覆巖合理厚度確定方法

張 毅

(北京科技大學土木與環境工程學院)

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，露天轉地下存在過渡期，同時有露天坑影響，其覆巖厚度的確定相對復雜，一要保證生產安全，二要避免浪費，兩者兼顧方能彰顯合理。通過實地調研，本研究以放礦試驗、滲透試驗、竄風試驗等為基礎，結合采礦工藝對首云鐵礦露天轉地下開采覆巖厚度進行優化確定，達到預期效果。

1 覆巖作用機理

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、防風漏風、防寒保暖、預防泥石流等［1-3］。

覆巖的形成方法主要取決于礦體頂板圍巖的穩定性，圍巖不穩固或穩固性較差時，依靠自然冒落形成覆巖層;若穩固性較好，則需要人工強制崩落。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，保證安全的同時提高了效率［4］。

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

2 模擬放礦試驗

采用與現場放礦系統幾何及力學相似的物理模擬試驗，以此研究崩落礦巖在放礦過程中的運動、損失和貧化規律。試驗所采用的礦石粒級配比應與現場原型幾何相似，相似比例為1∶50，當巖石和礦石的質量比達到2.43時截止放礦，模型參數與現場參數對比如表1所示。

表1 現場參數與模型參數

覆巖厚度小于分段高度15～20 m時，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增大，當覆巖厚度從20 m變化到40 m時，礦石回收率從62.09%提高到72.1%，但存在一定的邊際效應，即單位厚度的覆巖對回收率影響越來越小，甚至出現負增長現象。可見，相對較厚的覆巖可減少廢石混入，提高采出品位，從而提高經濟效益。事實上，覆巖厚度還與貧化率成反相關，覆巖越厚，貧化率越低，覆巖厚度30 m時，實際貧化率(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，導致顆粒之間的摩擦力越大，相互混合的阻力越大，流動越趨于整體性。覆巖厚度為30 m時，放出體漏斗角接近60°，與無底柱分段崩落法菱形網格的上下內角一致，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

露天轉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。根據水力相似基本原理，采用垂直厚度為20、25、30、35、40 m的介質模型，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做滲透試驗以確定合理覆巖厚度，為預防井下泥石流及排水爭取時間。

圖2 放出體形狀與覆巖厚度變化

表2 淺孔爆破巖塊粒級組成

試驗表明，滲漏時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，滲漏系數不同;不同降雨強度，滲透時間不同。覆巖厚度從20 m變化到40 m時，滲透時間從2.28 min延長到2.95 min。試驗數據經線性擬合后得滲透時間T與覆巖厚度H及降雨強度Q的關系式為

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

式中，T為滲透時間，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所示為降雨強度為250 mm/h時實際覆巖厚度與滲透時間的關系，由此看出，覆巖厚度為25 m時，能為井下排水至少爭取1.2 h。事實上，這里考慮的是特大暴雨情況，若適當增加覆巖厚度，且降雨強度減小，則雨水到達井下的時間將長達2～4 h，甚至更久，不會對井下排水造成負擔及形成泥石流等災害。研究還發現，雨水在其滲透過程中經過覆巖層的不同截面，任意截面上滲透系數不相等，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，充填及壓實下層覆巖所導致。

圖4 覆巖厚度與滲透時間關系

4 竄風特性試驗

試驗按滲透試驗巖塊粒級配比，相似比1∶10，以此探討滿足井下通風風量的覆巖厚度。回采斷面面積為14.6 m2，得漏風量與覆巖厚度關系如圖5所示;按表2配比時得漏風量與孔隙率關系如圖6所示。可見，隨著覆蓋層厚度的增加礦井漏風量逐漸減小，尤其覆巖厚度超過30 m時，曲線下降的速度加快，即漏風量隨厚度增加將大幅減少。這是因為覆巖由上部整體移動層及其下伏流動層組成，防漏風及滯水主要是整體移動層起作用，覆巖越厚則整體移動層越厚，防漏風效果當然也越好。若要使漏風量接近為零，則理論上覆巖厚度將達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。

圖5 漏風量與覆巖厚度關系

試驗還得出漏風量隨孔隙率的降低而逐漸減小，結合圖5，對于現場來說，覆巖上層應盡量使用較小粒徑巖塊回填，而下層使用較大粒徑巖塊，在達到同樣防漏風效果前提下，避免了礦石提前貧化。這可通過控制崩落方式等實現，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 漏風量與孔隙率關系

5 工程實例

以首云鐵礦露天轉地下開采為工程背景，采用本研究試驗得出的放出體流動規律、損失及貧化規律、雨水下滲推導公式和防風減壓要求等，對首云鐵礦現行的覆巖厚度進行優化設計。

5.1 采礦工藝

松動體影響的覆巖厚度

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;放礦試驗中按邊際規律在30 m左右時礦石回收率及損失率都基本達到最優;同時放出體漏斗角為58°，采用無底柱分段崩落法回采時礦石具有最佳放出效果。

5.2 礦井防水

基于滲透試驗的結果，若取該地區最大降雨180 mm/h，覆巖厚度25～30 m，雨水下滲到回采巷道時間為1.56～2.37 h。根據設計，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 防風減壓

礦井巷道人員可承受的壓力為0.003 MPa，風速限度為12 m/s。據經驗公式即可得滿足極限壓力和風速的覆巖厚度為9 m。該礦+44 m水平以下所需總風量200 m3/s，覆巖厚30 m以上其漏風量大幅減小，多條進路同時回采時漏風也不超過10 m3/s，損失風量可通過調節通風機等措施小幅度補充。

可見首云鐵礦在30 m左右時滿足了以上基本要求，達到覆巖厚度合理優化效果。

6 結論

(1)隨覆巖厚度增大，礦石回收率呈現先變大后變小的規律，而貧化率則是先變小后變大。在回采過程中覆巖下沉時出現分層現象，且厚度在30 m左右時，其放出體形態與回采工藝要求達到最優組合。

(2)雨水下滲時間與覆巖厚度及降雨強度有關，關系式如文中所示，不同截面上滲透系數不相等，其滯水層相對位置隨回采進行不斷下移。

(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，其孔隙率一般在40%左右，對井下通風影響較小，回填時適當增加小顆粒巖塊或控制風機即能補償，可不予考慮。

(4)滿足首云鐵礦采礦工藝、井下安全、經濟合理等條件的最佳覆巖厚度為30 m，厚度小于25 m時應及時補充。

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