覆巖合理厚度確定方法

張 毅

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

覆巖層是無底柱分段崩落法地采中必不可少的部分，但有別于一般地下開采，露天轉(zhuǎn)地下存在過渡期，同時(shí)有露天坑影響，其覆巖厚度的確定相對(duì)復(fù)雜，一要保證生產(chǎn)安全，二要避免浪費(fèi)，兩者兼顧方能彰顯合理。通過實(shí)地調(diào)研，本研究以放礦試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、竄風(fēng)試驗(yàn)等為基礎(chǔ)，結(jié)合采礦工藝對(duì)首云鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采覆巖厚度進(jìn)行優(yōu)化確定，達(dá)到預(yù)期效果。

1 覆巖作用機(jī)理

為形成無底柱分段崩落法正?；夭蓷l件和防止圍巖突然大量崩落造成安全事故，在崩落礦石層上必須覆以巖石層，其基本作用是防止沖擊地壓、形成擠壓爆破端部放礦條件、滯水、防風(fēng)漏風(fēng)、防寒保暖、預(yù)防泥石流等［1-3］。

覆巖的形成方法主要取決于礦體頂板圍巖的穩(wěn)定性，圍巖不穩(wěn)固或穩(wěn)固性較差時(shí)，依靠自然冒落形成覆巖層;若穩(wěn)固性較好，則需要人工強(qiáng)制崩落。如梅山鐵礦采用的邊回采邊落頂、集中放頂法，就是集自然冒落與人工崩落于一體，保證安全的同時(shí)提高了效率［4］。

覆巖厚度不合理，如覆巖過薄，導(dǎo)致礦石永久損失或高度貧化，尤其分段崩落法放礦結(jié)束時(shí)，兩條進(jìn)路間存在一條較大的礦石脊部殘留體，覆巖保有厚度應(yīng)大于分段高度［5］;如覆巖過厚，可能形成壓力平衡拱，導(dǎo)致礦石不能正常放出，同時(shí)還使礦山成本增加，造成浪費(fèi)。

2 模擬放礦試驗(yàn)

采用與現(xiàn)場放礦系統(tǒng)幾何及力學(xué)相似的物理模擬試驗(yàn)，以此研究崩落礦巖在放礦過程中的運(yùn)動(dòng)、損失和貧化規(guī)律。試驗(yàn)所采用的礦石粒級(jí)配比應(yīng)與現(xiàn)場原型幾何相似，相似比例為1∶50，當(dāng)巖石和礦石的質(zhì)量比達(dá)到2.43時(shí)截止放礦，模型參數(shù)與現(xiàn)場參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 現(xiàn)場參數(shù)與模型參數(shù)

覆巖厚度小于分段高度15～20 m時(shí)，端壁面下半部為廢石，上半部為空場，崩落礦石部分散落于覆巖之上，造成礦巖混雜，采出礦石品位下降。試驗(yàn)覆巖厚度從20 m開始遞增，由圖1可以看出，礦石回收率隨覆巖厚度增加而相應(yīng)增大，當(dāng)覆巖厚度從20 m變化到40 m時(shí)，礦石回收率從62.09%提高到72.1%，但存在一定的邊際效應(yīng)，即單位厚度的覆巖對(duì)回收率影響越來越小，甚至出現(xiàn)負(fù)增長現(xiàn)象。可見，相對(duì)較厚的覆巖可減少廢石混入，提高采出品位，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。事實(shí)上，覆巖厚度還與貧化率成反相關(guān)，覆巖越厚，貧化率越低，覆巖厚度30 m時(shí)，實(shí)際貧化率(廢石混入率)已下降到27%，而回收率增大到70.37%。

圖1 某分段礦石回收率與覆巖厚度變化

放出橢球體形態(tài)如圖2所示，其隨覆巖厚度的增加而逐漸變“瘦”，這是由覆巖越厚平衡壓力越大，導(dǎo)致顆粒之間的摩擦力越大，相互混合的阻力越大，流動(dòng)越趨于整體性。覆巖厚度為30 m時(shí)，放出體漏斗角接近60°，與無底柱分段崩落法菱形網(wǎng)格的上下內(nèi)角一致，基本可將上部崩落的礦石放出，避免因放出橢球體過大而將圍巖提前放出造成礦巖混雜，導(dǎo)致貧化;或因放出橢球體過小而造成礦石的永久損失［6-10］。

3 散體滲透試驗(yàn)

露天轉(zhuǎn)地下開采由于露天坑的存在極易形成井下泥石流，其中覆巖的影響和邊坡御載裂隙帶的存在是主要因素。根據(jù)水力相似基本原理，采用垂直厚度為20、25、30、35、40 m的介質(zhì)模型，選用表2所示淺孔爆破巖塊尺寸配比，模擬降雨量250 mm/h，相似比1∶20做滲透試驗(yàn)以確定合理覆巖厚度，為預(yù)防井下泥石流及排水爭取時(shí)間。

圖2 放出體形狀與覆巖厚度變化

表2 淺孔爆破巖塊粒級(jí)組成

試驗(yàn)表明，滲漏時(shí)間隨覆巖厚度增大而增大，隨顆粒粒度的增大而減小，不同厚度的覆巖，滲漏系數(shù)不同;不同降雨強(qiáng)度，滲透時(shí)間不同。覆巖厚度從20 m變化到40 m時(shí)，滲透時(shí)間從2.28 min延長到2.95 min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合后得滲透時(shí)間T與覆巖厚度H及降雨強(qiáng)度Q的關(guān)系式為

如圖3所示，取無窮小厚度覆巖ΔH，由上述關(guān)系式兩邊分別對(duì)H積分，得到滲透時(shí)間隨覆巖厚度變化的關(guān)系式

式中，T為滲透時(shí)間，min;H為覆巖厚度，m;L為露天坑積水面長度，m，取200 m;Q為降雨強(qiáng)度，mm/h;S0為露天坑匯水面積，m2，取10 hm2;B為回采巷道寬度，m，取4 m。

圖3 無底柱回采漏斗示意

圖4所示為降雨強(qiáng)度為250 mm/h時(shí)實(shí)際覆巖厚度與滲透時(shí)間的關(guān)系，由此看出，覆巖厚度為25 m時(shí)，能為井下排水至少爭取1.2 h。事實(shí)上，這里考慮的是特大暴雨情況，若適當(dāng)增加覆巖厚度，且降雨強(qiáng)度減小，則雨水到達(dá)井下的時(shí)間將長達(dá)2～4 h，甚至更久，不會(huì)對(duì)井下排水造成負(fù)擔(dān)及形成泥石流等災(zāi)害。研究還發(fā)現(xiàn)，雨水在其滲透過程中經(jīng)過覆巖層的不同截面，任意截面上滲透系數(shù)不相等，越靠近覆巖底部其值越小。這是由于覆巖顆粒間存在間隙，滲透過程中上層小顆粒隨流下沉，充填及壓實(shí)下層覆巖所導(dǎo)致。

圖4 覆巖厚度與滲透時(shí)間關(guān)系

4 竄風(fēng)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)按滲透試驗(yàn)巖塊粒級(jí)配比，相似比1∶10，以此探討滿足井下通風(fēng)風(fēng)量的覆巖厚度?；夭蓴嗝婷娣e為14.6 m2，得漏風(fēng)量與覆巖厚度關(guān)系如圖5所示;按表2配比時(shí)得漏風(fēng)量與孔隙率關(guān)系如圖6所示?？梢?，隨著覆蓋層厚度的增加礦井漏風(fēng)量逐漸減小，尤其覆巖厚度超過30 m時(shí)，曲線下降的速度加快，即漏風(fēng)量隨厚度增加將大幅減少。這是因?yàn)楦矌r由上部整體移動(dòng)層及其下伏流動(dòng)層組成，防漏風(fēng)及滯水主要是整體移動(dòng)層起作用，覆巖越厚則整體移動(dòng)層越厚，防漏風(fēng)效果當(dāng)然也越好。若要使漏風(fēng)量接近為零，則理論上覆巖厚度將達(dá)60 m以上，顯然這一厚度不為礦山所接受，所以覆巖保有厚度可允許少量漏風(fēng)。

圖5 漏風(fēng)量與覆巖厚度關(guān)系

試驗(yàn)還得出漏風(fēng)量隨孔隙率的降低而逐漸減小，結(jié)合圖5，對(duì)于現(xiàn)場來說，覆巖上層應(yīng)盡量使用較小粒徑巖塊回填，而下層使用較大粒徑巖塊，在達(dá)到同樣防漏風(fēng)效果前提下，避免了礦石提前貧化。這可通過控制崩落方式等實(shí)現(xiàn)，下層覆巖可采用深孔或大爆破崩落，而上層采用淺孔爆破或適度增大炸藥量。

圖6 漏風(fēng)量與孔隙率關(guān)系

5 工程實(shí)例

以首云鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采為工程背景，采用本研究試驗(yàn)得出的放出體流動(dòng)規(guī)律、損失及貧化規(guī)律、雨水下滲推導(dǎo)公式和防風(fēng)減壓要求等，對(duì)首云鐵礦現(xiàn)行的覆巖厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1 采礦工藝

松動(dòng)體影響的覆巖厚度

式中，hj為放出體高度，15 m;hd為階段高度，15 m;k取1.2?？傻酶矌r厚度Ht=27 m;放礦試驗(yàn)中按邊際規(guī)律在30 m左右時(shí)礦石回收率及損失率都基本達(dá)到最優(yōu);同時(shí)放出體漏斗角為58°，采用無底柱分段崩落法回采時(shí)礦石具有最佳放出效果。

5.2 礦井防水

基于滲透試驗(yàn)的結(jié)果，若取該地區(qū)最大降雨180 mm/h，覆巖厚度25～30 m，雨水下滲到回采巷道時(shí)間為1.56～2.37 h。根據(jù)設(shè)計(jì)，井下允許的雨季最大涌水量為60 431 m3/d，覆巖厚25 m以上即可保證礦井安全。

5.3 防風(fēng)減壓

礦井巷道人員可承受的壓力為0.003 MPa，風(fēng)速限度為12 m/s。據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式即可得滿足極限壓力和風(fēng)速的覆巖厚度為9 m。該礦+44 m水平以下所需總風(fēng)量200 m3/s，覆巖厚30 m以上其漏風(fēng)量大幅減小，多條進(jìn)路同時(shí)回采時(shí)漏風(fēng)也不超過10 m3/s，損失風(fēng)量可通過調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)等措施小幅度補(bǔ)充。

可見首云鐵礦在30 m左右時(shí)滿足了以上基本要求，達(dá)到覆巖厚度合理優(yōu)化效果。

6 結(jié)論

(1)隨覆巖厚度增大，礦石回收率呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，而貧化率則是先變小后變大。在回采過程中覆巖下沉?xí)r出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且厚度在30 m左右時(shí)，其放出體形態(tài)與回采工藝要求達(dá)到最優(yōu)組合。

(2)雨水下滲時(shí)間與覆巖厚度及降雨強(qiáng)度有關(guān)，關(guān)系式如文中所示，不同截面上滲透系數(shù)不相等，其滯水層相對(duì)位置隨回采進(jìn)行不斷下移。

(3)巷道斷面一定，覆巖15 m以上且為淺孔崩落或人工回填時(shí)，其孔隙率一般在40%左右，對(duì)井下通風(fēng)影響較小，回填時(shí)適當(dāng)增加小顆粒巖塊或控制風(fēng)機(jī)即能補(bǔ)償，可不予考慮。

(4)滿足首云鐵礦采礦工藝、井下安全、經(jīng)濟(jì)合理等條件的最佳覆巖厚度為30 m，厚度小于25 m時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充。

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