大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术研究

张鹏强，盛 佳，陈国举，李向东，赵国亮，王亚军



大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术研究

张鹏强1，盛 佳2, 3, 4，陈国举1，李向东2,4，赵国亮1，王亚军2,4

(1.镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌市 471435；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；3.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201；4.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012)

针对金川公司低品位矿石由高成本的下向进路充填采矿法转化为低成本的崩落采矿法的开采工艺难题，分析了崩落覆盖层的必要性，采用理论分析以及3DEC数值模拟研究方法，开展了大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术研究。结果表明：首采分层出30%崩矿量，第二层出80%崩矿量的设计方案，结合大面积充填体的破坏诱导机制与模式，可以成功形成覆盖层。

充填法；崩落法；3DEC数值模拟；崩落覆盖层

0 引 言

金川公司多年来采取“采富保贫”的政策，富矿资源已急剧下降，由于矿石开采一直沿用下向进路充填采矿法，开采成本居高不下，为了矿山的持续稳定发展，贫矿资源经济高效回收已迫在眉睫。矿山联合科研单位开展攻关研究，综合分析讨论后决定将贫矿资源采矿方法由高成本的充填法转化为低成本的崩 落法。

龙首矿西二采区矿体经过数年的生产经营，开采技术条件发生了很大变化，尤其是顶板胶结充填体的存在，使得采用崩落采矿法开采时不能像新建矿山那样直接崩落围岩形成覆盖层。一般来说，崩落采矿法开采地压管理通过崩落围岩和顶板岩石，在崩落矿石上部形成一定厚度可以随崩落矿石下降而下降的覆盖层控制地压，然而，机械化下向分层六角形高进路胶结充填采矿法改崩落采矿法开采的覆盖层[1−4]形成方法有其自身的特点，30 m厚的充填体增加了覆盖层形成、安全生产及处理采空区的难度。

1 覆盖层必要性及其形成原则

1.1 覆盖层形成必要性

无底柱分段崩落采矿法要求崩落矿石在覆盖岩层下进行出矿，因此必须首先形成覆盖岩层。其原因是：

(1) 没有覆盖岩层就不能形成挤压爆破条件，爆下的矿石崩入空场，在本分段大部分放不出来。

(2) 没有覆盖岩层做缓冲层时，如围岩大量崩落将造成严重安全事故。在开采中，若没有覆盖层作缓冲，顶板失稳将直接对地下开采造成冲击，影响作业安全。

(3) 有足够厚度的覆盖岩层[5−6]，在一定程度上，延缓了大气降雨迅速涌入井下的时间，给井下排水较为宽裕的时间准备。

1.2 覆盖层形成基本原则

(1) 充分利用好采场现有的条件。

(2) 初期进行强制放顶，使覆盖层厚度满足安全规范要求。

(3) 对于初期的强制落顶，应针对矿体开采的具体情况，装备及技术力量，生产持续与衔接等因素，因地制宜、具体对待。

2 大面积充填体下崩落覆盖层形成思路

覆盖层形成的方法和思路主要有3种：

(1) 上部已经采用空场采矿法开采的矿山，可在回采顶底柱时，利用药室或中深孔崩落采空区上下盘岩石，形成覆盖岩层；

(2) 对于矿体围岩不稳固的新建矿山，覆盖层是在进行矿石回采时，由自然崩落的围岩形成；

(3) 对于矿体围岩稳固的新建矿山，可以采用异步造层法或同步造层法形成覆盖层。

结合国内外崩落覆盖层形成技术，根据金川公司多年来崩落法试验研究相关成果，针对龙首矿西采二区上覆大面积充填体的具体情况。利用离散元3DEC数值模拟手段，结合充填体的具体处理方案以及对大面积充填体破坏诱导机制和模式的具体研究，采用控制出矿的手段，不留护顶矿，首层分层出矿崩矿量的30%，第二分层出矿崩矿量的80%，进行典型断面模拟分析[7]，随着分层开采的进行，动态观察覆盖层的形成过程，并提取每一断面分层开采中充填体沉降数据，通过数据曲线定量分析覆盖层能否成功形成。

3 大面积充填体下崩落法覆盖层形成技术分析

3.1 数值模拟

根据崩落法开采覆盖层形成思路，基于开挖步骤编写3DEC命令流[8]，对龙首矿西二采区1610~1544 m(高66 m)、5~7行(宽100 m)矿体的开挖进行了数值模拟计算，分析研究大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术，并提取各分段充填体沉降数据，通过数据曲线具体分析覆盖层的形成。通过数值模拟得到的5~7行典型剖面不同开采分段各个水平高度充填体沉降位移如图1~图3所示。

3.2 模拟结果分析

5~7行典型剖面数值模拟计算结果显示，首采切割后，上覆充填体就发生了松动，在首采分段放出30%矿体后，上覆充填体发生冒落，说明上覆充填体的稳定性不强，伴随着开采的进行，从沉降位移变化中可以看出上覆充填体发生了较大冒落，形成了一定厚度的覆盖层。各行典型剖面不同开采分段各个水平高度充填体沉降最大位移如下表1所示。

图1 5行典型剖面不同开采分段各个水平高度充填体沉降位移

图2 6行典型剖面不同开采分段各个水平高度充填体沉降位移

图3 7行典型剖面不同开采分段各个水平高度充填体沉降位移

3.3 大面积充填体下崩落采矿法覆盖层形成技术

龙首矿西采二区4万m2的充填体在足够大暴露面积下必然发生结构破坏，充填体的冒落是随着首采分层以矿石的开采逐步完成的，对冒落过程的定量出矿控制是形成整体下移层的关键。设计采用暂留矿石，结合顶板围岩自然冒落[9]及充填体整体下移形成覆盖层，首采分层出30%崩矿量，第二层出80%崩矿量的设计方案，结合大面积充填体的破坏诱导机制与模式，可以成功形成覆盖层[10]。

4 结 论

(1) 覆盖层形成技术的要点是首采分层出矿量达到崩落矿量的30%~45%，剩余矿石残留在采场之内；第二分层开采时，出矿量取决于上部顶板岩层冒落情况，当其已经大量冒落时，其出矿量也可以增大。其原则是保证冒落的充填体岩石加崩落的矿石是分层高度的两倍，该覆盖层在冒落的岩石不足时由矿石暂时代替。

(2) 金川龙首矿西二采区采用首采分层出30%崩矿量，第二层出80%崩矿量的设计方案，结合大面积充填体的破坏诱导机制与模式，可以成功形成充填体覆盖层。

[1] 杨 佳.内蒙古苏尼特右旗毕力赫金矿无底柱分段崩落法覆盖层形成分析[J].中国矿业,2017,26(9):118−120.

[2] 刘俊平,盛登慧.峨口铁矿露天转地下首采区崩落覆盖层方法探讨[J].矿业工程,2017,15(4):13−15.

[3] 邱晓东,丁 铭.龙桥铁矿缓倾斜中厚矿体崩落采矿法覆盖层研究[J].采矿技术,2014,14(5):3−4.

[4] 黄兴益.尖山铁矿无底柱分段崩落法覆盖层厚度的研究[J].有色金属设计,2011,38(3):6−10.

[5] 安永林,欧阳鹏博,岳 健,等.隧道初期支护型钢开孔对其安全性能的影响[J].公路,2017,84(12):275−281.

[6] 李伟明,王明勤,王小军,等.拓展深孔拉底成槽技术研究[J].矿业研究与开发,2018,38(5):25−27.

[7] 安文杰,李广宽.龙首矿西二采区崩落采矿法组合覆盖层技术方案研究[J].黄金,2018,39(6):35−38.

[8] 何佳峰,陈星明,雷 刚,等.某铁矿无底柱分段崩落法矿石覆盖层形成模拟研究[J].有色金属(矿山部分),2016,68(3):3−5.

[9] 罗 佳,柳小胜,周爱民.高分段无底柱崩落法放顶方法选择研究[J].黄金,2016,36(10):6−10.

[10] 何佳峰,陈星明,邓 杰,等.缓倾斜中厚矿体覆盖层补充问题研究[J].有色金属(矿山部分),2016,68(1):14−18.

(2018−11−20)

张鹏强(1984—)，男，甘肃庆阳人，硕士研究生，工程师，主要从事金属矿床开采技术研究工作，Email：455969199@qq.com。