大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術研究

張鵬強，盛 佳，陳國舉，李向東，趙國亮，王亞軍

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大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術研究

張鵬強1，盛 佳2, 3, 4，陳國舉1，李向東2,4，趙國亮1，王亞軍2,4

(1.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌市 471435；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；3.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201；4.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

針對金川公司低品位礦石由高成本的下向進路充填采礦法轉化為低成本的崩落采礦法的開采工藝難題，分析了崩落覆蓋層的必要性，采用理論分析以及3DEC數值模擬研究方法，開展了大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術研究。結果表明：首采分層出30%崩礦量，第二層出80%崩礦量的設計方案，結合大面積充填體的破壞誘導機制與模式，可以成功形成覆蓋層。

充填法；崩落法；3DEC數值模擬；崩落覆蓋層

0 引 言

金川公司多年來采取“采富保貧”的政策，富礦資源已急劇下降，由于礦石開采一直沿用下向進路充填采礦法，開采成本居高不下，為了礦山的持續穩定發展，貧礦資源經濟高效回收已迫在眉睫。礦山聯合科研單位開展攻關研究，綜合分析討論后決定將貧礦資源采礦方法由高成本的充填法轉化為低成本的崩 落法。

龍首礦西二采區礦體經過數年的生產經營，開采技術條件發生了很大變化，尤其是頂板膠結充填體的存在，使得采用崩落采礦法開采時不能像新建礦山那樣直接崩落圍巖形成覆蓋層。一般來說，崩落采礦法開采地壓管理通過崩落圍巖和頂板巖石，在崩落礦石上部形成一定厚度可以隨崩落礦石下降而下降的覆蓋層控制地壓，然而，機械化下向分層六角形高進路膠結充填采礦法改崩落采礦法開采的覆蓋層[1?4]形成方法有其自身的特點，30 m厚的充填體增加了覆蓋層形成、安全生產及處理采空區的難度。

1 覆蓋層必要性及其形成原則

1.1 覆蓋層形成必要性

無底柱分段崩落采礦法要求崩落礦石在覆蓋巖層下進行出礦，因此必須首先形成覆蓋巖層。其原因是：

(1) 沒有覆蓋巖層就不能形成擠壓爆破條件，爆下的礦石崩入空場，在本分段大部分放不出來。

(2) 沒有覆蓋巖層做緩沖層時，如圍巖大量崩落將造成嚴重安全事故。在開采中，若沒有覆蓋層作緩沖，頂板失穩將直接對地下開采造成沖擊，影響作業安全。

(3) 有足夠厚度的覆蓋巖層[5?6]，在一定程度上，延緩了大氣降雨迅速涌入井下的時間，給井下排水較為寬裕的時間準備。

1.2 覆蓋層形成基本原則

(1) 充分利用好采場現有的條件。

(2) 初期進行強制放頂，使覆蓋層厚度滿足安全規范要求。

(3) 對于初期的強制落頂，應針對礦體開采的具體情況，裝備及技術力量，生產持續與銜接等因素，因地制宜、具體對待。

2 大面積充填體下崩落覆蓋層形成思路

覆蓋層形成的方法和思路主要有3種：

(1) 上部已經采用空場采礦法開采的礦山，可在回采頂底柱時，利用藥室或中深孔崩落采空區上下盤巖石，形成覆蓋巖層；

(2) 對于礦體圍巖不穩固的新建礦山，覆蓋層是在進行礦石回采時，由自然崩落的圍巖形成；

(3) 對于礦體圍巖穩固的新建礦山，可以采用異步造層法或同步造層法形成覆蓋層。

結合國內外崩落覆蓋層形成技術，根據金川公司多年來崩落法試驗研究相關成果，針對龍首礦西采二區上覆大面積充填體的具體情況。利用離散元3DEC數值模擬手段，結合充填體的具體處理方案以及對大面積充填體破壞誘導機制和模式的具體研究，采用控制出礦的手段，不留護頂礦，首層分層出礦崩礦量的30%，第二分層出礦崩礦量的80%，進行典型斷面模擬分析[7]，隨著分層開采的進行，動態觀察覆蓋層的形成過程，并提取每一斷面分層開采中充填體沉降數據，通過數據曲線定量分析覆蓋層能否成功形成。

3 大面積充填體下崩落法覆蓋層形成技術分析

3.1 數值模擬

根據崩落法開采覆蓋層形成思路，基于開挖步驟編寫3DEC命令流[8]，對龍首礦西二采區1610~1544 m(高66 m)、5~7行(寬100 m)礦體的開挖進行了數值模擬計算，分析研究大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術，并提取各分段充填體沉降數據，通過數據曲線具體分析覆蓋層的形成。通過數值模擬得到的5~7行典型剖面不同開采分段各個水平高度充填體沉降位移如圖1~圖3所示。

3.2 模擬結果分析

5~7行典型剖面數值模擬計算結果顯示，首采切割后，上覆充填體就發生了松動，在首采分段放出30%礦體后，上覆充填體發生冒落，說明上覆充填體的穩定性不強，伴隨著開采的進行，從沉降位移變化中可以看出上覆充填體發生了較大冒落，形成了一定厚度的覆蓋層。各行典型剖面不同開采分段各個水平高度充填體沉降最大位移如下表1所示。

圖1 5行典型剖面不同開采分段各個水平高度充填體沉降位移

圖2 6行典型剖面不同開采分段各個水平高度充填體沉降位移

圖3 7行典型剖面不同開采分段各個水平高度充填體沉降位移

3.3 大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術

龍首礦西采二區4萬m2的充填體在足夠大暴露面積下必然發生結構破壞，充填體的冒落是隨著首采分層以礦石的開采逐步完成的，對冒落過程的定量出礦控制是形成整體下移層的關鍵。設計采用暫留礦石，結合頂板圍巖自然冒落[9]及充填體整體下移形成覆蓋層，首采分層出30%崩礦量，第二層出80%崩礦量的設計方案，結合大面積充填體的破壞誘導機制與模式，可以成功形成覆蓋層[10]。

4 結 論

(1) 覆蓋層形成技術的要點是首采分層出礦量達到崩落礦量的30%~45%，剩余礦石殘留在采場之內；第二分層開采時，出礦量取決于上部頂板巖層冒落情況，當其已經大量冒落時，其出礦量也可以增大。其原則是保證冒落的充填體巖石加崩落的礦石是分層高度的兩倍，該覆蓋層在冒落的巖石不足時由礦石暫時代替。

(2) 金川龍首礦西二采區采用首采分層出30%崩礦量，第二層出80%崩礦量的設計方案，結合大面積充填體的破壞誘導機制與模式，可以成功形成充填體覆蓋層。

[1] 楊 佳.內蒙古蘇尼特右旗畢力赫金礦無底柱分段崩落法覆蓋層形成分析[J].中國礦業,2017,26(9):118?120.

[2] 劉俊平,盛登慧.峨口鐵礦露天轉地下首采區崩落覆蓋層方法探討[J].礦業工程,2017,15(4):13?15.

[3] 邱曉東,丁 銘.龍橋鐵礦緩傾斜中厚礦體崩落采礦法覆蓋層研究[J].采礦技術,2014,14(5):3?4.

[4] 黃興益.尖山鐵礦無底柱分段崩落法覆蓋層厚度的研究[J].有色金屬設計,2011,38(3):6?10.

[5] 安永林,歐陽鵬博,岳 健,等.隧道初期支護型鋼開孔對其安全性能的影響[J].公路,2017,84(12):275?281.

[6] 李偉明,王明勤,王小軍,等.拓展深孔拉底成槽技術研究[J].礦業研究與開發,2018,38(5):25?27.

[7] 安文杰,李廣寬.龍首礦西二采區崩落采礦法組合覆蓋層技術方案研究[J].黃金,2018,39(6):35?38.

[8] 何佳峰,陳星明,雷 剛,等.某鐵礦無底柱分段崩落法礦石覆蓋層形成模擬研究[J].有色金屬(礦山部分),2016,68(3):3?5.

[9] 羅 佳,柳小勝,周愛民.高分段無底柱崩落法放頂方法選擇研究[J].黃金,2016,36(10):6?10.

[10] 何佳峰,陳星明,鄧 杰,等.緩傾斜中厚礦體覆蓋層補充問題研究[J].有色金屬(礦山部分),2016,68(1):14?18.

(2018?11?20)

張鵬強(1984—)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，工程師，主要從事金屬礦床開采技術研究工作，Email：455969199@qq.com。