露天礦山轉井下開采覆蓋巖層形成技術的研究與應用

謝道雄，王小瓊，張洪杰

（河鋼集團礦業公司，唐山鋼鐵股份有限公司，河北 唐山 063000）

1 礦山概況

黑山鐵礦隸屬于河北鋼鐵集團礦業有限公司，礦區位于河北承德市北側31km，行政區劃由承德高寺臺鎮王營村、龍潭溝村管轄。海拔750m～1213m，切割深度463m，地形陡峻，溝谷發育，屬中低山區。礦區采用露天開采方式，目前已采至722m水平，根據露天開采設計，最終將采至650m水平。隨著露天開采標高不斷下降，可采礦體平面范圍逐年小，在露天采場每布置開采設備的數量受到嚴重限制，鐵精粉產量逐漸下降，鐵精粉成本不斷升高。但深部仍有大量礦體尚未開采，因此在露天開采結束之前，對露天底部最終標高以下和邊邦最終境界之外的部分礦石，計劃采用露天轉地下的方法進行開采，采礦方法使用無底柱分段崩落法，沿礦體傾向方向選擇自上而下的開采順序。地下開采范圍內，厚大礦體主要分布在8號～28號勘探線之間，走向長度250m，垂直走向方向長度100m，垂直深度668m。

黑山鐵礦屬于晚期巖漿侵入型釩鈦磁鐵礦，地質條件復雜，礦體變化大，夾層多。礦床成因為晚期巖漿——熱液過渡類型。礦床中的侵染狀礦體直接與造礦母巖（輝長巖）的侵入形成有關，屬于晚期巖漿成因；而似管狀、脈狀和團塊狀礦體，則其主要礦化期發生在侵入體形成之后，有明顯的熱液作用，屬于熱液成因。礦體的形態、規模都受不同節理構造所控制，一般多呈透鏡狀、似管狀或不規則的團塊狀，貫入于斜長巖或侵染于輝長巖、蘇長巖中。

2 研究背景

露天轉地下過程中，每個礦塊均在覆蓋巖層下放礦，因此首先必須形成覆蓋巖層，才能保證在礦過程中各項工作安全順行。巖石覆蓋層的形成一般有兩種方式，第一種是利用將礦體上部的巖石、露天礦邊幫的巖石爆破崩落后形成巖石覆蓋層，這樣的方式不會積壓礦石，對提高初期礦石產量有利，存在不足是會引起礦石發生較大貧化。第二種是預留開采范圍內的一部分礦石作為覆蓋層，將礦體上部的礦石進行松動爆破，爆破后礦石不完全出盡，而只出爆破礦量的三分之一，留一部分松散礦石作為覆蓋層，當松散礦石形成的覆蓋層達到設計分段高度兩倍之后再采用正常放礦方式，這樣的方式會造成部分礦石積壓，對遷改初期礦石產量不利，但優點是不會引起礦石的貧化，積壓礦石將來采取措施后還能夠回收[1]。為了保證開采過程安全順利進行，當開采過程中圍巖無法自行崩落時，需采用強制崩落的方法進行處理，以避免發生大范圍圍巖崩塌。黑山鐵礦露天轉井下過程中，需要解決的首要問題就是覆蓋巖層如何形成，如何在保證節約投資的前提下，安全快速地形成覆蓋層具有十分重要的意義。

3 覆蓋巖層技術研究

3.1 覆蓋巖層的作用

擠壓爆破作用。覆蓋巖層形成后，可以防止爆破后礦石拋散在采空區影響正常出礦，提供擠壓爆破條件。如果覆蓋巖層缺失，則爆破時不能夠形成有效的擠壓條件，每次爆破后的礦石進入空場，這樣無法在出礦分段正常出礦。

爆破緩沖作用。覆蓋巖層介于露天礦底部與地下開采頂部，起著緩沖爆破沖擊和降低圍巖冒落時沖擊氣浪的危害作用。若覆蓋層未形成，在爆破作用的強力沖擊情況下，很可能造成露天礦邊坡失穩，一旦失穩將會對地下開采設備設施造成毀滅性沖擊，嚴重影響露天轉地下采礦安全。

延緩排水作用。覆蓋巖層形成后，大氣降雨時雨水流入覆蓋層，覆蓋巖層能夠儲蓄一部分雨水，還能起到延緩雨水涌入井下的時間，為井下采取提高排水能力相關工作贏得時間，有更多的時間對井下排水系統進行調節。

3.2 覆蓋巖層形成原則

一是充分利用好采場現有的條件，充分利用露天開采原有的地質地形及輔助設施，減少對原有系統的破壞，降低覆蓋巖層在形成過程中的新增投入。二是初期進行強制放頂，使覆蓋層厚度滿足安全規范要求。

3.3 覆蓋層厚度要求

覆蓋巖層的厚度，既與回采工作的安全性有關，還與放出體形態及大小有關。安全規程規定中明確要求，礦塊回采工作面的上方，必須有大于采礦分段高度的覆蓋巖層，以保證井下開采安全順利進行，若上部無法自行冒落或冒落的巖石量達不到規定厚度，必須及時采取強制放頂措施，使覆蓋巖層厚度達到分段高度的二倍左右[2]。

4 黑山鐵礦覆蓋層技術方案

4.1 安全技術要點

覆蓋巖層的厚度，既與回采工作的安全性有關，還與放出體形態及大小有關。當采場圍巖較穩固，可以采用完全自行冒落的方式形成蓋層[3]。若采場圍巖不夠穩固時，由于邊坡垮塌一般具有突發性特點，極有可能對地下開采設備設施造成嚴重的沖擊危害，因此形成覆蓋巖層不允許完全采用自行冒落方式。若采用強制放頂的方式，放頂所需準備的井巷工程和深孔量，相對較大、費用相對較高。

在覆蓋巖層技術分析與研究中，可以根據巖石斷層及節理裂隙發育的特點，采用強制崩落圍巖的方法和自然帽落方法有機結合的方式，即在礦山生產前期采用強制放頂的方法將邊坡圍巖崩落形成一定厚度的覆蓋巖層，之后利用已經施工的采切工程，通過藥室爆破或在巷道內深孔爆破的方法，將上部礦體進行誘導崩落，進一步增加覆蓋層的厚度。

4.2 覆蓋層的應用實例

為了縮小露天轉地下銜接期間礦山鐵精粉產量波動幅度，實現平穩過渡，自2008年初至露天開采結束，黑山在露天開采的采剝計劃中將一部分低品位礦石從露天采場采出后儲存到采場以外的適當場地，用來地下開采投產后補充地下礦開采初期生產能力不足。這些低品位礦石主要產自礦巖交界處，含有一部分廢石和礦石三級品。地下開采初期，將這些礦石經過采場干選廠干選后運輸到紀營選礦廠加工。

利用好這段時間，可對露天轉地下工程進行充分技術論證，進行安全、環境的評價及相關審批，使工程在技術、安全、節能、環保和法律等層面符合相關要求；用提前儲備的礦石彌補因地下礦投產后初期生產能力低，選廠供應礦石量不足的矛盾。

回采露天最終邊坡內礦體形成覆蓋層。設計露天礦底部標高為650m水平，底部以上邊坡礦的最上一個分段為698m。根據698m分段礦體規模小的特點，為減小礦體回采中的貧化率，經研究決定首個采準分段定為688m。通過加大688m分段的中深孔長度，來增加688m以上崩落的礦巖量，這樣又可節省一個分段的采準工程量。通過688m、676m兩個分段的礦巖崩落和1/3的出礦量，可滿足設計和安全規程規定的覆蓋層厚度要求。在露天底以下開采之前，首先開采露天邊坡內礦體。將露天邊坡688m、676m、664m、652m分段的采準工程掘進和回采中產生的廢石均充填到露天坑底，作為巖石覆蓋層。

原初步設計中露天底部以下首個采準分段標高為640m，為加快覆蓋層的形成，節省基建投資，研究分析后決定首個采準分段定為628m。通過從采取該措施，進一步增大了露天底距離首個采準分段的高度，增加了中深孔長度，從而增加一次崩落的覆蓋巖層厚度，減少采準工程量和基建投資，還縮短了基建工期。

投產后，露天底以下640m、628m、616m等各分段采準掘進和回采中產生的廢石利用無軌運輸車通過斜坡道運輸到664m標高，向露天底進一步充填廢石，增加覆蓋層厚度。井下二期工程掘進產生的廢石，用箕斗分別提升到830m、810m標高，轉載后利用無軌運輸車從露天采坑下盤方向的最終邊坡倒入采坑，進一步增加覆蓋層厚度。

5 結語

通過研究分析與優化論證，黑山露天轉地下工程采用了無底柱分段崩落法邊邦礦體開采和露天底以下礦體開采，快速形成覆蓋層，覆蓋巖層厚度達到分段高度的二倍以上，達到設計和安全規程要求，在安全設施設計驗收過程中一次通過，為露天轉地下開采順利銜接創造了有力條件，對同類礦山覆蓋層形成具有借鑒意義。