攀西某鐵礦山無底柱分段崩落法覆蓋層厚度分析與研究

張良兵，冷建勇，李 翠，陳 濤，羅少琛

（攀鋼集團礦業有限公司設計研究院,四川 攀枝花 617063）

0 引言

露天礦山轉入地下開采過程中，一方面因露天采場和地下采場間特殊的空間位置關系，露天采空區內的匯水容易灌入井下造成淹井事故，一般露天轉地下礦山要在地下采空區和露天采空區之間構筑層狀覆蓋物，以起到遲滯水滲流的作用[1-2]；另一方面無底柱分段崩落法是最典型的覆巖下放礦，覆巖下放礦的重要特征是其應用底部結構進行定點放礦，覆蓋層厚度與放礦橢球體不適應，會對礦石損失、廢石混入、礦石貧化產生重要的影響[3-6]。因此覆蓋巖層的形成方式及厚度將直接影響采礦指標及經濟效益，并威脅到井下回采作業的安全。

攀西某鐵礦崩落法開采及境界頂柱回收過程中，應設置相應的覆蓋層。覆蓋層一般采用廢石回填或邊幫削坡的方式形成，針對該礦山，推薦采用內排的方式協同形成覆蓋層，可解決廢石排棄難題，且有利于崩落法放礦。但是較高內排土場形成覆蓋層，一方面將導致采場內地壓升高，對井巷工程穩定性造成一定影響，同時內排土場排棄物料的結構也有相應的要求，需要滿足放礦管理。所以針對攀西某鐵礦山開采條件，通過相似模型試驗和數值模擬[7-8]相結合的方式對覆蓋巖層厚度進行分析與研究，尋求合理的覆蓋層厚度以實現有序放礦，避免投資浪費。

1 覆蓋層結構參數相似試驗

參考攀西某鐵礦山無底柱分段崩落法的結構參數及現場礦巖散體的顆粒性質，建立與現場尺寸、材料、性質等條件相似的物理模型，將整個放礦過程立體、完整、直觀地呈現出來，并以此來研究覆蓋層在不同厚度下覆蓋層顆粒的速度、運動軌跡及覆蓋層的沉降變化情況，為構建合理厚度和安全結構的覆蓋層提供指導。

1.1 相似試驗材料的選取

在試驗前，按照預先設計好的相似比用不同規格的篩子將河砂及石英砂篩分成要求粒級，礦石及覆蓋層顆粒配比方案見表1。

表1 礦石及覆蓋層顆粒級配Table 1 Particle gradation of ore and covering layer

1.2 相似材料試驗方案

1.2.1 方案設計

攀西某鐵礦山采用無底柱分段崩落法，分段高度20 m，進路間距18 m，采礦進路斷面尺寸為5 m×5 m（寬×高），放礦步距為4 m，物理相似材料模型確定相似比為1∶100。

覆蓋層作為保護墊層的厚度一般為兩個分段高度，模型中模擬覆蓋層的高度應在40 m 左右，因此在試驗中選取30、35 m 和40 m 來分析研究覆蓋層顆粒的流動速度、運動軌跡、界面變化情況，以此分析覆蓋層的合理厚度。

由于礦石前幾個分段放礦過程中對上部覆蓋層的影響較大，覆巖的移動規律明顯，故模擬礦石層時采用四個分段高度，即模擬80 m 的礦層高度，為保證覆蓋層具有足夠的厚度，試驗模型按最高能模擬50 m 的覆蓋層設計。同時考慮到邊界條件的影響，保證中間進路不受邊界條件的影響，模型設計每個分段布置4～5 條進路，呈菱形布置。

1.2.2 標志性顆粒及標志線

選擇大小適中的河砂顆粒染色作為標志性顆粒，在礦巖交界面每個網格交點及中心處放置一個標志性顆粒，并記下標志性顆粒的編號。從礦巖交界面開始，在礦石層中每個分段高度（20 cm）緊貼玻璃板內表面的位置灑一層紅色粉末作為標志線，在覆蓋層中每隔10 cm 相同位置也灑上標志線。

1.2.3 相似材料的填裝

1）裝礦工作

首先將預先設計好的不銹鋼進路及進路蓋板（保證能夠方便拔出且對上部散體沒有較大的影響）放置在模型固定位置，同時利用鋼片來模擬桃形礦柱，形成放礦過程中未爆破的脊部礦石。其次將攪拌均勻的礦石裝入相似材料模型中，在每次裝料時，盡量保證散體塊度分布均勻，以免在放礦的過程中由于大塊集中而出現嚴重的結拱現象，盡量不讓散體灑落到模型框體外面。礦石裝到與上個分段的進路底板對齊為止，同時在緊貼玻璃板內表面撒上一條紅色標志線粉末。

2）裝巖工作

礦石層裝填完畢后，在礦石層和覆蓋層的分界線位置緊貼玻璃板內表面撒上一條筆直紅色標志線，同時在礦巖交界面每個網格交點及中心處放置一個標志性顆粒。然后向模型中添加攪拌均勻的石英砂作為覆蓋層，且每10 cm 在覆蓋層上部撒上標志線。

1.3 相似試驗演化過程與結果分析

1.3.1 相似試驗演化過程

為更好地找出覆蓋層的移動規律，在試驗過程中采用現場觀察和攝影的方法進行記錄。放礦時根據設計的放礦步距寬度，將進路的蓋板拔出4 cm 的寬度，蓋板拔出的同時礦石冒落到進路中，形成端部放礦。用小鏟子和小耙子將礦石運出，為保持和礦山鏟運機的鏟斗容積相同，模擬每次鏟礦量在300 g 左右。每次鏟出礦巖后，當即用電子秤稱出每次出礦的質量，記錄鏟出質量，同時用相機記錄下每次出礦時覆蓋層界面的變化情況。礦石層上階段采用無貧化放礦方式，在放出上部覆蓋層顆粒時即停止本階段第一放礦步距放礦。再拔出進路蓋板一個放礦步距寬度，并用相機記錄拔出蓋板后覆蓋層的界面變化，繼續放礦直到出現覆蓋層廢石，記下出現標志性顆粒時放礦的次數，同時統計放出礦巖的質量。每個階段進路從右向左依次放礦。放礦過程中不同厚度覆蓋層移動變化情況見圖1～3。

圖1 各分段放礦結束后30 m 覆蓋層變化情況Fig.1 The change of 30 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖2 各分段放礦結束后35 m 覆蓋層變化情況Fig.2 The change of 35 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖3 各分段放礦結束后40 m 覆蓋層變化情況Fig.3 The change of 40 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

1.3.2 基于相似試驗覆蓋層厚度分析

由試驗的過程可知，當覆蓋層厚度為30 m 時，從第一分段開始，直到放礦結束，覆蓋層表面起伏度較大，平均高差在10～15 cm，覆蓋層整體結構保持不完整，部分區域覆蓋層厚度過薄，不能滿足正常工作所需要的條件。

當覆蓋層厚度為35 m 時，第一分段放礦結束后，覆蓋層表面塌陷較為明顯，形成波浪形，最大高差約為7 cm；在第二分段出礦時，由于菱形進路交錯開采，覆蓋層表面起伏度降低，整體結構保持良好；在第三分段和第四分段出礦時，覆蓋層整體下移，表面雖有一定起伏度變化，但最大高差縮減約為3 cm，且由于受到邊界條件的影響，最外側進路放礦會導致覆蓋層傾斜一定角度。全部放礦結束后可以看到雖然覆蓋層厚度減少，但整體結構仍能保持完整，可以起到良好的滯水、防風和緩沖沖擊地壓的效果。

當覆蓋層厚度為40 m 時，試驗效果與35 m 相差不大，第一分段放礦時覆蓋層表面塌陷凹坑不明顯，稍有起伏，最大高差僅為3.5 cm，松動橢球體發育良好，第二分段放礦后起伏基本消失，上表面較為平整，全部放礦完成后，覆蓋層整體結構保持完整，同樣能起到良好的滯水、防風和緩沖沖擊地壓的效果。

基于試驗條件相似，攀西某鐵礦山露天轉地下開采覆蓋層最小厚度應大于35 m。

2 覆蓋層結構數值模擬

2.1 計算模型與參數

2.1.1 覆蓋層數值計算模型

采用通用的PFC2D 即二維顆粒流程序進行數值模擬，為了將數值模擬和室內相似材料試驗對應起來，本次模擬按照室內相似材料試驗模型大小建立同等尺寸的模型，即總共4 個分段，分段高度20 m，進路間距18 m。模型下部為礦石層（藍色顆粒），上部為覆蓋層（綠色顆粒），覆蓋層厚度分別為40、35 m 和30 m。為方便觀察覆蓋層在放礦過程中的移動情況，在覆蓋層中添加多條標記線（紅色顆粒），標記線間距為6 m。3 種覆蓋層厚度的模型分別如圖4 所示。

圖4 覆蓋層厚度模型Fig.4 Cover thickness model diagrams

模擬放礦時，當有礦石顆粒進入進路時，刪除此顆粒，使礦體上方的覆蓋層逐漸下落。當有覆蓋層顆粒進入進路時，終止此進路的放礦，之后進行下一進路的放礦計算。在同一分段中按位置順序依次進行放礦，待此分段所有進路都放礦完畢后，將進路刪除并進行下一分段的放礦計算。

2.1.2 覆蓋層數值計算模型參數的選取

1）顆粒直徑。在數值模擬顆粒直徑配比時，若配比的粒徑差距太大，會使顆粒數量增多，降低計算速度，同時小顆粒的運動狀態也很難觀察，故選取最大半徑為最小半徑的3 倍，并按0.06 的孔隙率生成顆粒。

2）顆粒密度。根據相關資料，選取礦石顆粒密度為3.5×103kg/m3，覆蓋層顆粒密度為2.7×103kg/m3。

3）接觸模型。采用線性接觸模型。

4）顆粒的其它參數見表2。

表2 PFC2D 模型參數Table 2 PFC2D model parameters

2.2 數值計算結果及分析

2.2.1 數值模擬結果

PFC2D 二維顆粒流程序數值模擬放礦過程中30 m 覆蓋層、35 m 覆蓋層和40 m 覆蓋層的變化情況如圖5～7 所示。

圖5 各分段放礦結束后30 m 覆蓋層變化過程Fig.5 The change process of 30 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖6 各分段放礦結束后35 m 覆蓋層變化過程Fig.6 The change process of 35 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖7 各分段放礦結束后40 m 覆蓋層變化過程Fig.7 The change process of 40 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

2.2.2 基于數值模擬覆蓋層厚度分析

由圖5～7 可知，隨放礦作業進行，3 種厚度的覆蓋層表面起伏度都會發生變化，逐漸出現斜坡面，且斜坡坡面角度隨覆蓋層厚度的減小逐漸增大，同時3 種覆蓋層中的標記線均出現有較大起伏的波浪形，但直到所有分段均放礦結束，40 m 和35 m 覆蓋層的整體結構仍保持完整，依舊能起到防風、保暖、滯水及防沖擊地壓的作用，但30 m 厚度的覆蓋層的表面斜坡面角度較大，容易積存雨水，易發生危險。同時所模擬的結果與室內相似材料試驗所觀察到的試驗現象基本吻合。

根據安全規程要求，《金屬非金屬礦山安全規程》（GB16423-2006）規定：“回采工作面上方，應有大于分段高度的覆蓋巖層，以保證回采工作的安全；若上盤不能自行冒落或冒落的巖石量達不到所規定的厚度，應及時進行強制放頂，使覆蓋巖層厚度達到分段高度的二倍左右”。綜上所述，推薦礦山取覆蓋層厚度40 m 更為安全、合理。

3 結論

1）通過相似材料試驗和數值模擬，對30、35 m以及40 m 覆蓋層放礦結束后覆蓋層的變化情況進行分析，結果表明，30 m 覆蓋層在放礦過程中部分區域表面起伏度較大，整體結構產生變化，證明覆蓋層過薄；而在35 m 及40 m 兩次試驗中覆蓋層厚度雖然有所減少，但整體結構都保持較為完整，可起到良好的滯水、防風和緩沖沖擊地壓的效果，均能滿足要求。

2）結合礦山相關安全規程，從更安全、合理的角度出發，推薦攀西某鐵礦山露天轉地下崩落法開采覆蓋層厚度為40 m。