空场转崩落条件下资源集约整合与空区放顶研究*

孙江先 王 星 孙国权

(1.紫金天鸥矿业有限公司;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

1 地质概况

紫金天鸥矿业有限责任公司下告铁矿所在地段为一盆地，地势由南至北逐渐抬升，但中部位置呈现平缓状态，侵蚀基准面标高为+160 m。所处盆地周边的山体于北部呈弧形连续延伸，于南部呈切割状延伸。北部海拔标高为285.8～528.8 m，坡角为25°～30°，南部山体海拔标高为308.0～247.15 m，坡角为20°～25°。

1.1 工程地质条件

下告铁矿矿区的岩体按工程地质性质可以划分为6大类:①完整坚硬岩，主要有中粒斑状黑云母花岗岩、花岗斑岩、闪长玢岩、石英斑岩和中细粒石英砂岩等未风化岩石;②较完整较坚硬的岩体组，主要有未风化的白云质大理岩、角岩化粉砂岩、矽卡岩和角岩等;③较破碎较软岩组，主要是粗中粒斑状黑云母花岗岩、白云质大理岩和大理岩等弱风岩体以及微—弱风化的角岩化细砂岩、角岩化粉砂岩等;④破碎软岩组，主要是粗中粒斑状黑云母花岗岩、角岩化细砂岩、角岩化粉砂岩等强风化的岩体;⑤极破碎岩组，主要是糜棱岩和靡棱质角砾岩等构造岩体;⑥松散组岩体，主要是第四系冲、坡积及全风化岩。

1.2 水文地质条件

矿区地下水补给来源主要为大气降水和地表的下告河流及其支流。在区域水文地质单元中，矿区位于区域地下水的局部排泄区，区内赋存的地下水，其补给条件良好，排泄则以各含水岩带之间的内循环为主。各含水岩组的分布、赋存条件形成区内各含水层中地下水的相互补排关系、地表水与地下水的相互补排关系及降水对地下水的直接与间接补给关系。矿区水文地质条件简单。

2 现有井下采空区调查

经现场调查，空区存在于+47、+60、+75、+90 m 4个水平范围内，空区编号分别为6001、6005、6009和6013。空区总体积为8.28万m3。空区具体数据见表1所示。

表1 空区数据

3 采空区稳定性分析

采空区稳定性分析模型的确定是根据矿山现有空区状态和矿体的赋存环境等进行的。参照矿山实际情况，本次数值模拟的模型尺寸为500 m×240 m×180 m，模型共有24 000个单位和26 775个节点。

3.1 数模边界条件

数值模拟计算之前，需要对模型设定边界条件。本次模拟中将模型于X－Y面内固定，Z方向上于模型底部进行固定，即让模型顶面到达地表，无需设定约束，使其处于自由状态。

3.2 模拟结果分析

6005与6009两空区Z向位移模拟云图见图1，6005与6009两空区最大主应力模拟云图见图2，6005与6009两空区部分Z向位移监测点记录见图3。

图1 6005与6009两空区Z向位移云图

图2 6005与6009两空区最大主应力云图

(1)当矿柱宽度保持在12～15 m时，6005和6009号两大空区(采场)均继续进行采矿活动直至采完，期间不会造成矿柱和顶板的失稳。

图3 6005与6009两空区部分Z向位移监测点记录

(2)由于空区的顶板位置有呈拱形冒落的趋势，但+137 m以上部分的次生应力比较小，所以，在采空区处理期间需强制崩落顶板。

(3)当空区顶板暴露面积增大时，矿柱内的应力集中现象也愈加明显，此时矿柱的承载对空区稳定性的维护比较重要。

4 资源集约利用与空区放顶方案

根据数值模拟结果，在资源整合利用的同时，为保证形成安全覆盖层，需要进行强制放顶工作。

此方案的思想是依次将6005、6009、6013、6001采空区崩落，当崩落6013采空区后，将采场上部+107 m至+126.5 m范围内的矿岩体一起崩落，当6001号采空区崩落后，将6003上盘岩体崩落。但须注意的是在进行依次崩落作业时需确保有足够的岩石垫层。

(1)回采区段划分为2个区段，见图4。

图4 两回采区段划分图

(2)资源整合与放顶作业步骤。第一步，可具体分以下几个分步。①进行6005号采场作业:首先将6005号采场上盘+75～+90 m范围内的围岩进行分段爆破崩落，然后再将其上部+47～+75 m范围内的矿体崩落。该过程中共计有32 425 t矿石崩落，在完成+47～+75 m内矿体崩落后出矿8 500 t，此时的覆盖层厚度为20 m，到达+67 m水平。②进行6009号采场作业:将6009号采场上部+47～+75 m范围的矿体崩落，共计崩落55 233 t矿体，随后出矿23 000 t，此时的覆盖层厚度为25 m，到达+72 m水平。③进行6013号采场作业:将6013号采场上部+47～+107m范围内的矿体崩落，崩矿方式为分段崩落，共崩落42 237 t矿，此后出矿25 200t，该步作业之后覆盖层厚度为25 m左右，垂直位置保持在+72 m水平内。第二步，在进行上述作业之后，装药巷道和放矿溜井之间连通，为保证后续作业的安全，需在第一步骤作业之后用钢筋混凝土在与新采空区相同位置构筑阻波墙。可具体分为以下几个分步。①崩落6005和6009号采场之间上面+107～+126.5 m范围内的矿岩体，崩落处矿岩体28 000 m3，此时覆盖层标高到达+90 m位置。②进行6001号采场上覆+90～+107 m范围内的矿体和6001号采场内所留顶住的回采作业。③进行6003号采场+90～+107 m范围内的矿体回采。④进行6003号采场+47～+90 m范围内的矿体回采。以上作业需在25 m厚度覆盖层下进行，在此过程中进行有序出矿作业，进行资源的有效整合。第三步，于+75 m水平内连通其下盘已有的至+60 m水平的天井，并且在工程形成后进行6005号采场西部位置矿岩体的崩落作业。

(3)采空区封闭。在上述崩落过程中，需在+47、+60、+75、+90 m水平内与采空区相连通的工程内构筑阻波墙，并将以后无需使用的工程也进行封闭处理。混凝土阻波墙厚度为3.0 m，于砌筑位置两帮打0.5 m深的锚杆孔进行固定。

5 结论

通过数值模拟进行稳定分析之后，明确需强制放顶范围，于后续作业中分区段和步骤进行崩落，这种方案的回采工程和采空区顶板的崩落工程可以实现平行作业，于实际矿山的利用中比较容易实现，而且其工程量也相对较少，对于现有4个采空区的处理时间较短。另外，这种方案在资源的集约整合方面具有较大优势，其残留矿石回收率最高，所产生贫化率很低。另一方面，此方案能够实现空区放顶和资源回收整合的同步进行，于资源利用方面可以实现集约化管理和使用，亦即能够解决矿山生产状况和产量要求的矛盾，对矿山的实际生产管理具有一定的参考意义。

［1］ 付占宇，彭府华.下告铁矿采空区上覆悬顶岩层稳定性研究［J］. 采矿技术，2012.1，12(1):47-49.

［2］ 王庆军，郭树林，王军民，等.控制爆破切槽放顶处理空区技术探讨［J］. 黄金，2006，27(12):26-30.

［3］ 郑 磊，高玉宝.多空区条件下崩落放顶过程的地压显现与矿柱稳定性研究［J］.有色金属，2010，62(4):11-14.