金屬礦山“三下”礦體開采

盧央澤

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

金屬礦山“三下”礦體開采

盧央澤

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

總結了國內“三下”金屬礦山的開采經(jīng)驗,以某金屬礦“三下”開采為例，通過理論分析、監(jiān)測等技術手段，提出了該礦“三下”保護性開采的安全措施。

金屬礦山 “三下”礦體開采 安全措施

“三下”礦體開采始于19 世紀，成功實例很多，其理論各成體系，總體體現(xiàn)在以下3個方面[1]：①只要存在地下采空區(qū)，就會改變地應力狀態(tài)，上覆巖層就會發(fā)生改變，地表和巖體移動的形式和劇烈程度取決于巖體的力學性質、礦體的埋藏條件和所用的采礦方法等，而巖體內的軟弱結構面如大的斷裂構造對巖體的穩(wěn)定性起著控制作用；②均質穩(wěn)固的巖層、埋深大，只發(fā)生上覆巖層局部變形，巖移不會波及到地表，即存在一個安全的臨界深度，但這一“安全深度”難以界定；③控制采動程度和開采跨度能維持巖層與地表的穩(wěn)定與變形，采空區(qū)放頂或充填可以阻止或延緩巖層與地表變形。金屬礦“三下”開采，尤其是有色金屬礦山，大多處于山區(qū)，且埋藏條件復雜，故有其獨有的特殊性，目前尚無通用開采理論與方法借鑒。通過類比國內金屬礦山“三下”開采經(jīng)驗，制定某金礦“三下”保護性開采安全技術方案和措施。

1 國內金屬礦山“三下”開采

1.1 金屬礦山“三下”開采實例

(1)某鐵礦。安徽某鐵礦主礦體均厚22 m，傾角大于50°，覆蓋層厚度70～90 m。圍巖一般為花崗巖、片麻巖，堅固系數(shù)f=8～12，屬堅固巖石。礦石極穩(wěn)固，上部與第四系地層接觸處發(fā)育17.12～76.90 m厚度的古風化層，強風化帶一般呈碎塊和短柱狀；下部為中～弱風化帶，裂隙發(fā)育，巖石較不穩(wěn)定～不穩(wěn)定。地表為農田和村莊，不允許塌陷。采用垂直走向分段礦房充填采礦法：長為礦體厚，寬為15～20 m，-150 m中段礦房高50 m，-200 m中段礦房高78 m，分段高為10～13 m。為保護地表農田和村莊，控制第四系含水層的巖層移動，在礦體上部與第四系接觸處留20 m厚的礦體作為隔離層。實踐證明，20 m厚的隔離層能夠保證礦體的安全開采，能控制導水裂隙發(fā)育。

(2)某鎳礦。甘肅某鎳礦賦存于輝橄欖巖、純橄欖巖和二輝橄欖巖中，呈層狀產(chǎn)出。走向長1 600 m，均厚98 m，傾角60°～75°，礦石抗壓強度高，但節(jié)裂隙發(fā)育，裂隙面光滑。因部分地段有多種后期沿脈穿插，致使礦體整體穩(wěn)固性差。盤區(qū)沿走向布置，長為100 m，寬為富礦和下盤貧礦厚度，階段高50 m，分段高12 m，分層高4 m，進路寬5 m。礦山為了兩個中段同時開采，1 150 m中段共5個分段，第一、第二分段已回采結束，第三個分段正在回采，中段還剩1 178 m和 1 158 m 兩個分段，在1 150～1 000 m已經(jīng)形成一個較大規(guī)模的水平礦柱，厚度20 m，水平面積達到10萬m2。出于安全考慮，1 000 m 中段回采過程中，在16行處沿礦體的走向設置了30 m寬的連續(xù)礦柱。目前，礦山計劃采用下向分層充填采礦法回收水平礦柱和垂直礦柱。

(3)某錫礦。廣西某大型有色金屬礦山，以錫為主，主要開采細脈帶礦體，傾角15°～20°，走向長1 066 m，斜長480 m，最大厚50 m，均厚15 m，賦存標高490～335 m。91#礦體和其上方的細脈帶礦體交織在一起，兩者類似于船身和帆的關系。92#礦體位于91#礦體下方，相隔較近，其產(chǎn)狀與91#礦體相似，礦體規(guī)模巨大，走向長1 130 m，平均厚27 m，傾斜延深700 m，賦存標高570～270 m。礦山開采歷史悠久，經(jīng)歷了多次采礦方法變革。目前，開采深度已達600 m，由于開采面積大，礦山在礦體中央留有一大十字形的永久礦柱，礦柱寬26～36 m，大大減緩了礦山的地壓顯現(xiàn)。

1.2 金屬礦山“三下”開采經(jīng)驗分析

①礦床開采會引起地表移動與變形，但從采礦方法、回采順序、采礦規(guī)模上加以控制，確保地表的沉降與變形控制到最小限度；②為了確保地表不產(chǎn)生較大變形與塌陷，必須保留一定的連續(xù)礦柱支撐上下盤圍巖；③為了減少礦石損失，充填采礦法不失為一有效的方法[2-5]。

2 某金礦“三下”開采

2.1 基本條件

(1)開采技術條件。某金礦走向南北，傾向280°～290°，傾角27°～30°。斷層下盤礦體由北向南逐漸變陡，礦體厚5.8～7.5 m，南薄北厚，厚度變化不大，平均約6.0 m。礦層由呈粒狀結構、致密塊狀、條帶狀構造的磷塊巖構成。磷塊巖菱形節(jié)理發(fā)育，沿節(jié)理面有泥質充填，易冒落，不穩(wěn)固，f=6.2～22.2。直接頂板為棕褐色，黃褐色泥質頁巖，呈強風化狀態(tài)，遇水易膨脹冒落，極不穩(wěn)固，f=2～3。底板為灰綠色細砂巖，局部屬中粒砂巖，呈中厚層狀產(chǎn)出，致密堅硬，普氏系數(shù)f=7.3～15.9。水文地質屬中等～簡單型，涌水量不大，大氣降雨為主要補給源。

(2)地表條件。公路海拔高度1 200～1 350 m，為保護公路留設的保安礦柱占總礦量的50%，公路所在礦區(qū)地質構造屬復雜的構造變形區(qū)，斷裂、褶皺構造發(fā)育，出露地層巖性軟硬相間，差異較大，地形切割劇烈，谷深坡陡，雨水交替強烈，形成了特殊的地理環(huán)境，加大了保護公路的難度。

(3)井下條件。公路保安礦(巖)柱為采動影響范圍，為明確該范圍內與礦體位置關系、地質弱面分布和對公路的影響程度，對公路范圍內的剖面圖和平面圖進行了分析，見表1。

表1 公路下井下條件分析

通過對各剖面的系統(tǒng)分析,可以看出對裂隙的影響主要在1 100～1 220 m標高段,與井下開采情況吻合，故該范圍內礦體回采工藝和充填措施是決定地表公路不產(chǎn)生非均勻沉降、裂縫和塌陷的關鍵。

2.2 采礦方法

(1)采場結構參數(shù)。采用分礦房礦柱中深孔落礦嗣后充填采礦法，即盤區(qū)長600～800 m，高度50 m，分段高度8 m，分段之間與脈外斜坡道相連，一個盤區(qū)可布置5個分段。采場回采順序為：先采礦房，之后膠結充填，后采礦柱，礦柱采后非膠結充填。采場長度16 m，為保護公路，采場與采場間內留4 m礦柱，采場垂直高度8 m。

(2)礦柱布置形式。礦柱有沿水平方向和沿礦體傾向兩種條帶狀布置，利用有限元分析，見表2。經(jīng)綜合比較，推薦垂直條帶狀礦柱形式。

表2 礦柱布置形式最大應力、位移對比

(3)回采工藝及指標。采場用YGZ-90鉆鑿上向扇形中深孔，孔徑60～65 mm，排距1.4 m，孔底距2.2～2.4 m，炮孔崩礦量為4.3 t/m，分次爆破，每次爆破3～4排，后退式回采，炸藥單耗0.443 kg/t，采用鏟運機出礦。多年的開采試驗表明，保安礦柱開采回采率超過79%，貧化率僅4.5%，技術指標良好。

(4)充填工藝。采場充填料漿配比：采場底部2 m 及澆面層按1∶1∶4充填，采場中央根據(jù)需要填充采掘廢石，其充填料漿配比按1∶1∶6充填，終期強度可達到1.3～2 MPa。

2.3 巖移觀測結果

2004年11月—2007年9月進行了位移監(jiān)測，結果見表3。

表3 采場頂板沉降觀測[1]mm

序號觀測時間1#點位移2#點位移3#點位移4#點位移12004-11-0.26383-0.42618-0.56238-0.5889122005-07-0.61982-0.71784-0.86164-0.9994732005-10-0.67911-0.77921-0.91861-1.1020342006-03-0.72357-0.84057-0.96133-1.1752652006-04-0.73839-0.85590-0.98980-1.1899062006-05-0.76803-0.87124-1.00404-1.2191972006-06-0.78284-0.88657-1.01827-1.2338382006-07-0.79766-0.90191-1.03251-1.2631292006-08-0.81248-0.91724-1.03251-1.27776102006-09-0.82729-0.93257-1.04674-1.30703112007-01-0.82729-0.93257-1.04674-1.30703122007-09-0.82729-0.93257-1.04674-1.30703

監(jiān)測結果表明:①采場整體穩(wěn)定性好，下沉量很小，未發(fā)生較大變形；②充填體穩(wěn)定及頂板的變形是個較長時間的過程，需要長時間監(jiān)測；③原巖礦柱支撐和提高充填接頂率是確保采場穩(wěn)定的主要因素。

公路沿錢也布置了大量的測點，多年監(jiān)測結果表明，公路基本沒有位移變形，公路全程路面未見裂隙與裂縫，說明了采動影響控制效果好，巖移并未波及到地表。

3 結 語

①明確受保護建(構)筑物、路基和水體的性質及重要程度，慎重對待人員集中建(構)筑物和重要水體下開采的安全性和可行性，并通過分析地表地形、礦體的埋藏條件、水文地質和工程地質條件(尤其是巖體內的軟弱結構面)，充分估計充填法開采的保護程度和控制效果，以確定保安礦柱留設方式；②在開采順序、采礦方法、結構參數(shù)、爆破和充填工藝等方面，分中段依次分析對地表建(構)筑物、路基和水體的影響程度；③加強管理，嚴格實行“強采、強出和強充”制度，并通過加強充填質量管理，實行多點下料、二次充填和強制接頂?shù)却胧?，提高充填接頂率和結實率；④對大型礦山，尤其是水文地質條件復雜礦山，應運用有限元或流固耦合等數(shù)值模擬軟件，結合類似礦山開采經(jīng)驗對水平礦柱、垂直礦柱或框架結構礦柱等留設方式進行分析比較，在確保安全的前提下減少永久礦柱量，提高回收率；⑤巖石移動和地表變形是一個復雜的四維問題，應運用監(jiān)測手段加強受保護對象的后期管理，并制定應急預案，確保生產(chǎn)安全。

[1] 中南大學，貴州開磷集團.公路下復雜礦體開采綜合技術研究階段總結報告[R].長沙：中南大學，2004.

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[3] 杜紹倫.充填開采過程中巖體能量釋放規(guī)律研究[J].金屬礦山，2010(5)：10-15.

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[5] 張德明.新編礦山采礦設計手冊[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，2007.

2014-11-21)

盧央澤(1981—)，男，工程師，碩士，410011 湖南省長沙市解放中路199號。