缓倾斜中厚磷矿体采矿方法设计及采动效应研究*

2022-08-17张斌王孟来李树建吴浩

采矿技术 2022年4期

张斌，王孟来, ，李树建, ，吴浩, ,

(1.云南磷化集团有限公司，云南昆明 650600； 2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南昆明 650600； 3.中国矿业大学，江苏徐州市 221116)

0 引言

缓倾斜中厚矿体是指倾角为5°～30°、厚度为4～15 m的一类矿体，该类矿体在我国探明矿产资源中占有相当大比例，特别是在磷矿中高达86%[1]。由于这类矿体的倾角缓，矿石难以自溜、无轨设备应用受限，加之采场空顶较高不易管理顶板，以致凿岩、支护和出矿等工序面临诸多困难，严重制约矿山的安全高效发展[2-3]。

针对缓倾斜中厚难采矿体的采矿方法设计，国内外学者开展了大量的研究，取得了一定进展。周科平等[4]考虑到缓倾斜中厚矿体开采存在地压控制和采场矿石运搬难的特点，提出了采矿环境再造连续开采的整体方案。宋宏元等[5]采用未确知测度理论对金山金矿采矿方案进行优化，认为分段空场分区下盘抛掷爆破充填采矿法最优。张志贵等[6]结合泸沽铁矿缓倾斜中厚矿体开采条件，提出了大结构参数无底柱分段崩落法，并采用相似物理模拟试验验证了该方法的可行性。单宁智和任凤玉[7]还针对松软破碎缓倾斜中厚铁矿体提出了设回收进路的无底柱分段崩落采矿法，并在玉石注铁矿取得了显著的成效。胡建华等[8]以广西华锡集团92号矿体为研究对象，采用正交试验方法考察了大分段大间距无底柱分段崩落法的矿石流动规律，并对放矿参数进行了优化。赵永峰等[9]针对新疆哈密黄土坡铜锌矿设计了二步骤房柱开采法，在工业试验中取得了较好的应用效果。贺锋坚等[10]借助软件对猫场铝矿缓倾斜中厚矿体房柱法采场结构参数进行了优化，优化后采场回采率为76.32%，产能达到390t/d。梁家珲等[11]基于大新锰矿的特点探索了缓倾斜中厚矿体开采的工艺，采矿方法也设计为房柱法，采用中深孔凿岩爆破，铲运机连续出矿，崩落顶板充填采空区。葛启发等[12]结合冬瓜山铜矿西翼缓倾斜中厚难采矿体埋深大的特点，提出了“大盘区、小分段”的设计思路，采用两步骤回采的分段空场嗣后充填法，很好地解决了采场高地应力和落矿重力运搬等问题。王振昌等[13]运用层次分析法和多目标灰色局势决策方法对悦洋银多金属矿采矿方法进行了优选，确定了基于组合棋盘式底部结构的缓倾斜矿脉连续采矿法。顾春宏等[14]还探讨了香炉山钨矿缓倾斜中厚矿体的采矿方法，研究提出了预切护顶中深孔落矿嗣后充填采矿法。严佳龙[15]针对厚大含水层下缓倾斜中厚矿体开采选择了平底结构分段空场嗣后充填法研究。此外，关守安等[16]综合应用大型相似模拟试验平台和3DEC软件揭示了缓倾斜中厚金矿体机械化上向进路充填采矿法的覆岩层运移规律。

和有色金属矿床成矿机理不同，我国70%以上磷矿资源以沉积岩型磷块岩的形式赋存，主要位于云南、贵州、四川、湖北、湖南等地。沉积型矿床具有较好的层理特点，随着大型采掘机械设备的相继诞生和硬岩预裂技术的发展，缓倾斜中厚磷矿体具有实现非爆机械化连续开采的先天条件，颠覆传统钻爆采矿工艺在未来将会很快实现。目前，针对缓倾斜中厚磷矿体采矿方法研究的报道较少，它依然是困扰磷矿企业安全高效经济开采的瓶颈问题。侯朝富和谌卫红[17]针对瓮福磷矿提出了点柱式充填采矿方法，发现比房柱法的安全性更高，并能有效控制覆岩移动和地表沉降。池秀文等[18]分析了挑水河磷矿地质特征，设计了条带式分层充填采矿法，并将采场结构参数确定为：充填条带宽度为8 m，空区条带宽度为6 m，充填材料灰砂比为1:7。另外，地质资料表明，部分缓倾斜中厚磷矿体通常还存在软弱夹层，往往需要分采分运，然而目前在开采方法方面尚无成熟的经验可循。显然，如何破解近距离双层乃至多层缓倾斜中厚磷矿体的开采难题是磷化工矿业亟待解决的问题，这对采矿方法设计提出了更高的要求。鉴于此，本文以昆阳磷矿二矿含黏土质页岩夹层的缓倾斜中厚磷矿体为研究对象，设计了最优的采矿方法，并分析了地下采动作用对地表露天矿边坡的影响规律。

1 开采技术条件

昆阳磷矿二矿原为昆阳磷矿二矿段，建于2020年，是云南磷化集团首座地下开采矿山，位于昆明市晋宁区境内，东邻昆阳磷矿一至四采区，西接肖家营磷矿区，北部为海口磷矿。矿区东西长约4.50 km，南北宽约1.70 km，面积7.66 km2，矿权范围保有资源储量为4209万t，设计产能为200万t/a。矿区地表由昆阳磷矿进行露天开采，分为东西两个采区，东露天采区露天坑底标高为2000 m，目前开采标高为2120 m；西露天采区露天坑底标高为1880 m，目前未进行开采。

昆阳磷矿二矿与上部露天坑底设计留有20 m隔离矿柱，采用主胶带斜井+辅助斜坡道开拓，东区设置1890 m（首采段）和1800 m两个中段，西区设置1800 m中段，中段高度为90 m。初步设计在每个中段内按走向每200 m划分一个盘区，盘区开采沿矿体走向采用前进式开采，盘区内沿矿体走向从分段巷道两端向中间后退式回采。矿山基岩岩性主要为白云岩、砂岩、页岩和泥岩等，矿层岩性为磷块岩。香条冲背斜的东南翼为控矿构造，矿区内发育两条规模较小对开采影响不大的正断层，水文地质条件属于中等的岩溶裂隙含矿层及底板直接充水矿床。矿体产状较稳定，平均倾角为15°。设计范围内上矿层平均厚度为6.70 m，P2O5平均含量为22.48%；下矿层平均厚度为5.67 m，P2O5平均含量为26.90%。矿体中间夹层为黏土质页岩，分布在矿区西南部，平均厚度为1.01m。矿体直接顶板为白云岩，厚为0～2.80 m；间接顶板为粉砂质页岩，局部为泥质粉砂岩，厚度为27.70～46.33 m。直接底板为厚度大于100 m的白云岩。

通过现场调研和岩石取样，室内相继开展了单轴压缩试验、巴西劈裂试验和变角剪切试验等，测定了各岩层的物理力学参数，结果见表1。此外，还采用RMR法对岩体质量进行了评价，黑色粉砂质页岩、顶板白云岩及夹层属于差岩体（Ⅳ级），底板白云岩、磷块岩属于一般岩体（Ⅲ级）。整体来说，昆阳磷矿矿岩属于差岩体至一般岩体。

2 采矿方法设计

采矿方法选择应遵循原则：

（1）上、下两层矿品位相差较大，贫富矿体需分采分运，且尽量剔除中间夹石；

（2）以高回采率、低贫化率的回采工艺为主；

（3）适应性和灵活性强，能适应矿体形态的变化；

表1 矿岩物理力学参数

（4）确保开采过程安全、高效、经济；

（5）采矿工艺简单、技术成熟可靠；

（6）矿块生产能力大，劳动生产率高。

矿山初步设计选定的采矿方法为伪倾斜分段条带充填采矿法。本次项目研究依据实际需求，重新选定了3种可供选择的采矿方法，分别为盘区上向分层充填法（方案I）、房柱嗣后充填法（方案II）和分段空场嗣后充填法（方案III），其中盘区上向分层充填法为目前业界使用较常规的上向进路式充填方案，房柱嗣后充填法针对磷矿体特性采用掘进机垂直走向非爆机械化开采，分段空场嗣后充填法为沿走向连续化开采（采用掘进机或中深孔凿岩），下文以方案II为例，对房柱嗣后充填法的采矿方案做简要分析。

2.1 采场参数

将矿体划分为盘区进行开采，盘区长度为400 m，中段高度为90 m，为了便于盘区回采后进行封闭，盘区之间考虑留连续隔离矿柱，根据巷道布置和盘区隔离的需要，盘区间连续矿柱尺寸为20 m。盘区内将矿体沿倾向划分为矿房、矿柱进行回采。矿房尺寸根据掘进机的采幅确定，矿房宽度为5 m，矿房回采高度为5 m，后期可根据现场实际揭露矿体稳定性进行调整。根据矿体产状，先回采下层矿，充填后回采上层矿（如图1所示）。

2.2 采准切割

在盘区中间间柱内掘进中段采场联络道作为胶带运输巷。向盘区两侧间柱掘进中段采场联络道，作为采场在本中段的第二安全出口。在两侧间柱内向上中段掘进人行上山，作为通向上中段的安全出口。同时在靠近上层矿与夹石交界处，掘进一条沿脉巷道，作为回采时的联络道。

2.3 回采工艺

图1 房柱嗣后充填法采场布置

为减少可移动胶带的移机频率，以布置在盘区中间的胶带为中心，两翼布置回采矿房，交替回采。回采顺序采用后退式回采。根据要求，回采采用机械切割，盘区采矿设备选择掘进机落矿，后接可移动胶带输送机。根据产能要求及矿体实际产状，选择EBZ260H掘进机，最大回采高度为5.2 m，最大回采宽度为6.1 m，最大行走坡度为18°。

前期东区开采时两翼进风，中间回风，分别由辅助斜坡道、1#胶带斜井、中部进风竖井、东进风井（位于东采区端部）进风，东回风井回风。后期两区同时开采时：东采区东进风井进风，东回风井回风，西采区主要由辅助斜坡道、斜井、中部进风竖井进风，西回风井回风。通风方式均为抽出式。采场新鲜风流由中段采场联巷进入采场，采场内采用局扇压入强制通风，污风经回风巷道进入回风井。

矿房一层矿石回采完毕后进行充填准备及充填作业。在采场底部砌筑充填挡墙，充填管道从回风巷下至采场，充填至上一中段的巷道底板水平。矿山由于采用无轨机械设备，为充分发挥这些设备的作业效率，需要较高强度的充填体作为路面，因此，留设0.4～0.6 m的高强度胶结充填体。

主要设计指标为：盘区生产能力为40万t/a（3台掘进机）；贫化率为12%；回采率为85%。

3 采矿方案优选

3.1 定性比较

（1）优缺点比较。初选的3种采矿方法优缺点比较见表2。

表2 采矿方法优劣比较

（2）技术方案比较。除采用掘进机进行采矿外，另外两种方案目前的采矿工艺比较成熟，技术上都可行。

（3）综合适用性比较。根据上述采矿方法方案及工艺的描述，盘区上向分层充填法（方案I）、房柱嗣后充填法（方案Ⅱ）、分段空场嗣后充填法（方案Ⅲ），其综合定性指标相对评价见表3。

（4）社会效益比较。从爆破震动对地表建筑物及居民生活影响上看，扰动最小的应该是采用掘进机采矿，扰动相对较大的为分段空场嗣后充填法。从对地表建构筑物影响来看，3种采矿方案引起地表变形的几个关键参数，如水平变形、倾斜、曲率都小，对地表变形的影响都是可控的。

3.2 定量比较

（1）采矿成本。从实践上看，初选的3种采矿方法采矿直接成本基本都能控制在80元左右，具体如下：方案I采矿成本（不含充填）为82元/t，方案Ⅱ采矿成本（不含充填）为72元/t，方案Ⅲ采矿成本（不含充填）为85元/t。从采矿直接成本看，方案Ⅱ最优，方案I次之，方案Ⅲ最差。

表3 采矿方法定性相对评价

（2）开采回采率。从开采回采率上看，方案I盘区上向分层充填法＞方案Ⅱ房柱嗣后充填法＞方案Ⅲ分段空场嗣后充填法。

通过以上定性和定量比较，虽然分段空场嗣后充填法的安全性较好，但考虑到上向扇形深孔采场边界控制困难，容易造成超爆超采，且采切比较大，成本较高，优先排除。其次，盘区上向分层充填法对充填的要求较高，如充填不及时将无法进行回采，针对昆阳磷矿开采的特点，也建议不予采用。经分析比较，优选方案为方案Ⅱ（房柱嗣后充填法）。

4 采动效应数值模拟

4.1 模型构建

昆阳磷矿二矿地表部分为昆阳磷矿露天坑，在矿山投产期间地下开采活动会引起上覆岩层的移动和变形，极易诱发露天边坡失稳产生滑坡或出现滚石。初步设计中虽然按照经验类比法留设了20 m水平隔离矿柱，但需要对其是否满足安全要求进行论证。另外，矿山地表不允许陷落，地下开采对地表及其所附建筑物的影响也亟待进一步研究。因此，研究地下开采扰动对露天边坡和地表稳定性的采动效应尤其必要。

昆阳磷矿二矿露天最终境界及周边地形在矿体走向上变化不大，各剖面上矿体及围岩体形态变化不大，选取具有代表性的65号勘探线剖面，并结合最终露天境界对剖面进行简化，采用FLAC软件构建了矿山露天转地下的数值模型（见图2），模拟采用房柱嗣后充填法采动条件下围岩的变形破坏行为，分析在机械化连续开采过程中采场周边岩体的位移及应力变化情况。模拟中，针对采用掘进机的垂直走向非爆连续化开采进行研究，即采用掘进机先沿下层矿倾向向上进路式推进，进路宽度为5 m，一次性推进采至上一中段，进路布置采用两步骤隔一采一的方式，待下层矿二步骤全部充填完毕后再采用同样的方法回采上层矿体。

本次数值模拟采用摩尔-库伦模型，数值计算中作出如下假设：①假定各种岩体和充填体均为各向同性的连续介质；采空区开挖形成是一次性的，不考虑时间效应；②在矿山实际充填过程中，由于充填材料的沉降性，充填体最终一般难于接顶，但在数值模拟计算中忽略此因素，认为采场充填之后与围岩紧密接触，并且百分之百接顶；③在计算中仅考虑重力的影响，水平应力根据泊松关系计算。矿山未进行地应力测试，忽略地震波、爆炸冲击波及地下水对围岩稳定性的影响。模型中各岩层设定的物理力学参数见表4。

图2 昆阳磷矿二矿地层数值模型

表4 模型各岩层力学参数

4.2 采动效应分析

本次数值模拟内容包括走向长度一个盘区，倾斜方向一个中段矿体的开挖及充填过程。经过分步开挖、充填的模拟分析，得到了开采过程中各个剖面的最大主应力云图、最小主应力云图、顶板应力变化图、位移云图、塑性区分布云图、主应力矢量云图、监测点历史记录、各向剪应变率图等。由于篇幅限制，选取最初开采的下层矿一步骤开挖和最后开采的上层矿二步骤开挖典型剖面进行说明，如图4和图5所示。

由图4、图5可知，从最初的下层矿开采到后期的上层矿开采，边坡均未出现拉应力变化，一定程度上定性说明采用垂直走向非爆机械化连续两步骤回采，并不会对上部边坡及地表产生影响，这与地下开采采场结构参数小（进路式回采）和距离地表深度大（基本上都超过200 m）有关。在开采过程中，由于机械化连续作业自下而上一个中段沿倾向推进，形成的进路较长，进路中部会产生一定的Z向变形量，大小约5 mm左右，进路中部没有应力集中区及塑性区，说明采用进路宽度为5 m的非爆机械化连续回采能够保证采场的稳定。从最初下层矿一步骤开挖到最终的上层矿二步骤开挖，上部边坡及地表会产生一定微小的竖向变形，起初这个值约为1 mm，最终达到约2 mm，说明上部边坡及地表变形量几乎可以不计。由此可见，采用垂直走向非爆机械化连续两步骤回采对边坡及地表影响较小。