张家夏楼铁矿缓倾斜、倾斜中厚至厚大矿体开采方案设计

邢志强

(五矿矿业(邯郸)矿山工程有限公司)

张家夏楼铁矿位于安徽省霍邱县冯井乡与范桥乡交界部位，矿床位于霍邱铁矿床中部。霍邱矿床位于淮河中上游南岸，地貌成因归属于侵蚀堆积地形。第四系广泛出露地表，厚度为32.6～304 m不等，为淮河流域河湖相沉积，主要为黏土(钙质黏土)、粉土质黏土、粉砂土，夹1～3层中粗砂，第四系底部普遍发育1层砾石层，厚度不等，部分为黏土黏结，呈半松散状态，含承压水。张家夏楼铁矿矿体上部覆盖层总厚度为180～210 m，分布标高为40～-180 m，较稳定分布。矿体一般呈层状、透镜状产出，单层厚度为18.58～31.59 m，倾角为15°～35°，为缓倾斜、倾斜中厚至厚大的难采矿体。矿体品位较低，全矿平均品位仅为27.89%。为实现矿体安全高效开采，本研究对相应的开采方案进行设计。

1 护顶矿柱合理厚度计算

留设护顶矿柱是实现第四系下矿体安全开采的关键措施。护顶矿柱过厚，会造成资源巨大浪费；护顶矿柱过薄，易造成其跨塌，继而造成第四系流砂层进入井下，给井下安全生产构成较大威胁。本研究分别采用厚跨比法、结构力学梁理论、经验公式法以及数值模拟方法确定护顶矿柱的合理厚度[1-4]。

1.1 厚跨比法

根据矿房水平跨度L和顶柱厚度h计算厚跨比h/L，作为矿柱合理厚度的评价依据。当矿体跨度取6，10，15，18 m时，根据厚跨比法计算的护顶矿柱合理厚度见图1。分析该图可知：护顶矿柱合理厚度随采场跨度的增大呈线性增大。该方法计算过程简单，但其仅适用于稳定岩体，且未考虑顶柱完整程度、形态、荷载大小和性质。

图1 厚跨比法计算的护顶矿柱合理厚度

1.2 结构力学梁理论

结构力学梁理论是将顶柱视为1个两端固定的平板梁，上部岩体自重及其附加载荷作为顶柱载荷，以岩层抗弯抗拉强度作为评价指标[5]。根据结构力学公式，护顶矿柱的合理厚度可按下式进行计算：

(1)

式中，H为护顶矿柱合理厚度，m；σB为允许抗拉应力，kPa；ρ为顶柱矿岩体容重，kN/m3；b为采场跨度，m；l为顶柱单位计算宽度，m，取1；q为上覆岩层附加载荷，kPa，按上部覆盖层厚度200 m计算载荷。

当矿体跨度取6，10，15，18 m时，按式(1)计算的护顶矿柱合理厚度见图2。由图2可知：护顶矿柱的合理厚度随着采场跨度的增加而急剧增加，且增加幅度越来越大。该方法综合考虑了顶柱的性质、自重及其上覆荷载等，但未考虑顶柱形态、岩体构造破坏特性、地质特性等因素的影响。

图2 结构力学梁理论计算的护顶矿柱合理厚度

1.3 经验公式法

国外学者在计算合理顶柱厚度时，总结出了K.B.鲁别涅依他公式，可表示为

(2)

式中，；K为安全系数；ρ为顶柱岩层密度，t/m3；σB为弯曲条件下的岩石强度极限，为考虑到结构削弱系数K0和强度安全系数K3条件下的顶柱极限强度，MPa；g为顶柱上覆载荷对其压力，MPa，按上部覆盖层厚度200 m计算载荷。

采用式(2)计算得到的护顶矿柱合理厚度与采场跨度的关系曲线如图3所示，与结构力学梁理论计算结果类似，护顶矿柱厚度随着采场跨度的增加而急剧增加，且增加幅度越来越大。

图3 经验公式计算的护顶矿柱合理厚度

该公式考虑因素比较全面，不仅考虑了空区跨度及顶柱岩层特性，也考虑了顶柱上覆载荷，计算结果较为客观。

1.4 数值模拟方法

为求解合理的护顶矿柱厚度，并减少迭代计算次数，本研究采用二分法进行计算。首先，给定护顶矿柱厚度的上限和下限值d1、d2，设定护顶矿柱厚度d=(d1+d2)/2进行建模计算，若d能够满足稳定性要求(顶柱抗拉强度为2.59 MPa)，取d1=d继续计算；若顶柱发生破坏，取d2=d继续迭代计算，直至给定的d能够满足稳定性要求，且d2-d1≦1 m时，计算结束，d即为顶柱合理厚度。

参照上述经验公式计算结果，当采场跨度为18 m、上覆岩层厚度为200 m时，计算的顶柱厚度为22.25 m，试验顶柱极限厚度在此基础上区间范围取5 m，故顶柱极限厚度上下限分别取18，28 m。首先设计顶柱厚度d=(18+28)/2=23 m进行模拟计算。

顶柱d=23 m时的围岩应力分布特征如图4所示。由图4可知：顶柱厚度d=23 m时，围岩最大拉应力为1.35 MPa，最大拉应力超过其抗拉强度，顶柱将发生局部破坏，难以满足安全要求，故调整下限d2=23 m，上限d1=28 m，d=(23+28)/2=25.5 m进行模拟计算，结果见图5。

图4 d=23 m对应的最大主应力等值线图(单位：MPa)

由图5可知：随着顶柱厚度增加，顶柱内应力释放程度明显降低，最大拉应力为1.06 MPa，小于其抗拉强度，顶柱尚末出现拉张破坏，故调整上限d1=25.5 m，下限d2=23 m，d=(25.5+23)/2=24.25 m继续进行计算，结果见图6。

分析图6可知：顶柱厚度减小后，岩层内拉应力释放程度增大，单元最大拉应力为1.36 MPa，增加幅度相对不大，尚未超过其自身抗拉强度。继续调整上限d1=24.25 m，下限d2=23 m，d=(24.25+23)/2=23.63 m进行模拟计算，结果见图7。

由图7可知：随着顶柱厚度进一步折减，岩层内拉应力释放程度继续增大，单元最大拉应力增加至2.53 MPa，接近其抗拉强度。此时，采用二分法上下限d1-d2=23.63-23=0.63≦1，据此确定顶柱极限厚度为23.63 m，本研究取24 m。

图6 d=24.25 m对应的最大主应力等值线图(单位：MPa)

图7 d=23.63 m对应的最大主应力等值线图(单位：MPa)

2 开采方案设计

张家夏楼铁矿为缓倾斜、倾斜中厚至厚大矿体，该类型矿体一直被国内外学者视为难采矿体[6-7]。根据矿床地质条件及开采技术经济条件，本研究选择分段空场嗣后充填法进行开采。近年来，国内外矿山普遍采用了无轨设备，分段空场法得到了更加广泛的应用。根据出矿巷道的不同布置方式，本研究设计了基于空场进路和下盘脉外2种出矿方案的分段空场嗣后充填法。

2.1 空场进路出矿方案

盘区沿走向布置，盘区长100 m，相邻盘区之间留设盘区间柱，间柱宽20 m。盘区高度为中段高度，中段高度为100 m。盘区内沿倾向自下而上布置矿房，矿房跨度为20 m，根据矿体倾角变化，盘区内布置10～12个矿房(图8)。

采切工程中在沿盘区间柱内沿矿体底板掘进斜井，作为井下设备、材料及作业人员的运输通道。在斜井内每间隔10 m左右向两侧各分段矿房中部掘出矿进路，该出矿进路同时作为凿岩巷道。在设备斜井底部掘进风天井至进风中段，新鲜风流经由进风中段、进风天井和斜井进入各分段采场。在盘区另一侧间柱矿体顶板处掘回风充填斜井，作为充填管道敷设和回风的通道。自回风充填斜井向两侧各分段采场掘回风充填通道，回风充填通道布置于相邻上分段采场上部，采区联络道与充填采场贯通，每个采场设置4个下料点[8]。在出矿进路端部沿盘区矿柱边界掘切割横巷，并在切割横巷端部布置切割天井，切割天井高度与矿体厚度保持一致。

图8 空场进路出矿的分段空场法原理

在切割横巷内，钻凿平行于切割井的上向扇形中深孔，每排布置3个炮孔，排距约1.5 m。在出矿进路内采用Simba1354凿岩台车凿上向中深孔，采用后退式爆破回采方式。崩落的矿石下落至采场底部的受矿堑沟内，选用Atlas ST-3.5型遥控铲运机将矿石搬运至溜井。

2.2 下盘脉外出矿方案

下盘脉外出矿方案中，盘区及矿房布置与空场进路出矿方案一致。不同之处在于，该方案采用出矿巷道和装矿进路组合方式出矿。出矿巷道布置于矿体下盘外15 m左右区域，在出矿巷道内每隔 12 m 左右向矿体方向掘装矿进路，在装矿进路端部开凿堑沟，并兼作凿岩通道(图9)。出矿选用国产WJD-3型铲运机。取消设备斜井，为方便无轨设备上下，将采区斜坡道与各出矿分段相连。

图9 下盘脉外出矿方案原理

2.3 采矿方法比选

空场进路出矿方案由于采用阿特拉斯ST-3.5型遥控铲运机，出矿进路直接布置于矿体底板，并兼作凿岩巷道，省去出矿巷道和装矿进路。采准工程大大减少，采准费用降低，但设备投资费用大。下盘脉外出矿方案采用普通国产铲运机出矿，设备投资低，但较空场进路出矿方案增加了出矿巷道和装矿进路，采准工程大，采准费用增加。以上2种方案技术上均可行，两者经济技术对比结果见表1。

表1 方案技术经济比较

空场进路出矿方案采用AtlasST-3.5遥控铲运机，由于减少了装矿进路和出矿巷道，工程量大大降低，采准费用较下盘脉外出矿方案少8.9元/t，综合考虑人工、设备折旧、设备运营维护等费用，空场进路出矿方案吨矿可比开采成本较下盘脉外出矿方案少5.98元/t。另外，由于遥控铲运机可直接在空区下出矿，能够解决脉外出矿方案两相邻装矿进路间“三角矿堆”的出矿难题，大大降低采场损失。根据上述分析，本研究推荐采用空场进路出矿方案的分段空场法。

3 结 论

(1)根据张家夏楼铁矿矿床上覆厚大第四系、矿体倾角相对较缓、矿石品位低等特点，对安全高效的开采方案进行了设计。为防止第四系流砂层涌入井下，采取预留护顶矿柱形式，分别采用厚跨比法、结构力学梁理论、经验公式分析了采场跨度与护顶矿柱合理厚度的关系。通过综合对比分析，认为经验公式法因考虑因素比较全面，故而计算结果较为客观。在经验公式法计算结果的基础上，采用数值模拟分析和二分法迭代计算方法，最终确定在矿房跨度18m、上覆岩层厚度200m的条件下，合理的护顶矿柱厚度为24m。

(2)采用高效的出矿设备是降低采准工程量的有效途径，研究采用遥控铲运机作为出矿设备，省去出矿巷道和装矿进路等工程量，大大降低了采准费用，可比开采成本较普通铲运机下盘脉外出矿方案少5.98元/t，且回采率大大提高，推荐采用空场进路出矿方案的分段空场嗣后充填法进行生产。

(3)二步骤回采时，由于遥控铲运机是在充填体暴露面下(侧面)出矿，存在着一定的安全隐患，因此，为防止出现充填体片帮，砸坏设备、堵住铲运机运行通道，应确保充填体质量。