楊家灣鐵鋅礦“三下”保護(hù)性開(kāi)采安全措施研究

肖利民，劉曉亮，王 宇，窛向宇

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

楊家灣鐵鋅礦“三下”保護(hù)性開(kāi)采安全措施研究

肖利民，劉曉亮，王 宇，窛向宇

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

針對(duì)楊家灣鐵鋅礦現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題，通過(guò)采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較得出適合本礦山的最優(yōu)采礦方法；結(jié)合礦山現(xiàn)狀，合理劃分出崩落法和充填法開(kāi)采區(qū)域；通過(guò)模擬計(jì)算，確定出崩落法采場(chǎng)與下部充填法采場(chǎng)之間隔離層的厚度；最后根據(jù)礦山現(xiàn)狀及未采動(dòng)礦體分布情況，編制出安全、合理的回采順序。在采取上述保護(hù)性開(kāi)采安全措施后，將可保護(hù)礦區(qū)地表公路、河流、民房不被破壞。

“三下”開(kāi)采；充填采礦法；安全；隔離層

“三下”開(kāi)采是指在地表水體、建筑物、構(gòu)筑物及鐵路下進(jìn)行礦體開(kāi)采[1]。近年來(lái)，隨著礦產(chǎn)資源的消耗迅猛增長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)，開(kāi)采條件好、品位高的礦基本上都已經(jīng)開(kāi)采，而礦石品位低、上部有水體(流砂)、建筑物、主要運(yùn)輸干線等(統(tǒng)稱“三下”礦床)、主體礦開(kāi)采后的殘留體(包括民采后空區(qū)間礦體、境界外礦體)、露天礦山深部礦體等復(fù)雜難采礦床逐步被開(kāi)發(fā)利用[2]。

根據(jù)楊家灣鐵鋅礦實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)外礦山“三下”開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)楊家灣鐵鋅礦”三下”保護(hù)性開(kāi)采安全技術(shù)措施進(jìn)行了研究。

1 礦山概況

楊家灣鐵鋅礦礦體頂板主要為正長(zhǎng)斑巖，底板為透輝矽卡巖、黑云大理巖或透輝大理巖。正長(zhǎng)斑巖較堅(jiān)硬、性脆，受后期構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，巖石較破碎，沿裂隙多發(fā)育粘土巖化，使巖石堅(jiān)固性大大降低。巖石抗壓強(qiáng)度571.0～1412.3 kg/cm2，抗拉強(qiáng)度20.1～67.0 kg/cm2，抗剪強(qiáng)度102.2～160.4 kg/cm2。透輝矽卡巖極易風(fēng)化，吸水膨脹，較破碎，穩(wěn)固性極差，對(duì)礦體開(kāi)采不利。

礦區(qū)地表主要水體洛河自南而北橫穿礦體。河水與第四紀(jì)砂礫石層地下水水力聯(lián)系極為密切，是砂礫石含水層地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源。2011年礦區(qū)地表已出現(xiàn)3個(gè)塌陷坑，塌陷面積共約2000 m2，據(jù)調(diào)查，汛期地面大氣降水已有少量滲到井下。礦床水文地質(zhì)條件屬中等類型。

礦區(qū)西側(cè)有洛河和磨徐公路。洛河是黃河支流之一，發(fā)源于陜西省藍(lán)田縣境華山南麓，流經(jīng)洛南、盧氏、洛陽(yáng)，于鞏縣境入黃河，是中國(guó)原始農(nóng)業(yè)起源最早地區(qū)之一。洛河具有重要的歷史、文化意義，而礦區(qū)位于洛河上游，開(kāi)采時(shí)保護(hù)洛河不受破壞尤為重要。礦區(qū)西側(cè)洛河沿岸的磨徐公路為附近的主要交通道路，礦區(qū)范圍內(nèi)沿磨徐公路兩側(cè)間隔分布有民房，公路及民房均不能破壞。

楊家灣鐵鋅礦采用分期開(kāi)采。該礦山于2003年開(kāi)始基建，2005年末投產(chǎn)，2006年達(dá)產(chǎn)。礦山采用地下開(kāi)采方式，主豎井+斜井開(kāi)拓，采礦方法為無(wú)底柱分段崩落法。一期開(kāi)采范圍為145～160線之間300 m以上保安礦柱以外的礦體。截至2012年底，350 m中段已基本回采結(jié)束，礦山開(kāi)采現(xiàn)已造成地表3處塌陷，地表移動(dòng)邊界距礦區(qū)西側(cè)公路42 m。若繼續(xù)使用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，地表巖石移動(dòng)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，將對(duì)公路、河流、建(構(gòu))筑物造成破壞；而礦區(qū)范圍內(nèi)尚有豐富的礦石儲(chǔ)量未采動(dòng)，且深部礦巖穩(wěn)固性未見(jiàn)好轉(zhuǎn)。

2 “三下”保護(hù)性開(kāi)采安全技術(shù)措施研究

2.1 選擇安全、可行的采礦方法

目前楊家灣鐵鋅礦正在使用的無(wú)底柱分段崩落法已不能滿足開(kāi)采要求。礦山須采用能有效控制巖石移動(dòng)的采礦方法替代崩落法，以滿足安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的需求。結(jié)合國(guó)內(nèi)外礦山“三下”開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外地下礦山保護(hù)地表唯一行之有效的措施就是采用充填法甚至膠結(jié)充填法，采用充填法可防止圍巖崩落，減緩巖移。

為保護(hù)礦體上部的公路和河流，回采須選用充填采礦法?？蛇x的采礦方法有：上向分層充填采礦法、上向進(jìn)路充填采礦法、下向進(jìn)路充填采礦法、點(diǎn)柱充填采礦法。上述采礦方法共同特點(diǎn)是充填采空區(qū)，能夠有效控制巖石移動(dòng)，由于回采工藝不同，適用條件不同。

表1 采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)礦體圍巖條件，井下最大安全跨度僅為4 m。因此，可排除上向分層充填采礦法和點(diǎn)柱充填采礦法。上向進(jìn)路與下向進(jìn)路回采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表1?？紤]到生產(chǎn)成本及工藝要求等因素，推薦采用上向進(jìn)路充填采礦法作為礦山今后主要的采礦方法。

充填材料采用全尾砂，經(jīng)對(duì)楊家灣鐵鋅礦選礦廠尾砂進(jìn)行物理化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，楊家灣鐵鋅礦的全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)可滿足充填要求。采用選礦廠尾砂作為井下充填材料，可解決了充填材料問(wèn)題，還大量減少了尾砂的外排量。

由于350 m中段回采引起的地表移動(dòng)界線距離公路約42 m，300 m中段須盡快改為充填法開(kāi)采，以防止地面塌陷、地面設(shè)施的破壞。

2.2 合理劃分過(guò)渡中段開(kāi)采區(qū)域

結(jié)合礦山開(kāi)采現(xiàn)狀，選擇300 m中段作為充填法的首采中段和采礦方法過(guò)渡中段。在過(guò)渡中段，充填法回采和崩落法回采同時(shí)存在。將300 m中段劃分出相應(yīng)的開(kāi)采區(qū)域以保證生產(chǎn)安全有序的進(jìn)行。開(kāi)采區(qū)域的劃分滿足以下原則：

(1) 充分考慮對(duì)地表公路、河流的保護(hù)，避免崩落法開(kāi)采后，地表巖石移動(dòng)對(duì)地表公路、河流造成破壞；

(2) 兩種不同采礦方法之間應(yīng)留適當(dāng)?shù)母綦x礦柱，以保證生產(chǎn)安全；

(3) 崩落法開(kāi)采區(qū)域內(nèi)礦石量及生產(chǎn)能力應(yīng)能滿足充填采礦法達(dá)產(chǎn)之前的20×104t/a的產(chǎn)量需求。

為減少崩落法開(kāi)采導(dǎo)致地表巖石移動(dòng)對(duì)礦區(qū)西側(cè)公路河流的影響，將崩落法開(kāi)采采場(chǎng)布置在遠(yuǎn)離公路、河流的礦體東翼。區(qū)域內(nèi)礦石儲(chǔ)量按設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力可采4.4 a計(jì)算。崩落法采場(chǎng)由東向西布置。在能滿足生產(chǎn)能力的情況下，盡量縮小崩落開(kāi)采范圍，以避免地表移動(dòng)界線擴(kuò)大。在充填采礦法應(yīng)用之后，盡快停止崩落法回采。

采用FLAC3D對(duì)崩落法開(kāi)采區(qū)域開(kāi)采后的模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析表明，劃定區(qū)域內(nèi)采用崩落法回采后，對(duì)地表巖石移動(dòng)影響較小，不會(huì)大幅增大地表巖石移動(dòng)范圍，能避免地表公路、河流、建(構(gòu))筑物遭到破壞。

因300 m中段同時(shí)進(jìn)行崩落法和充填法開(kāi)采，崩落法開(kāi)采時(shí)會(huì)造成附近礦巖的破壞，因此需要在崩落與充填法之間留隔離礦柱。隔離礦柱的寬度B=H/tanα=50/tan70°=18.2 m，考慮一定的安全余量，隔離礦柱安全寬度取20 m。

充填法開(kāi)采區(qū)域位于隔離礦柱以西，此區(qū)域作為充填采礦法的試驗(yàn)采場(chǎng)，在采礦方法試驗(yàn)結(jié)束后，逐漸增加充填法采場(chǎng)，完成崩落法向充填法的過(guò)渡。

2.3 確定安全、經(jīng)濟(jì)的隔離層厚度

為避免300 m中段隔離礦柱以西的崩落法開(kāi)采區(qū)域回采后對(duì)下部充填法回采造成影響，保證下部生產(chǎn)安全，300 m中段崩落法采場(chǎng)與下部充填法采場(chǎng)之間要留有一定厚度的礦體作為隔離層。

為確定出安全、經(jīng)濟(jì)的隔離層厚度，采用有限元差分方法，并應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)礦山上向進(jìn)路充填法中的單進(jìn)路開(kāi)挖和全分層多進(jìn)路同時(shí)開(kāi)挖的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算。穩(wěn)定性模擬計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算不同隔離層厚度情況下豎向位移及應(yīng)力分布結(jié)果，隔離層厚度大于8 m時(shí)，隔離層下部礦柱及進(jìn)路開(kāi)采趨于安全狀態(tài)，12 m時(shí)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

因本次分析為標(biāo)準(zhǔn)采區(qū)最大寬度，而實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，采區(qū)會(huì)隨礦體產(chǎn)狀發(fā)生變化，寬度變小，同一分層進(jìn)路數(shù)、同時(shí)開(kāi)挖產(chǎn)生空區(qū)均會(huì)相應(yīng)減少，則進(jìn)路和礦柱產(chǎn)生的位移和應(yīng)力都會(huì)適當(dāng)變小。故按標(biāo)準(zhǔn)采區(qū)規(guī)格來(lái)分析，得出的隔離層厚度安全余量足夠，完全可以保障因礦體產(chǎn)狀變化而造成采區(qū)寬度變化所需要的隔離層安全厚度?？紤]到礦山實(shí)際開(kāi)采中仍有地層、斷層及充填體強(qiáng)度等外在因素，綜合確定隔離層安全、經(jīng)濟(jì)厚度取值10～12 m及以上。

2.4 編制安全、合理的回采順序

目前礦山未采動(dòng)的礦體分布在200～440 m標(biāo)高之間，根據(jù)礦床開(kāi)采技術(shù)條件，并為保護(hù)地表公路、河流、建(構(gòu))筑物不被破壞,以及考慮到崩落法轉(zhuǎn)充填法開(kāi)采的需要，本次研究編制出礦山未采動(dòng)礦體的總體回采順序及各階段回采順序，以保證礦山能安全、有序的生產(chǎn)。

礦山未采動(dòng)礦體的總體回采順序?yàn)椋菏紫然夭蛇^(guò)渡階段礦體，再進(jìn)行礦山二期回采，最后回采礦柱。

(1) 過(guò)渡階段回采順序。過(guò)渡階段即回采300 m過(guò)渡中段時(shí)期。楊家灣鐵鋅礦現(xiàn)有開(kāi)拓系統(tǒng)已開(kāi)拓至300 m中段，300 m中段礦石儲(chǔ)量較大，礦體形態(tài)較好，350 m中段崩落法回采結(jié)束后即轉(zhuǎn)入300 m中段開(kāi)采。在300 m過(guò)渡中段完成崩落法向充填法的轉(zhuǎn)換。300 m中段以隔離礦柱為界，隔離礦柱以東的崩落法開(kāi)采區(qū)域其回采順序?yàn)樽詵|向西、自上而下回采。隔離礦柱以西的充填法開(kāi)采區(qū)域其回采順序?yàn)樽詵|向西、自下而上回采。采用上述回采順序，可減少和延緩崩落法開(kāi)采對(duì)地表設(shè)施、充填法回采區(qū)域的影響。

(2) 礦山二期回采順序。在300 m過(guò)渡中段回采結(jié)束后，即開(kāi)始二期開(kāi)采。對(duì)于充填采礦法來(lái)說(shuō)，最理想的開(kāi)采方式是不留頂?shù)字⒉蛔鋈斯ぜ夙?，則中段內(nèi)采用自下而上一次回采順序，達(dá)到較高礦石回收率。楊家灣鉛鋅礦的礦石價(jià)值并不高，礦體自上而下變小逐漸尖滅，下部礦量不多，故上下中段間采用自上而下的回采順序，即先采250 m中段，再采200 m中段。

(3) 礦柱回采順序。二期回采結(jié)束之后，整個(gè)礦山的主要礦體開(kāi)采已結(jié)束，將轉(zhuǎn)入礦柱回采階段。此階段主要回采采場(chǎng)底柱、隔離層、隔離礦柱、350 m以上崩落法回采剩下的礦體等。礦柱回采仍使用上向進(jìn)路充填采礦法，采用自下而上的回采順序，即先回采200 m中段底柱、250 m中段隔離層、底柱，再采300 m中段隔離礦柱，最后回采350 m以上崩落法回采剩下的礦體。

3 預(yù)期效果

楊家灣鐵鋅礦在過(guò)渡回采階段如能完成崩落法轉(zhuǎn)充填法，并按劃定的回采區(qū)域及編制的回采順序開(kāi)采礦山未采動(dòng)礦體，同時(shí)留設(shè)好隔離層、隔離礦柱。預(yù)期采用上向進(jìn)路充填采礦法開(kāi)采對(duì)圍巖應(yīng)力擾動(dòng)小，能保證采區(qū)穩(wěn)定，基本不變形，研究所確定的隔離層厚度、隔離礦柱寬度能夠滿足礦山安全開(kāi)采需要，通過(guò)采取上述保護(hù)性開(kāi)采安全技術(shù)措施后能達(dá)到保護(hù)礦區(qū)地表公路、河流、民房不被破壞的目的，并使該礦山礦產(chǎn)資源得到最大化的開(kāi)采利用。

4 研究意義

(1) 本研究屬于“三下”開(kāi)采，礦體上方有磨徐公路和洛河，且井下礦巖穩(wěn)固性差，開(kāi)采技術(shù)條件復(fù)雜。本次研究成果對(duì)類似礦山安全、高效生產(chǎn)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

(2) 充填采礦法可防止圍巖崩落，減緩巖移，是保護(hù)地表的行之有效的措施。通過(guò)研究，選擇合適的開(kāi)采方案，避免開(kāi)采造成地表破壞，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。將選礦產(chǎn)生的尾砂作為充填料充入井下，減少尾砂在地表的排放，減輕尾礦庫(kù)的負(fù)擔(dān)，減少了對(duì)環(huán)境的破壞。

(3) 充填采礦法具有較高的回收率，適應(yīng)礦體形態(tài)變化的能力強(qiáng)，靈活性大，對(duì)于提高資源回收率有重要的意義。

(4) 通過(guò)實(shí)施本研究方案，能保證礦山持續(xù)、穩(wěn)定的生產(chǎn)，保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，創(chuàng)造勞動(dòng)就業(yè)條件，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張富民，潘 燮，等.采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987.

[2] 郭金峰.我國(guó)復(fù)雜難采礦床開(kāi)采的問(wèn)題與對(duì)策[J].金屬礦山，2005(12)：10.

[3] 張德明，李少磊，徐恩華，等.新編礦山采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：1330-1336.

2013-12-13)

肖利民(1982-)，男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事礦山安全設(shè)計(jì)研究工作，Email:26363515@qq.com。