張家夏樓鐵礦緩傾斜、傾斜中厚至厚大礦體開采方案設計

邢志強

(五礦礦業(邯鄲)礦山工程有限公司)

張家夏樓鐵礦位于安徽省霍邱縣馮井鄉與范橋鄉交界部位，礦床位于霍邱鐵礦床中部。霍邱礦床位于淮河中上游南岸，地貌成因歸屬于侵蝕堆積地形。第四系廣泛出露地表，厚度為32.6～304 m不等，為淮河流域河湖相沉積，主要為黏土(鈣質黏土)、粉土質黏土、粉砂土，夾1～3層中粗砂，第四系底部普遍發育1層礫石層，厚度不等，部分為黏土黏結，呈半松散狀態，含承壓水。張家夏樓鐵礦礦體上部覆蓋層總厚度為180～210 m，分布標高為40～-180 m，較穩定分布。礦體一般呈層狀、透鏡狀產出，單層厚度為18.58～31.59 m，傾角為15°～35°，為緩傾斜、傾斜中厚至厚大的難采礦體。礦體品位較低，全礦平均品位僅為27.89%。為實現礦體安全高效開采，本研究對相應的開采方案進行設計。

1 護頂礦柱合理厚度計算

留設護頂礦柱是實現第四系下礦體安全開采的關鍵措施。護頂礦柱過厚，會造成資源巨大浪費；護頂礦柱過薄，易造成其跨塌，繼而造成第四系流砂層進入井下，給井下安全生產構成較大威脅。本研究分別采用厚跨比法、結構力學梁理論、經驗公式法以及數值模擬方法確定護頂礦柱的合理厚度[1-4]。

1.1 厚跨比法

根據礦房水平跨度L和頂柱厚度h計算厚跨比h/L，作為礦柱合理厚度的評價依據。當礦體跨度取6，10，15，18 m時，根據厚跨比法計算的護頂礦柱合理厚度見圖1。分析該圖可知：護頂礦柱合理厚度隨采場跨度的增大呈線性增大。該方法計算過程簡單，但其僅適用于穩定巖體，且未考慮頂柱完整程度、形態、荷載大小和性質。

圖1 厚跨比法計算的護頂礦柱合理厚度

1.2 結構力學梁理論

結構力學梁理論是將頂柱視為1個兩端固定的平板梁，上部巖體自重及其附加載荷作為頂柱載荷，以巖層抗彎抗拉強度作為評價指標[5]。根據結構力學公式，護頂礦柱的合理厚度可按下式進行計算：

(1)

式中，H為護頂礦柱合理厚度，m；σB為允許抗拉應力，kPa；ρ為頂柱礦巖體容重，kN/m3；b為采場跨度，m；l為頂柱單位計算寬度，m，取1；q為上覆巖層附加載荷，kPa，按上部覆蓋層厚度200 m計算載荷。

當礦體跨度取6，10，15，18 m時，按式(1)計算的護頂礦柱合理厚度見圖2。由圖2可知：護頂礦柱的合理厚度隨著采場跨度的增加而急劇增加，且增加幅度越來越大。該方法綜合考慮了頂柱的性質、自重及其上覆荷載等，但未考慮頂柱形態、巖體構造破壞特性、地質特性等因素的影響。

圖2 結構力學梁理論計算的護頂礦柱合理厚度

1.3 經驗公式法

國外學者在計算合理頂柱厚度時，總結出了K.B.魯別涅依他公式，可表示為

(2)

式中，；K為安全系數；ρ為頂柱巖層密度，t/m3；σB為彎曲條件下的巖石強度極限，為考慮到結構削弱系數K0和強度安全系數K3條件下的頂柱極限強度，MPa；g為頂柱上覆載荷對其壓力，MPa，按上部覆蓋層厚度200 m計算載荷。

采用式(2)計算得到的護頂礦柱合理厚度與采場跨度的關系曲線如圖3所示，與結構力學梁理論計算結果類似，護頂礦柱厚度隨著采場跨度的增加而急劇增加，且增加幅度越來越大。

圖3 經驗公式計算的護頂礦柱合理厚度

該公式考慮因素比較全面，不僅考慮了空區跨度及頂柱巖層特性，也考慮了頂柱上覆載荷，計算結果較為客觀。

1.4 數值模擬方法

為求解合理的護頂礦柱厚度，并減少迭代計算次數，本研究采用二分法進行計算。首先，給定護頂礦柱厚度的上限和下限值d1、d2，設定護頂礦柱厚度d=(d1+d2)/2進行建模計算，若d能夠滿足穩定性要求(頂柱抗拉強度為2.59 MPa)，取d1=d繼續計算；若頂柱發生破壞，取d2=d繼續迭代計算，直至給定的d能夠滿足穩定性要求，且d2-d1≦1 m時，計算結束，d即為頂柱合理厚度。

參照上述經驗公式計算結果，當采場跨度為18 m、上覆巖層厚度為200 m時，計算的頂柱厚度為22.25 m，試驗頂柱極限厚度在此基礎上區間范圍取5 m，故頂柱極限厚度上下限分別取18，28 m。首先設計頂柱厚度d=(18+28)/2=23 m進行模擬計算。

頂柱d=23 m時的圍巖應力分布特征如圖4所示。由圖4可知：頂柱厚度d=23 m時，圍巖最大拉應力為1.35 MPa，最大拉應力超過其抗拉強度，頂柱將發生局部破壞，難以滿足安全要求，故調整下限d2=23 m，上限d1=28 m，d=(23+28)/2=25.5 m進行模擬計算，結果見圖5。

圖4 d=23 m對應的最大主應力等值線圖(單位：MPa)

由圖5可知：隨著頂柱厚度增加，頂柱內應力釋放程度明顯降低，最大拉應力為1.06 MPa，小于其抗拉強度，頂柱尚末出現拉張破壞，故調整上限d1=25.5 m，下限d2=23 m，d=(25.5+23)/2=24.25 m繼續進行計算，結果見圖6。

分析圖6可知：頂柱厚度減小后，巖層內拉應力釋放程度增大，單元最大拉應力為1.36 MPa，增加幅度相對不大，尚未超過其自身抗拉強度。繼續調整上限d1=24.25 m，下限d2=23 m，d=(24.25+23)/2=23.63 m進行模擬計算，結果見圖7。

由圖7可知：隨著頂柱厚度進一步折減，巖層內拉應力釋放程度繼續增大，單元最大拉應力增加至2.53 MPa，接近其抗拉強度。此時，采用二分法上下限d1-d2=23.63-23=0.63≦1，據此確定頂柱極限厚度為23.63 m，本研究取24 m。

圖6 d=24.25 m對應的最大主應力等值線圖(單位：MPa)

圖7 d=23.63 m對應的最大主應力等值線圖(單位：MPa)

2 開采方案設計

張家夏樓鐵礦為緩傾斜、傾斜中厚至厚大礦體，該類型礦體一直被國內外學者視為難采礦體[6-7]。根據礦床地質條件及開采技術經濟條件，本研究選擇分段空場嗣后充填法進行開采。近年來，國內外礦山普遍采用了無軌設備，分段空場法得到了更加廣泛的應用。根據出礦巷道的不同布置方式，本研究設計了基于空場進路和下盤脈外2種出礦方案的分段空場嗣后充填法。

2.1 空場進路出礦方案

盤區沿走向布置，盤區長100 m，相鄰盤區之間留設盤區間柱，間柱寬20 m。盤區高度為中段高度，中段高度為100 m。盤區內沿傾向自下而上布置礦房，礦房跨度為20 m，根據礦體傾角變化，盤區內布置10～12個礦房(圖8)。

采切工程中在沿盤區間柱內沿礦體底板掘進斜井，作為井下設備、材料及作業人員的運輸通道。在斜井內每間隔10 m左右向兩側各分段礦房中部掘出礦進路，該出礦進路同時作為鑿巖巷道。在設備斜井底部掘進風天井至進風中段，新鮮風流經由進風中段、進風天井和斜井進入各分段采場。在盤區另一側間柱礦體頂板處掘回風充填斜井，作為充填管道敷設和回風的通道。自回風充填斜井向兩側各分段采場掘回風充填通道，回風充填通道布置于相鄰上分段采場上部，采區聯絡道與充填采場貫通，每個采場設置4個下料點[8]。在出礦進路端部沿盤區礦柱邊界掘切割橫巷，并在切割橫巷端部布置切割天井，切割天井高度與礦體厚度保持一致。

圖8 空場進路出礦的分段空場法原理

在切割橫巷內，鉆鑿平行于切割井的上向扇形中深孔，每排布置3個炮孔，排距約1.5 m。在出礦進路內采用Simba1354鑿巖臺車鑿上向中深孔，采用后退式爆破回采方式。崩落的礦石下落至采場底部的受礦塹溝內，選用Atlas ST-3.5型遙控鏟運機將礦石搬運至溜井。

2.2 下盤脈外出礦方案

下盤脈外出礦方案中，盤區及礦房布置與空場進路出礦方案一致。不同之處在于，該方案采用出礦巷道和裝礦進路組合方式出礦。出礦巷道布置于礦體下盤外15 m左右區域，在出礦巷道內每隔 12 m 左右向礦體方向掘裝礦進路，在裝礦進路端部開鑿塹溝，并兼作鑿巖通道(圖9)。出礦選用國產WJD-3型鏟運機。取消設備斜井，為方便無軌設備上下，將采區斜坡道與各出礦分段相連。

圖9 下盤脈外出礦方案原理

2.3 采礦方法比選

空場進路出礦方案由于采用阿特拉斯ST-3.5型遙控鏟運機，出礦進路直接布置于礦體底板，并兼作鑿巖巷道，省去出礦巷道和裝礦進路。采準工程大大減少，采準費用降低，但設備投資費用大。下盤脈外出礦方案采用普通國產鏟運機出礦，設備投資低，但較空場進路出礦方案增加了出礦巷道和裝礦進路，采準工程大，采準費用增加。以上2種方案技術上均可行，兩者經濟技術對比結果見表1。

表1 方案技術經濟比較

空場進路出礦方案采用AtlasST-3.5遙控鏟運機，由于減少了裝礦進路和出礦巷道，工程量大大降低，采準費用較下盤脈外出礦方案少8.9元/t，綜合考慮人工、設備折舊、設備運營維護等費用，空場進路出礦方案噸礦可比開采成本較下盤脈外出礦方案少5.98元/t。另外，由于遙控鏟運機可直接在空區下出礦，能夠解決脈外出礦方案兩相鄰裝礦進路間“三角礦堆”的出礦難題，大大降低采場損失。根據上述分析，本研究推薦采用空場進路出礦方案的分段空場法。

3 結 論

(1)根據張家夏樓鐵礦礦床上覆厚大第四系、礦體傾角相對較緩、礦石品位低等特點，對安全高效的開采方案進行了設計。為防止第四系流砂層涌入井下，采取預留護頂礦柱形式，分別采用厚跨比法、結構力學梁理論、經驗公式分析了采場跨度與護頂礦柱合理厚度的關系。通過綜合對比分析，認為經驗公式法因考慮因素比較全面，故而計算結果較為客觀。在經驗公式法計算結果的基礎上，采用數值模擬分析和二分法迭代計算方法，最終確定在礦房跨度18m、上覆巖層厚度200m的條件下，合理的護頂礦柱厚度為24m。

(2)采用高效的出礦設備是降低采準工程量的有效途徑，研究采用遙控鏟運機作為出礦設備，省去出礦巷道和裝礦進路等工程量，大大降低了采準費用，可比開采成本較普通鏟運機下盤脈外出礦方案少5.98元/t，且回采率大大提高，推薦采用空場進路出礦方案的分段空場嗣后充填法進行生產。

(3)二步驟回采時，由于遙控鏟運機是在充填體暴露面下(側面)出礦，存在著一定的安全隱患，因此，為防止出現充填體片幫，砸壞設備、堵住鏟運機運行通道，應確保充填體質量。