大北山铁矿分区开采方法研究

2018-07-27任凤玉曹建立何荣兴周颜军

金属矿山 2018年7期

任凤玉刘洋曹建立何荣兴周颜军刘欢

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004）

近几年来，随着我国经济的快速发展和矿产资源开采强度的日益增加，资源需求量也随之增加，大量赋存于复杂地质条件下矿体的开采力度也逐年加大。但是，越来越多的采矿实践表明，由于开采方法或回采顺序不够合理，导致采场、巷道甚至地面产生大变形，严重破坏了当地环境，给人民的生命财产与安全造成了巨大损失和隐患。因此，在复杂地质条件下，寻找合理的开采方案，最大限度地避免危害是非常必要的［1-3］。

本研究结合大北山铁矿的开采现状，通过理论分析和现场调查得出最佳的采矿方案，有效保护了矿山安全运行并提高了矿山经济效益，为同类矿山开采方案的选择提供参考与指导。

1 采空区概况

大北山铁矿为“鞍山式”火山—沉积变质型磁铁矿床，矿体呈层状、似层状、透镜状产出，矿体平均厚约17.71 m，倾角37°～58°，属于倾斜厚矿体，埋深11～525 m（见图1）；矿体为磁铁石英岩，上下盘围岩主要为斜长角闪岩和混合花岗岩，局部为细晶闪长岩脉。矿体夹石不发育，规模较小，夹石主要为斜长角闪岩和混合花岗岩，夹石与矿体产状基本一致。矿岩稳定到中等稳定，局部矿岩接触不稳定。TFe平均品位30.47%，mFe平均品位26.99%。由于前期勘测水平的原因，先用浅孔留矿法开采矿体，在开采区域内，部分工业设施与生活区、尾矿库、穿过矿区的县级道路等位于矿体水平投影范围之内。下部厚大矿体被发现后，按照以往预测地表移动范围的理论继续开采，将导致大量矿石被积压，造成巨大的资源浪费和经济损失。同时，继续采用留矿法开采，也将导致实际生产中存在着效率低、安全条件差、矿柱损失大等诸多问题。

2 分区范围划定

2.1 临界散体柱理论

临界散体柱理论［4］，即塌陷坑内散体存在一个临界高度，临界高度内的岩体不发生移动，在临界高度之上以固定错动角的方式预测塌陷范围（如图2）。临界散体柱理论考虑了散体的作用，缩小了预测值和实际值的差距，解决了深部开采中预测塌陷范围的难题，并在弓长岭井下矿［5］和西石门铁矿［6］得到成功应用。

为更好地说明这一问题，采用“陷落角”表示地表岩层陷落范围大小的固有属性，而将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称为岩体视在陷落角，则视在陷落角随开采深度的大小而变化，当采深小于临界陷落散体柱时，视在陷落角等于岩体的陷落角；当采深超过临界陷落散体柱时，则视在陷落角大于岩体的陷落角。视在陷落角与陷落角的几何关系如图2所示，按此几何关系可直接写出视在陷落角与采深的关系式：

式中，β为塌落角，（°）；α为矿体倾角，（°）；β0为错动角，（°）；H为开采深度，m；h0为临界深度，等于临界散体柱与塌陷坑的高度之和，m。

式中，r为保护区间半径，m；L为安全距离，m。

根据现场调查，可以得出临界散体柱高度为101.87 m，错动角为87°。

2.2 分区范围的划定

在矿区的东南部，出现了部分工业设施压矿的问题。此外，在矿区的西北部，地表尾矿库、县级公路与池溏等，也需要保护。这些保护区域需用充填法回采，其余部位可用分段诱导冒落法开采。按可用采矿方法与开采条件的不同，铁矿可分为西北区、中央区与东南区三区开采，其中中央区为主采区，地表没有构筑物压矿，可应用分段诱导冒落法开采；西北区和东南区均采用充填方法开采。根据现场调查和临界散体柱理论可得出分区范围如图3所示。

3 分区开采方案研究

根据临界散体柱理论和现场调查，可将大北山铁矿山分为西北区、中央区与东南区三区开采。为了提高矿山生产效率，中央区采用分段诱导冒落法开采；为了保证地表建筑物不受破坏，西北区和东南区采用上向分层干式充填法开采，从而实现矿山的安全高效开采。

3.1 中央区开采方案研究

矿山中央区区采用分段诱导冒落法［7］如图4所示。

采用中段高度60 m，分段高度15 m，进路间距18 m。采准工程布置在矿体的下盘侧，每3个分段组成一个诱导冒落法回采单元。每一回采单元的第一分段进路，靠上盘部分作为诱导工程，诱导上覆矿岩自然冒落；靠下盘部分为回收工程，在回采本分段矿量的同时，回收上部诱导冒落的矿量。同时，整个采场采用后退式回采顺序同步施工，促使上覆矿石在本分段回采过程中自然冒落。冒落的矿石在下部分段回采过程中逐步回收。

矿石可凿性好，采用YGZ—90型中深孔凿岩机凿岩，炮孔直径Φ60 mm。采用斗容2.0 m3的铲车出矿，巷道断面大小为4.0 m×3.8 m（宽×高）。围岩稳定性较差部位，采用锚网或锚网喷浆支护。采场内采出的矿石，在分段巷道直接装车，经斜坡道运至地表。为充分回收下盘侧矿石，先将下盘回采进路加密1倍，以加密进路作为回收进路，用来大量回收下盘部位矿量，此后，根据残留体形态，在分段之间设置下盘沿脉进路，再次回收下盘残留体（如图5）。为提高开采效率，回收进路的回采工作最好与正常回采进路分开，即在采场内正常回采进路回采结束后，再回采回收进路。在条件允许时，回采进路应采取较小的巷道断面，利用小型设备，滞后一个中段回采，即二次回收。

3.2 临界跨度估算

对平衡拱进行应力分析如图6所示［8］，可以得出：

式中，q为垂直应力，t/m；q=γH，γ为上覆岩层容重，t/m2（平面问题）；H为空区顶板埋深，m；l为采空区半跨度，m。

由式（3）可知T值越大，l值越大。当顶板围岩承受的压应力达到极限值时，采空区跨度达到稳定状态的最大值，此后，采空区将发生冒落。将采空区顶板围岩发生自然冒落时采空区最小跨度，称之为临界冒落跨度，则由式（3）可写出临界冒落跨度的计算式：

式中，L为采空区临界冒落跨度，m；h为采空区高度，m；Tc为岩体单位面积上的极限抗压力，t。

根据现场调查，矿体的诱导冒落工程设置在0 m水平，即利用0 m水平现有工程连续回采的空间诱导上部矿岩自然冒落。0 m水平的采空区高度按15 m计算，则采空区埋深约260 m。上部矿体的抗压强度为82.48 MPa，完整性系数为0.63，则矿体抗压强度的最大值为51.96 MPa。取h=12 m，H=260 m，γ=2.65 t/m2，Tc=5 299.92 t，代入式（4），计算可得临界冒落跨度为27.18 m，取1.1的保险系数，取30 m作为采空区顶板临界冒落跨度的估计值。因此，上盘诱导冒落工程长度应不小于30 m。

3.3 西北区和东南区开采方案研究

西北区和东南区矿体采用上向分层干式充填法开采，如图7所示［9］。

矿体由斜坡道开拓，分段高度15～20 m，采下矿石可从采场直接装车、经斜坡道运至地表。斜坡道直通下部主采区，可将下部掘进碴石运到采场进行废石充填。考虑到矿体规模较小、品位较低，同时利用矿石与废石运输方便的条件，选用干式充填法开采。为提高矿石回采率，结合矿体形态，设计了上向分层干式充填采矿法。垂直矿体走向（矿体长度方向）布置采场，取采场宽15 m，间柱宽3 m。用浅孔落矿，采下矿石在采场直接装车运到地表选矿厂，充分利用井下掘进废石充填。考虑到废石充填料的供给能力和限制采场顶板暴露时间，设计每2个采场为1组进行回采，即每2个采场设置1条联络巷道与1条回风天井，2个采场由下向上同步回采。但当矿体长度不是很大、采场总数不超过4个时，整个矿体设计1条联络巷道与1条回风天井，所有采场由下向上同步回采。