露天地下协同采矿充填方法

任凤玉 张东杰 李海英 宋德林

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110189)

1 概 述

弓长岭铁矿东南采区包括上、下2 条含铁带。下盘含铁带以磁铁矿为主，目前已开采至192 ～152 m水平，在地表形成靠近上盘含铁带的深陡塌陷坑;上盘含铁带以赤铁矿为主，近年才开始从+448 m 台阶开始露天开采，整个露天采区位于下盘开采移动带之内(见图1)。为保障露天采场生产安全，下盘含铁带需改用充填法向下继续开采。

下盘含铁带矿体厚2 ～50 m，平均品位33.75%，矿体上下盘含绿泥岩，极不稳固，如果用充填法开采［1-3］，存在3 大问题:①围岩极不稳固，为形成充填所需空场，需留护壁矿柱，生产安全条件差，矿石损失大;②矿石品位较低，充填法采矿成本较高，企业抗市场风险能力差;③东南区地质储量5.4 亿t，是鞍钢集团公司中长期发展规划的主采区，充填法受围岩稳定性限制，采场生产能力低，无法满足高强度开采。

图1 东南区开采示意Fig.1 The diagram of mining in south-east zone

针对上述问题，结合矿床条件，围绕地表岩移控制［4-5］需要与采、充工艺技术2 方面开展研究工作，提出了露天地下协同采充方法，解决了弓长岭铁矿东南区矿体高效开采的技术难题。

2 临界散体柱支撑原理

弓长岭铁矿的地表塌陷坑形态如图2 所示，坑底冒落的散体，向塌陷坑边壁施加主动侧应力，同时承受边壁岩体变形挤压的被动应力，主动应力与被动应力共同作用，对边壁岩体形成较大的侧向支撑力，由此限制了边壁岩体的片落范围。

图2 弓长岭铁矿塌陷坑形态Fig.2 The form figure of collapse pit in Gongchangling Iron Mine

对图2 所示岩体的应力关系进行分析得出，塌陷坑底部散体对边壁岩体的侧向支撑力，随散体堆高度的增大而增加，当施力散体达到某一高度(或厚度)时，所形成的散体柱的重力能够使底层散体的变形刚度足以克服边壁岩体的碎胀，由此可控制边壁岩体的塌陷范围，使其不再进一步扩大。这一高度的散体柱称之为临界散体柱。

临界散体柱的高度与边壁岩体的稳定性、散体的变形刚度、散体的侧向承载条件有关。一般进入深部开采的金属矿山，临界散体柱的高度仅是塌陷坑内散体总高度的一小部分。弓长岭铁矿为沉积变质矿床，矿体与围岩呈急倾斜平行层状产出，矿体单层厚度2～30 m，倾角65° ～90°;矿石主要为磁铁石英岩，质地坚硬，硬度系数f =8 ～20，节理发育;上、下盘基岩主要为混合岩、斜长角闪岩与硅质岩层，f=6 ～12;在矿体与上、下盘基岩之间，断续出露绿泥片岩，松软破碎，f=3 ～4，容易片落。该矿中央区的开采深度为385 ～636 m，现场测定的临界散体柱高度为99 ～118 m，仅占塌陷坑充满散体时的采空区整个高度的17.36% ～ 30.82%。也 就 是 说，占 69.18% ～82.64%充满散体高度的深部空区，对地表陷落范围的影响极小。

由上述分析可知，位于地表塌陷坑底的临界散体柱，控制着边壁岩体的片落范围。根据这一结论，如果保持临界散体柱的高度与变形刚度不变，即可保持地表塌陷范围的大小不变。此时，陷落角(采空区底板边缘到地表陷落区边界的连线与水平面的夹角β)将随开采深度的增加而增大，如图3 所示。

图3 塌陷角与采深关系Fig.3 The relationship between collapsed angle and mining depth

由图3 关系可得［6］:

式中，β 为陷落角;α 为矿体倾角;β0为错动角;H 为开采深度;h0为临界深度，等于临界散体柱与塌陷坑的高度之和。可见，当临界深度(h0)一定时，H 值越大，β 值越大;而当采深(H)一定时，h0值越小，β 值越大，说明塌陷坑的高度越小，陷落角越大。这一关系表明，如果向塌陷坑充填散体，使临界散体柱的位置上移，可有效增强地表塌陷区边界岩体的稳定性。

3 露天地下协同采充方法

基于上述临界散体柱支撑原理，可通过向塌陷坑充填废石来控制边壁岩体的片落活动和增强塌陷区边界岩体的稳定性。据此，对图1 所示的开采条件，提出了利用上盘含铁带露天采场剥离的废石充填下盘含铁带的塌陷坑，保障露天采场生产安全的技术措施;同时，将下盘含铁带改用无底柱分段崩落法开采［7-9］，利用塌陷坑内散体的自然下移充填采空区，由此形成露天地下协同采充方法。

分析表明，在图1 所示的条件下，实施露天地下协同采充方法，将露天剥离的废石就近充填塌陷坑，由于缩短了排岩运距，可大幅度提高排岩效率，有利于提高露天产能;同时，通过向塌陷坑充填废石保持临界散体柱的高度，由此控制地表陷落范围，解除了下盘含铁带的采深限制，便于下盘含铁带的高效开采。因此，露天地下协同采充方法，能够满足高效开采需要，在保障施工安全的条件下，便可用来解决弓长岭铁矿东南区矿体高效开采的技术难题。

4 生产安全危害防治

针对弓长岭铁矿下盘含铁带塌陷坑两壁陡立，坑底被冒落和片落的散体所覆盖这一现状，为确定合理的废石充填方案，需要评估塌陷坑边壁岩体有无大规模片落的可能，为此需要研究塌陷坑底部散体有无突然大幅度沉降的可能性。这一问题归结为塌陷坑散体的移动方式:是随着下部矿石的采出缓慢连续下移，还是结拱后突然大幅度垮落。为此，需要实验研究散体流动中结拱现象的发生条件，根据主要影响因素的实际情况，分析塌陷坑内散体的移动方式［10-11］。

调查分析得出，在弓长岭铁矿东南区的地质条件下，影响塌陷坑散体流动连续性的主要因素为散体块度的组成。在地下出矿结束的漏斗口，对出露覆盖层散体实验测定其块度组成，并参考地表目测结果加以修正，得出塌陷坑散体的块度估计值(见表1)，作为实验物料配比的依据。同时定义采空区的宽度与散体粒径的比值称为跨径比。

表1 东南区塌陷坑散体块度估计值Table 1 Cover layer dispersion block estimation in south-east zone

本次实验共分为3 组:第1 组为等边小模型等粒径散体的结拱实验，得出当跨径比大于6 时不会出现结拱现象，跨径比在4.3 ～6 时偶尔结拱，当跨径比小于4 时会出现大规模的结拱现象;第2 组为两壁约束模型的等粒径散体的结拱实验，得出当跨径比大于3时不会出现结拱现象，当跨径比小于2 时会出现大规模的结拱现象;第3 组为现场块度配比的模拟实验，取散体中占颗粒总重量10%的较大粒径组的平均粒径作为混合散体的标志粒径，实验得出当跨径比不小于2.6 时散体颗粒可连续流动;当跨径比为1.6 ～2.6 时，偶尔出现流动停顿、卡块与小型结拱现象;当跨径比小于1.6 时出现卡块、结拱现象，见表2。

表2 不同跨径比散体流动连续性实验结果Table 2 Experimental result of the granular flow continuity under different span ratio

由表2 可知，为避免散体在移动过程中发生结拱现象，需保障跨径比R≥2.6。为安全起见，塌陷坑散体的标志粒径按1.5 m 计算，则保障散体流动连续性的采空区宽度为3.9 m，而弓长岭铁矿东南区塌陷区的边壁宽度最窄处不小于10 m，保险系数为2.56。因此，塌陷区内散体在下移过程中不会发生结拱现象，即向塌陷坑排岩时不会引发结拱陷落危害。

向塌陷坑排岩的另一种可能危害形式为边壁滑落危害。东南区下含铁带的上盘岩石主要为钠长片岩、斜长角闪岩等。岩石一般稳定性较好，但由于热液蚀变使顶底板近矿围岩多形成镁铁闪岩、绿泥岩等蚀变岩石，蚀变带厚度大约20 m 左右，其稳定性较差;与此同时，未被废石充填部位的塌陷坑深度达到20 ～55 m，其两帮壁面主要由结构面构成，表明两帮围岩主要沿结构弱面向塌陷坑片落或滑落。为防止塌陷坑边壁在排岩过程中发生滑落，提出了沿塌陷坑边帮与轴线2 个方向协同排岩的方案(见图4)，使排放的散体互相支撑，增强边壁与散体堆的稳定性。

图4 排岩方案Fig.4 The rock dumping program

5 新方案实施效果

弓长岭铁矿东南区上含铁带露天开采剥离的废石，原来使用汽车运至后台沟排土场，需要在采场外运输2 km 的距离。自从实施向塌陷坑排放废石的技术措施之后，绝大部分剥离废石向采场旁的塌陷坑就近排放。在方案实施后2 a 内，向塌陷坑排岩3 600万t，节省运费13 280.8 万元，排岩量增大361.5 万t，露天矿石产量增大79.7 万t，地下矿矿石产量增大40.0 万t，为企业带来了巨大的经济效益。

该矿应用实践表明，露天地下协同采充技术具有的优点:①将下盘含铁带由充填法开采转变为崩落法开采，利用塌陷坑散体下移充填采空区，避免了采场内采充作业的相互影响，提高了开采强度;②下盘含铁带的深部开采为上盘含铁带露天开采提供废石排放场地，减小了废石运距，增大了露采效率;③上盘含铁带露天开采为下盘含铁带卸压，减小了地下采准巷道的支护与维修工作量，提高了地采效率。

6 结 论

(1)弓长岭东南区为围岩不稳定的低品位铁矿体，用传统充填法开采的经济风险较大，针对矿床条件研发了采充分离的高效开采工艺。

(2)通过研究采矿引起的地表塌陷坑的稳定结构得出，塌陷坑内的临界散体柱控制地表塌陷的范围。而向塌陷坑充填废石，抬升临界散体柱的位置，增强地表塌陷区边界岩体的稳定性，可有效保障露天采场近塌陷区作业的开采安全。

(3)露天排弃的废石充入塌陷坑，使塌陷坑内的散体自然下移充填地下采空区，由此构成的大规模充填系统，既实现地下深部开采控制塌落角的功能，又避免采充作业的相互影响，可大幅度提高充填效率。

(4)弓长岭铁矿塌陷坑内的散体，具有较好的流动连续性，不会在采动下移过程中形成结拱现象，因此，向陷坑排岩不会发生散体陷落危害。此外，采用沿塌陷坑轴向与径向协同排岩的方法，可有效控制滑坡危害。

(5)应用效果表明，可大幅度提高采充生产效率和改善采充作业环境，为大型低品位铁矿床环保型高效开采开辟了新途径。

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