空場轉崩落條件下資源集約整合與空區放頂研究*

孫江先 王 星 孫國權

(1.紫金天鷗礦業有限公司;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

1 地質概況

紫金天鷗礦業有限責任公司下告鐵礦所在地段為一盆地，地勢由南至北逐漸抬升，但中部位置呈現平緩狀態，侵蝕基準面標高為+160 m。所處盆地周邊的山體于北部呈弧形連續延伸，于南部呈切割狀延伸。北部海拔標高為285.8～528.8 m，坡角為25°～30°，南部山體海拔標高為308.0～247.15 m，坡角為20°～25°。

1.1 工程地質條件

下告鐵礦礦區的巖體按工程地質性質可以劃分為6大類:①完整堅硬巖，主要有中粒斑狀黑云母花崗巖、花崗斑巖、閃長玢巖、石英斑巖和中細粒石英砂巖等未風化巖石;②較完整較堅硬的巖體組，主要有未風化的白云質大理巖、角巖化粉砂巖、矽卡巖和角巖等;③較破碎較軟巖組，主要是粗中粒斑狀黑云母花崗巖、白云質大理巖和大理巖等弱風巖體以及微—弱風化的角巖化細砂巖、角巖化粉砂巖等;④破碎軟巖組，主要是粗中粒斑狀黑云母花崗巖、角巖化細砂巖、角巖化粉砂巖等強風化的巖體;⑤極破碎巖組，主要是糜棱巖和靡棱質角礫巖等構造巖體;⑥松散組巖體，主要是第四系沖、坡積及全風化巖。

1.2 水文地質條件

礦區地下水補給來源主要為大氣降水和地表的下告河流及其支流。在區域水文地質單元中，礦區位于區域地下水的局部排泄區，區內賦存的地下水，其補給條件良好，排泄則以各含水巖帶之間的內循環為主。各含水巖組的分布、賦存條件形成區內各含水層中地下水的相互補排關系、地表水與地下水的相互補排關系及降水對地下水的直接與間接補給關系。礦區水文地質條件簡單。

2 現有井下采空區調查

經現場調查，空區存在于+47、+60、+75、+90 m 4個水平范圍內，空區編號分別為6001、6005、6009和6013。空區總體積為8.28萬m3。空區具體數據見表1所示。

表1 空區數據

3 采空區穩定性分析

采空區穩定性分析模型的確定是根據礦山現有空區狀態和礦體的賦存環境等進行的。參照礦山實際情況，本次數值模擬的模型尺寸為500 m×240 m×180 m，模型共有24 000個單位和26 775個節點。

3.1 數模邊界條件

數值模擬計算之前，需要對模型設定邊界條件。本次模擬中將模型于X－Y面內固定，Z方向上于模型底部進行固定，即讓模型頂面到達地表，無需設定約束，使其處于自由狀態。

3.2 模擬結果分析

6005與6009兩空區Z向位移模擬云圖見圖1，6005與6009兩空區最大主應力模擬云圖見圖2，6005與6009兩空區部分Z向位移監測點記錄見圖3。

圖1 6005與6009兩空區Z向位移云圖

圖2 6005與6009兩空區最大主應力云圖

(1)當礦柱寬度保持在12～15 m時，6005和6009號兩大空區(采場)均繼續進行采礦活動直至采完，期間不會造成礦柱和頂板的失穩。

圖3 6005與6009兩空區部分Z向位移監測點記錄

(2)由于空區的頂板位置有呈拱形冒落的趨勢，但+137 m以上部分的次生應力比較小，所以，在采空區處理期間需強制崩落頂板。

(3)當空區頂板暴露面積增大時，礦柱內的應力集中現象也愈加明顯，此時礦柱的承載對空區穩定性的維護比較重要。

4 資源集約利用與空區放頂方案

根據數值模擬結果，在資源整合利用的同時，為保證形成安全覆蓋層，需要進行強制放頂工作。

此方案的思想是依次將6005、6009、6013、6001采空區崩落，當崩落6013采空區后，將采場上部+107 m至+126.5 m范圍內的礦巖體一起崩落，當6001號采空區崩落后，將6003上盤巖體崩落。但須注意的是在進行依次崩落作業時需確保有足夠的巖石墊層。

(1)回采區段劃分為2個區段，見圖4。

圖4 兩回采區段劃分圖

(2)資源整合與放頂作業步驟。第一步，可具體分以下幾個分步。①進行6005號采場作業:首先將6005號采場上盤+75～+90 m范圍內的圍巖進行分段爆破崩落，然后再將其上部+47～+75 m范圍內的礦體崩落。該過程中共計有32 425 t礦石崩落，在完成+47～+75 m內礦體崩落后出礦8 500 t，此時的覆蓋層厚度為20 m，到達+67 m水平。②進行6009號采場作業:將6009號采場上部+47～+75 m范圍的礦體崩落，共計崩落55 233 t礦體，隨后出礦23 000 t，此時的覆蓋層厚度為25 m，到達+72 m水平。③進行6013號采場作業:將6013號采場上部+47～+107m范圍內的礦體崩落，崩礦方式為分段崩落，共崩落42 237 t礦，此后出礦25 200t，該步作業之后覆蓋層厚度為25 m左右，垂直位置保持在+72 m水平內。第二步，在進行上述作業之后，裝藥巷道和放礦溜井之間連通，為保證后續作業的安全，需在第一步驟作業之后用鋼筋混凝土在與新采空區相同位置構筑阻波墻。可具體分為以下幾個分步。①崩落6005和6009號采場之間上面+107～+126.5 m范圍內的礦巖體，崩落處礦巖體28 000 m3，此時覆蓋層標高到達+90 m位置。②進行6001號采場上覆+90～+107 m范圍內的礦體和6001號采場內所留頂住的回采作業。③進行6003號采場+90～+107 m范圍內的礦體回采。④進行6003號采場+47～+90 m范圍內的礦體回采。以上作業需在25 m厚度覆蓋層下進行，在此過程中進行有序出礦作業，進行資源的有效整合。第三步，于+75 m水平內連通其下盤已有的至+60 m水平的天井，并且在工程形成后進行6005號采場西部位置礦巖體的崩落作業。

(3)采空區封閉。在上述崩落過程中，需在+47、+60、+75、+90 m水平內與采空區相連通的工程內構筑阻波墻，并將以后無需使用的工程也進行封閉處理。混凝土阻波墻厚度為3.0 m，于砌筑位置兩幫打0.5 m深的錨桿孔進行固定。

5 結論

通過數值模擬進行穩定分析之后，明確需強制放頂范圍，于后續作業中分區段和步驟進行崩落，這種方案的回采工程和采空區頂板的崩落工程可以實現平行作業，于實際礦山的利用中比較容易實現，而且其工程量也相對較少，對于現有4個采空區的處理時間較短。另外，這種方案在資源的集約整合方面具有較大優勢，其殘留礦石回收率最高，所產生貧化率很低。另一方面，此方案能夠實現空區放頂和資源回收整合的同步進行，于資源利用方面可以實現集約化管理和使用，亦即能夠解決礦山生產狀況和產量要求的矛盾，對礦山的實際生產管理具有一定的參考意義。

［1］ 付占宇，彭府華.下告鐵礦采空區上覆懸頂巖層穩定性研究［J］. 采礦技術，2012.1，12(1):47-49.

［2］ 王慶軍，郭樹林，王軍民，等.控制爆破切槽放頂處理空區技術探討［J］. 黃金，2006，27(12):26-30.

［3］ 鄭 磊，高玉寶.多空區條件下崩落放頂過程的地壓顯現與礦柱穩定性研究［J］.有色金屬，2010，62(4):11-14.