任鳳玉 劉 洋 曹建立 何榮興 周顏軍 劉 歡

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004）

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和礦產(chǎn)資源開采強(qiáng)度的日益增加，資源需求量也隨之增加，大量賦存于復(fù)雜地質(zhì)條件下礦體的開采力度也逐年加大。但是，越來越多的采礦實(shí)踐表明，由于開采方法或回采順序不夠合理，導(dǎo)致采場、巷道甚至地面產(chǎn)生大變形，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，給人民的生命財產(chǎn)與安全造成了巨大損失和隱患。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，尋找合理的開采方案，最大限度地避免危害是非常必要的［1-3］。

本研究結(jié)合大北山鐵礦的開采現(xiàn)狀，通過理論分析和現(xiàn)場調(diào)查得出最佳的采礦方案，有效保護(hù)了礦山安全運(yùn)行并提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益，為同類礦山開采方案的選擇提供參考與指導(dǎo)。

1 采空區(qū)概況

大北山鐵礦為“鞍山式”火山—沉積變質(zhì)型磁鐵礦床，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，礦體平均厚約17.71 m，傾角37°～58°，屬于傾斜厚礦體，埋深11～525 m（見圖1）；礦體為磁鐵石英巖，上下盤圍巖主要為斜長角閃巖和混合花崗巖，局部為細(xì)晶閃長巖脈。礦體夾石不發(fā)育，規(guī)模較小，夾石主要為斜長角閃巖和混合花崗巖，夾石與礦體產(chǎn)狀基本一致。礦巖穩(wěn)定到中等穩(wěn)定，局部礦巖接觸不穩(wěn)定。TFe平均品位30.47%，mFe平均品位26.99%。由于前期勘測水平的原因，先用淺孔留礦法開采礦體，在開采區(qū)域內(nèi)，部分工業(yè)設(shè)施與生活區(qū)、尾礦庫、穿過礦區(qū)的縣級道路等位于礦體水平投影范圍之內(nèi)。下部厚大礦體被發(fā)現(xiàn)后，按照以往預(yù)測地表移動范圍的理論繼續(xù)開采，將導(dǎo)致大量礦石被積壓，造成巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。同時，繼續(xù)采用留礦法開采，也將導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中存在著效率低、安全條件差、礦柱損失大等諸多問題。

2 分區(qū)范圍劃定

2.1 臨界散體柱理論

臨界散體柱理論［4］，即塌陷坑內(nèi)散體存在一個臨界高度，臨界高度內(nèi)的巖體不發(fā)生移動，在臨界高度之上以固定錯動角的方式預(yù)測塌陷范圍（如圖2）。臨界散體柱理論考慮了散體的作用，縮小了預(yù)測值和實(shí)際值的差距，解決了深部開采中預(yù)測塌陷范圍的難題，并在弓長嶺井下礦［5］和西石門鐵礦［6］得到成功應(yīng)用。

為更好地說明這一問題，采用“陷落角”表示地表巖層陷落范圍大小的固有屬性，而將采空區(qū)底板邊緣到地表陷落區(qū)邊界的連線與水平面的夾角稱為巖體視在陷落角，則視在陷落角隨開采深度的大小而變化，當(dāng)采深小于臨界陷落散體柱時，視在陷落角等于巖體的陷落角；當(dāng)采深超過臨界陷落散體柱時，則視在陷落角大于巖體的陷落角。視在陷落角與陷落角的幾何關(guān)系如圖2所示，按此幾何關(guān)系可直接寫出視在陷落角與采深的關(guān)系式：

式中，β為塌落角，（°）；α為礦體傾角，（°）；β0為錯動角，（°）；H為開采深度，m；h0為臨界深度，等于臨界散體柱與塌陷坑的高度之和，m。

式中，r為保護(hù)區(qū)間半徑，m；L為安全距離，m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，可以得出臨界散體柱高度為101.87 m，錯動角為87°。

2.2 分區(qū)范圍的劃定

在礦區(qū)的東南部，出現(xiàn)了部分工業(yè)設(shè)施壓礦的問題。此外，在礦區(qū)的西北部，地表尾礦庫、縣級公路與池溏等，也需要保護(hù)。這些保護(hù)區(qū)域需用充填法回采，其余部位可用分段誘導(dǎo)冒落法開采。按可用采礦方法與開采條件的不同，鐵礦可分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)與東南區(qū)三區(qū)開采，其中中央?yún)^(qū)為主采區(qū)，地表沒有構(gòu)筑物壓礦，可應(yīng)用分段誘導(dǎo)冒落法開采；西北區(qū)和東南區(qū)均采用充填方法開采。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和臨界散體柱理論可得出分區(qū)范圍如圖3所示。

3 分區(qū)開采方案研究

根據(jù)臨界散體柱理論和現(xiàn)場調(diào)查，可將大北山鐵礦山分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)與東南區(qū)三區(qū)開采。為了提高礦山生產(chǎn)效率，中央?yún)^(qū)采用分段誘導(dǎo)冒落法開采；為了保證地表建筑物不受破壞，西北區(qū)和東南區(qū)采用上向分層干式充填法開采，從而實(shí)現(xiàn)礦山的安全高效開采。

3.1 中央?yún)^(qū)開采方案研究

礦山中央?yún)^(qū)區(qū)采用分段誘導(dǎo)冒落法［7］如圖4所示。

采用中段高度60 m，分段高度15 m，進(jìn)路間距18 m。采準(zhǔn)工程布置在礦體的下盤側(cè)，每3個分段組成一個誘導(dǎo)冒落法回采單元。每一回采單元的第一分段進(jìn)路，靠上盤部分作為誘導(dǎo)工程，誘導(dǎo)上覆礦巖自然冒落；靠下盤部分為回收工程，在回采本分段礦量的同時，回收上部誘導(dǎo)冒落的礦量。同時，整個采場采用后退式回采順序同步施工，促使上覆礦石在本分段回采過程中自然冒落。冒落的礦石在下部分段回采過程中逐步回收。

礦石可鑿性好，采用YGZ—90型中深孔鑿巖機(jī)鑿巖，炮孔直徑Φ60 mm。采用斗容2.0 m3的鏟車出礦，巷道斷面大小為4.0 m×3.8 m（寬×高）。圍巖穩(wěn)定性較差部位，采用錨網(wǎng)或錨網(wǎng)噴漿支護(hù)。采場內(nèi)采出的礦石，在分段巷道直接裝車，經(jīng)斜坡道運(yùn)至地表。為充分回收下盤側(cè)礦石，先將下盤回采進(jìn)路加密1倍，以加密進(jìn)路作為回收進(jìn)路，用來大量回收下盤部位礦量，此后，根據(jù)殘留體形態(tài)，在分段之間設(shè)置下盤沿脈進(jìn)路，再次回收下盤殘留體（如圖5）。為提高開采效率，回收進(jìn)路的回采工作最好與正常回采進(jìn)路分開，即在采場內(nèi)正常回采進(jìn)路回采結(jié)束后，再回采回收進(jìn)路。在條件允許時，回采進(jìn)路應(yīng)采取較小的巷道斷面，利用小型設(shè)備，滯后一個中段回采，即二次回收。

3.2 臨界跨度估算

對平衡拱進(jìn)行應(yīng)力分析如圖6所示［8］，可以得出：

式中，q為垂直應(yīng)力，t/m；q=γH，γ為上覆巖層容重，t/m2（平面問題）；H為空區(qū)頂板埋深，m；l為采空區(qū)半跨度，m。

由式（3）可知T值越大，l值越大。當(dāng)頂板圍巖承受的壓應(yīng)力達(dá)到極限值時，采空區(qū)跨度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的最大值，此后，采空區(qū)將發(fā)生冒落。將采空區(qū)頂板圍巖發(fā)生自然冒落時采空區(qū)最小跨度，稱之為臨界冒落跨度，則由式（3）可寫出臨界冒落跨度的計算式：

式中，L為采空區(qū)臨界冒落跨度，m；h為采空區(qū)高度，m；Tc為巖體單位面積上的極限抗壓力，t。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，礦體的誘導(dǎo)冒落工程設(shè)置在0 m水平，即利用0 m水平現(xiàn)有工程連續(xù)回采的空間誘導(dǎo)上部礦巖自然冒落。0 m水平的采空區(qū)高度按15 m計算，則采空區(qū)埋深約260 m。上部礦體的抗壓強(qiáng)度為82.48 MPa，完整性系數(shù)為0.63，則礦體抗壓強(qiáng)度的最大值為51.96 MPa。取h=12 m，H=260 m，γ=2.65 t/m2，Tc=5 299.92 t，代入式（4），計算可得臨界冒落跨度為27.18 m，取1.1的保險系數(shù)，取30 m作為采空區(qū)頂板臨界冒落跨度的估計值。因此，上盤誘導(dǎo)冒落工程長度應(yīng)不小于30 m。

3.3 西北區(qū)和東南區(qū)開采方案研究

西北區(qū)和東南區(qū)礦體采用上向分層干式充填法開采，如圖7所示［9］。

礦體由斜坡道開拓，分段高度15～20 m，采下礦石可從采場直接裝車、經(jīng)斜坡道運(yùn)至地表。斜坡道直通下部主采區(qū)，可將下部掘進(jìn)碴石運(yùn)到采場進(jìn)行廢石充填?？紤]到礦體規(guī)模較小、品位較低，同時利用礦石與廢石運(yùn)輸方便的條件，選用干式充填法開采。為提高礦石回采率，結(jié)合礦體形態(tài)，設(shè)計了上向分層干式充填采礦法。垂直礦體走向（礦體長度方向）布置采場，取采場寬15 m，間柱寬3 m。用淺孔落礦，采下礦石在采場直接裝車運(yùn)到地表選礦廠，充分利用井下掘進(jìn)廢石充填?？紤]到廢石充填料的供給能力和限制采場頂板暴露時間，設(shè)計每2個采場為1組進(jìn)行回采，即每2個采場設(shè)置1條聯(lián)絡(luò)巷道與1條回風(fēng)天井，2個采場由下向上同步回采。但當(dāng)?shù)V體長度不是很大、采場總數(shù)不超過4個時，整個礦體設(shè)計1條聯(lián)絡(luò)巷道與1條回風(fēng)天井，所有采場由下向上同步回采。

4 結(jié)論

（1）大北山鐵礦礦石品位較低，需要低成本安全高效開采。礦山現(xiàn)用淺孔留礦法采礦，生產(chǎn)中存在著效率低、安全條件差、礦柱損失大等諸多問題，不能滿足安全高效開采要求，為此需要研究采用適合礦床條件的新型采礦方法。

（2）在礦山開采區(qū)域內(nèi)的工業(yè)設(shè)施與尾礦庫等需要保護(hù)，這些保護(hù)區(qū)礦體需用充填法開采，其余礦體適合應(yīng)用誘導(dǎo)冒落法與分段崩落法開采。根據(jù)臨界散體柱理論和現(xiàn)場調(diào)研，得出分區(qū)開采界限，將礦山開采區(qū)域分為西北區(qū)、中央?yún)^(qū)和東南區(qū)3個區(qū)域開采。

（3）中央?yún)^(qū)為主采區(qū)，可采用分段誘導(dǎo)冒落法高效開采，選取中段高度60 m，分段高度15 m，進(jìn)路間距18 m；西北區(qū)和東南區(qū)可用來補(bǔ)充主采區(qū)礦量的不足，采用上向分層干式充填法與中央?yún)^(qū)協(xié)同開采。