2，據(jù)調(diào)查，汛期地面大氣降水已有少量滲到井下。礦床水文地質(zhì)條件屬中等類型。

礦區(qū)西側(cè)有洛河和磨徐公路。洛河是黃河支流之一，發(fā)源于陜西省藍田縣境華山南麓，流經(jīng)洛南、盧氏、洛陽，于鞏縣境入黃河，是中國原始農(nóng)業(yè)起源最早地區(qū)之一。洛河具有重要的歷史、文化意義，而礦區(qū)位于洛河上游，開采時保護洛河不受破壞尤為重要。礦區(qū)西側(cè)洛河沿岸的磨徐公路為附近的主要交通道路，礦區(qū)范圍內(nèi)沿磨徐公路兩側(cè)間隔分布有民房，公路及民房均不能破壞。

楊家灣鐵鋅礦采用分期開采。該礦山于2003年開始基建，2005年末投產(chǎn)，2006年達產(chǎn)。礦山采用地下開采方式，主豎井+斜井開拓，采礦方法為無底柱分段崩落法。一期開采范圍為145～160線之間300 m以上保安礦柱以外的礦體。截至2012年底，350 m中段已基本回采結(jié)束，礦山開采現(xiàn)已造成地表3處塌陷，地表移動邊界距礦區(qū)西側(cè)公路42 m。若繼續(xù)使用無底柱分段崩落法開采，地表巖石移動范圍將進一步擴大，將對公路、河流、建(構(gòu))筑物造成破壞；而礦區(qū)范圍內(nèi)尚有豐富的礦石儲量未采動，且深部礦巖穩(wěn)固性未見好轉(zhuǎn)。

2 “三下”保護性開采安全技術(shù)措施研究

2.1 選擇安全、可行的采礦方法

目前楊家灣鐵鋅礦正在使用的無底柱分段崩落法已不能滿足開采要求。礦山須采用能有效控制巖石移動的采礦方法替代崩落法，以滿足安全環(huán)保、經(jīng)濟的需求。結(jié)合國內(nèi)外礦山“三下”開采實踐經(jīng)驗，國內(nèi)外地下礦山保護地表唯一行之有效的措施就是采用充填法甚至膠結(jié)充填法，采用充填法可防止圍巖崩落，減緩巖移。

為保護礦體上部的公路和河流，回采須選用充填采礦法?？蛇x的采礦方法有：上向分層充填采礦法、上向進路充填采礦法、下向進路充填采礦法、點柱充填采礦法。上述采礦方法共同特點是充填采空區(qū)，能夠有效控制巖石移動，由于回采工藝不同，適用條件不同。

表1 采礦方法技術(shù)經(jīng)濟比較

根據(jù)礦體圍巖條件，井下最大安全跨度僅為4 m。因此，可排除上向分層充填采礦法和點柱充填采礦法。上向進路與下向進路回采的技術(shù)經(jīng)濟比較見表1?？紤]到生產(chǎn)成本及工藝要求等因素，推薦采用上向進路充填采礦法作為礦山今后主要的采礦方法。

充填材料采用全尾砂，經(jīng)對楊家灣鐵鋅礦選礦廠尾砂進行物理化學(xué)性質(zhì)試驗。試驗結(jié)果表明，楊家灣鐵鋅礦的全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)可滿足充填要求。采用選礦廠尾砂作為井下充填材料，可解決了充填材料問題，還大量減少了尾砂的外排量。

由于350 m中段回采引起的地表移動界線距離公路約42 m，300 m中段須盡快改為充填法開采，以防止地面塌陷、地面設(shè)施的破壞。

2.2 合理劃分過渡中段開采區(qū)域

結(jié)合礦山開采現(xiàn)狀，選擇300 m中段作為充填法的首采中段和采礦方法過渡中段。在過渡中段，充填法回采和崩落法回采同時存在。將300 m中段劃分出相應(yīng)的開采區(qū)域以保證生產(chǎn)安全有序的進行。開采區(qū)域的劃分滿足以下原則：

(1) 充分考慮對地表公路、河流的保護，避免崩落法開采后，地表巖石移動對地表公路、河流造成破壞；

(2) 兩種不同采礦方法之間應(yīng)留適當(dāng)?shù)母綦x礦柱，以保證生產(chǎn)安全；

(3) 崩落法開采區(qū)域內(nèi)礦石量及生產(chǎn)能力應(yīng)能滿足充填采礦法達產(chǎn)之前的20×104t/a的產(chǎn)量需求。

為減少崩落法開采導(dǎo)致地表巖石移動對礦區(qū)西側(cè)公路河流的影響，將崩落法開采采場布置在遠離公路、河流的礦體東翼。區(qū)域內(nèi)礦石儲量按設(shè)計生產(chǎn)能力可采4.4 a計算。崩落法采場由東向西布置。在能滿足生產(chǎn)能力的情況下，盡量縮小崩落開采范圍，以避免地表移動界線擴大。在充填采礦法應(yīng)用之后，盡快停止崩落法回采。

采用FLAC3D對崩落法開采區(qū)域開采后的模型進行數(shù)值模擬分析。分析表明，劃定區(qū)域內(nèi)采用崩落法回采后，對地表巖石移動影響較小，不會大幅增大地表巖石移動范圍，能避免地表公路、河流、建(構(gòu))筑物遭到破壞。

因300 m中段同時進行崩落法和充填法開采，崩落法開采時會造成附近礦巖的破壞，因此需要在崩落與充填法之間留隔離礦柱。隔離礦柱的寬度B=H/tanα=50/tan70°=18.2 m，考慮一定的安全余量，隔離礦柱安全寬度取20 m。

充填法開采區(qū)域位于隔離礦柱以西，此區(qū)域作為充填采礦法的試驗采場，在采礦方法試驗結(jié)束后，逐漸增加充填法采場，完成崩落法向充填法的過渡。

2.3 確定安全、經(jīng)濟的隔離層厚度

為避免300 m中段隔離礦柱以西的崩落法開采區(qū)域回采后對下部充填法回采造成影響，保證下部生產(chǎn)安全，300 m中段崩落法采場與下部充填法采場之間要留有一定厚度的礦體作為隔離層。

為確定出安全、經(jīng)濟的隔離層厚度，采用有限元差分方法，并應(yīng)用FLAC3D軟件對礦山上向進路充填法中的單進路開挖和全分層多進路同時開挖的穩(wěn)定性進行模擬計算。穩(wěn)定性模擬計算成果見表2。

表2 穩(wěn)定性模擬計算結(jié)果

根據(jù)計算不同隔離層厚度情況下豎向位移及應(yīng)力分布結(jié)果，隔離層厚度大于8 m時，隔離層下部礦柱及進路開采趨于安全狀態(tài)，12 m時已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

因本次分析為標準采區(qū)最大寬度，而實際開采過程中，采區(qū)會隨礦體產(chǎn)狀發(fā)生變化，寬度變小，同一分層進路數(shù)、同時開挖產(chǎn)生空區(qū)均會相應(yīng)減少，則進路和礦柱產(chǎn)生的位移和應(yīng)力都會適當(dāng)變小。故按標準采區(qū)規(guī)格來分析，得出的隔離層厚度安全余量足夠，完全可以保障因礦體產(chǎn)狀變化而造成采區(qū)寬度變化所需要的隔離層安全厚度?？紤]到礦山實際開采中仍有地層、斷層及充填體強度等外在因素，綜合確定隔離層安全、經(jīng)濟厚度取值10～12 m及以上。

2.4 編制安全、合理的回采順序

目前礦山未采動的礦體分布在200～440 m標高之間，根據(jù)礦床開采技術(shù)條件，并為保護地表公路、河流、建(構(gòu))筑物不被破壞,以及考慮到崩落法轉(zhuǎn)充填法開采的需要，本次研究編制出礦山未采動礦體的總體回采順序及各階段回采順序，以保證礦山能安全、有序的生產(chǎn)。

礦山未采動礦體的總體回采順序為：首先回采過渡階段礦體，再進行礦山二期回采，最后回采礦柱。

(1) 過渡階段回采順序。過渡階段即回采300 m過渡中段時期。楊家灣鐵鋅礦現(xiàn)有開拓系統(tǒng)已開拓至300 m中段，300 m中段礦石儲量較大，礦體形態(tài)較好，350 m中段崩落法回采結(jié)束后即轉(zhuǎn)入300 m中段開采。在300 m過渡中段完成崩落法向充填法的轉(zhuǎn)換。300 m中段以隔離礦柱為界，隔離礦柱以東的崩落法開采區(qū)域其回采順序為自東向西、自上而下回采。隔離礦柱以西的充填法開采區(qū)域其回采順序為自東向西、自下而上回采。采用上述回采順序，可減少和延緩崩落法開采對地表設(shè)施、充填法回采區(qū)域的影響。

(2) 礦山二期回采順序。在300 m過渡中段回采結(jié)束后，即開始二期開采。對于充填采礦法來說，最理想的開采方式是不留頂?shù)字?、不做人工假頂，則中段內(nèi)采用自下而上一次回采順序，達到較高礦石回收率。楊家灣鉛鋅礦的礦石價值并不高，礦體自上而下變小逐漸尖滅，下部礦量不多，故上下中段間采用自上而下的回采順序，即先采250 m中段，再采200 m中段。

(3) 礦柱回采順序。二期回采結(jié)束之后，整個礦山的主要礦體開采已結(jié)束，將轉(zhuǎn)入礦柱回采階段。此階段主要回采采場底柱、隔離層、隔離礦柱、350 m以上崩落法回采剩下的礦體等。礦柱回采仍使用上向進路充填采礦法，采用自下而上的回采順序，即先回采200 m中段底柱、250 m中段隔離層、底柱，再采300 m中段隔離礦柱，最后回采350 m以上崩落法回采剩下的礦體。

3 預(yù)期效果

楊家灣鐵鋅礦在過渡回采階段如能完成崩落法轉(zhuǎn)充填法，并按劃定的回采區(qū)域及編制的回采順序開采礦山未采動礦體，同時留設(shè)好隔離層、隔離礦柱。預(yù)期采用上向進路充填采礦法開采對圍巖應(yīng)力擾動小，能保證采區(qū)穩(wěn)定，基本不變形，研究所確定的隔離層厚度、隔離礦柱寬度能夠滿足礦山安全開采需要，通過采取上述保護性開采安全技術(shù)措施后能達到保護礦區(qū)地表公路、河流、民房不被破壞的目的，并使該礦山礦產(chǎn)資源得到最大化的開采利用。

4 研究意義

(1) 本研究屬于“三下”開采，礦體上方有磨徐公路和洛河，且井下礦巖穩(wěn)固性差，開采技術(shù)條件復(fù)雜。本次研究成果對類似礦山安全、高效生產(chǎn)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

(2) 充填采礦法可防止圍巖崩落，減緩巖移，是保護地表的行之有效的措施。通過研究，選擇合適的開采方案，避免開采造成地表破壞，對環(huán)境保護具有重要意義。將選礦產(chǎn)生的尾砂作為充填料充入井下，減少尾砂在地表的排放，減輕尾礦庫的負擔(dān)，減少了對環(huán)境的破壞。

(3) 充填采礦法具有較高的回收率，適應(yīng)礦體形態(tài)變化的能力強，靈活性大，對于提高資源回收率有重要的意義。

(4) 通過實施本研究方案，能保證礦山持續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)，保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，創(chuàng)造勞動就業(yè)條件，具有較高的社會經(jīng)濟效益。

[1] 張富民，潘 燮，等.采礦設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.

[2] 郭金峰.我國復(fù)雜難采礦床開采的問題與對策[J].金屬礦山，2005(12)：10.

[3] 張德明，李少磊，徐恩華，等.新編礦山采礦設(shè)計手冊[M].北京，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：1330-1336.

2013-12-13)

肖利民(1982-)，男，湖南衡陽人，碩士，工程師，主要從事礦山安全設(shè)計研究工作，Email:26363515@qq.com。