孟家堡子铁矿岩移控制方法研究_曹建立.pdf

收稿日期2019-09-12 基金项目国家自然科学基金重点项目 （编号 51534003） ，“十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801600） 。 作者简介曹建立 （1980） ， 男， 讲师， 博士。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 孟家堡子铁矿位于华北地台辽东地块， 矿区出露地层主要为太古界鞍山群茨沟组和第四系。矿区 孟家堡子铁矿岩移控制方法研究 曹建立谭宝会张东杰 1 （东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819） 摘要孟家堡子铁矿露天开采完成后， 位于70 m水平以下的矿体采用无底柱分段崩落法开采， 随着井下采 矿的进行， 覆岩已经冒透至露天坑底， 形成了大规模的地表塌陷坑， 岩移活动对地表办公区及竖井构成了严重威 胁。目前矿山存留的废石无法满足地表塌陷坑充填需求， 致使塌陷坑边壁岩移发展无法得到有效控制。根据临界 散体柱支撑原理， 试验研究了尾砂替代废石充填地表塌陷坑的岩移控制新方法， 分析了不同尾砂浓度及散体粒径 分布下的尾砂渗透特征， 得到了受散体下落高度影响的尾砂混入高度预测表达式。研究表明 70～80浓度下的 尾砂混入高度范围为130.76～42.36 m， 该浓度范围内的尾砂混入高度小于塌陷坑内散体覆盖层的最小厚度， 即采用 该浓度范围内的尾砂充填地表塌陷坑是安全可行的， 最终确定的现场合理尾砂充填浓度为 75～80。为确保充 填作业安全顺利进行， 将塌陷坑划分为斜面充填区与饱满充填区， 提出了沿塌陷坑轴向与径向三向协同充填方法， 为矿山安全、 绿色、 高效开采提供了有力保障。 关键词地下开采临界散体柱尾砂渗透特性岩移控制地表尾砂充填协同充填 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-001-07 DOI10.19614/ki.jsks.201911001 Study on the of Rock Movement Control in Mengjiapuzi Iron Mine Cao JianliTan BaohuiZhang Dongjie2 （School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China） AbstractAfter the open-pit mining of the Mengjiapuzi Iron Mine is completed， the ore body below the level of 70 m is mined by the sublevel caving .As the underground mining progresses， the overburden has already caved to the bottom of the open pit， ed a large-scale surface collapse pit， the rock movement posed a serious threat to the surface office and shaft.At present， the remaining waste rock cannot meet the filling requirements of surface collapse pits，and the development of rock movement along the side wall of the collapse pit cannot be effectively controlled.In order to solve this technical prob- lem， according to the support principle of critical medium column， this paper studies the new rock movement control of tailings instead of waste rock filling surface collapse pit， the characteristics of tailings penetration under different tailings con- centration and particle size distribution are obtained， the prediction expression of tailings mixed height affected by the drop height of the loose body is given.The study results show that the tailings height of the concentration range of 70～80 is 130.76～42.36 m， and the mixed height of tailings in this concentration range is smaller than the minimum thickness of the bulk layer in the collapse pit， it is safe and feasible to fill the surface collapse pit with this concentration range. Finally we de- termine that the reasonable tailings filling concentration on the site is 75～80.It is safe and feasible to use the tailings to fill the surface collapse pit，and the reasonable tailings filling concentration is 75～80.In order to ensure the safe and smooth operation of the filling operation， the study divides the collapse pit into a slope filling area and a full filling area， and proposes a three-way coordinated filling along the axial and radial directions of the collapse pit， which provides a strong guaran- tee for the safe， green and efficient mining. KeywordsUnderground mining， Critical medium column， Tailings permeability characteristics， Rock movement con- trol， Surface tailings filling， Synergetic filling Series No. 521 November2019 采矿工程 1 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 的主要开采矿体沿走向长约 600 m， 倾角 62～87， 厚度20～50 m， 平均品位为26.34。矿体顶底板围岩 主要为角闪石英片岩、 黑云变粒岩， 矿体为角闪磁铁 石英岩， 围岩节理、 裂隙不发育， 矿体及围岩均比较 稳固。地下开采引起的岩移发展将对地表办公区及 竖井构成严重威胁， 需及时采取措施控制岩移发展。 近年来， 在岩移预测及控制研究方面学者们进 行了大量卓有成效的研究。袁海平等 ［1］应用数值模 拟方法分析了空区形态对岩移变化的影响， 指出无 论空区形态如何， 所形成的地表塌陷形态均表现为 似圆形； 夏开宗等 ［2］通过现场监测深入研究了不同开 采水平下岩体冒落及地表岩移变化规律， 指出岩层 移动具有突变性； 王悦汉等 ［3］建立了采动岩体的动态 力学模型， 实现了动态预测岩移发展过程； 李海英 等 ［4］提出通过优化挂帮矿开采顺序和高度， 来控制边 坡岩体片落方向， 使得岩移危害得到了有效控制； 任 凤玉等 ［5］根据平行矿带高落差开采的岩移控制需求， 提出了利用废石散体充填塌陷坑控制塌陷的岩移控 制技术； 张成平等 ［6］提出了超前钻孔探测与支护的塌 陷控制措施； 曹帅等 ［7］利用数值模拟及现场监测验证 了地表缓慢突然缓慢沉降的交替发展特征； 宋 卫东等 ［8］通过现场监测研究了崩落法采矿围岩崩落 及地表岩移机理； 胡静云等 ［9］采用多种现场监测手段 研究了崩落法开采岩层及地表岩移与沉降机理； 钱 鸣高等 ［10］提出了关键层理论， 并广泛应用于岩层移 动机理研究中； 刘天泉 ［11］综合分析了矿山岩体采动 影响方面的研究进展； 赵永等 ［12］利用微震技术分析 了露天到地下采矿过程中采空区和地表边坡的稳定 性， 并研究了岩移机理； 赵海军等 ［13］采用理论分析与 数值模拟方法研究了急倾斜断层影响下矿体上下盘 开挖的岩移规律与变形机理。 综上分析， 就不同的矿体及围岩条件下的地表 岩移预测研究而言， 学术界对于岩移机理分析及预 测方面的研究较深入， 而对于岩移控制方法的研究 成果较少， 有关尾砂充填体控制岩移方面的研究成 果鲜有报道。本研究针对孟家堡子铁矿地表废石散 体不足的问题， 重点分析尾砂充填体在地表塌陷及 岩移控制中的作用， 并提出有效的地表塌陷及岩移 控制方法， 确保该矿山安全高效开采。 1地下采矿对竖井稳固性的影响 目前， 家堡子铁矿70 m水平以上矿体采用露天 开采， 已经回采完毕， 70 m水平以下矿体采用无底 柱分段崩落法开采 ［14-15］， 分段高度15 m， 阶段高度60 m， 垂直于矿体走向布置回采进路， 进路间距 15 m。 受地下开采影响， 在原露天坑位置形成了大规模的 地表塌陷坑， 塌陷坑轴向最宽约190 m， 径向长约626 m， 塌陷坑形态如图1所示。 该矿地下开采最低水平到达-50 m分段， 在开采 中矿山按照一级竖井保护级别 （20 m安全范围） ， 以 65岩移角圈定保安矿柱 ［16-17］， 共分为两个保安矿柱， 其一以竖井为中心， 其二以变电所为中心， 保安矿柱 圈定范围与地表塌陷边界的位置关系见图2。由图2 可知 地表塌陷范围已经深入到保安矿柱保护范围 内， 竖井距离塌陷坑边界约36 m。由于塌陷坑内充 填了大量废石散体， 受散体支撑作用的影响 ［18］， 目前 塌陷坑处于稳定状态， 为保证矿山工业设施安全， 需 要评估井下开采对地表工业设施的影响。 根据图 2， 本研究选择穿过竖井的 42号与 42-1 号勘探线进行分析。勘探线所在位置的矿体回采情 况见图3。由图3可知 -50 m分段的矿体基本回采 结束， 随着开采的延深， 矿柱外可采矿量越来越少， 当开采至-110 m水平时， 深部矿量将有1/2左右无法 回采。 竖井作为混合井是整个矿山开采系统的 “咽 喉” ， 若进行重新选址打井， 必然导致矿山停产， 带来 巨大的经济损失。因此， 根据矿山稳产需要及现有 2 ChaoXing 2019年第11期曹建立等 孟家堡子铁矿岩移控制方法研究 开采条件， 需在保护竖井的前提下合理回收深部矿 柱矿量。根据相关分析可知 深部矿体全部开采后 （至-110 m水平） ， 按照岩移角圈定的岩移范围， 将导 致岩移朝竖井方向移动15～20 m， 由于竖井保安矿柱 按照一级保护级别 （20 m的安全距离） 进行圈定， 矿 柱矿量开采后必将对竖井产生威胁， 亟需采取措施 限制岩移发展。 2临界散体柱对地表岩移的控制作用 传统的竖井保安矿柱圈定及岩移预测方法忽略 了塌陷坑内散体的支撑作用。东北大学任凤玉教授 课题组结合矿山生产实践提出了临界散体柱支撑理 论 ［4-5， 19］， 认为塌陷坑内散体在侧压力作用下， 存在一 散体柱可以有效限制边壁岩体片落， 这一高度的散 体柱称为临界散体柱 （图4） 。 为准确获得临界散体柱与地表塌陷及矿体倾角 之间的作用关系， 选择过塌陷坑且具有代表性的 40-1、 40-2、 41、 41-1、 42、 42-1号勘探线作为分析对 象， 统计结果见表1。 由表1可知 临界散体柱高度范围为42～55 m， 占 塌陷坑内充填散体总高度的 30.1％～33.5， 这部分 高度对地表塌陷范围具有关键性影响， 即塌陷坑内 临界散体柱高度约占散体总高度的1/3， 在矿山开采 中只要保证该比例关系， 即可保证地表塌陷范围不 再进一步扩大。目前， 矿山可用的废石散体已经全 部充填到塌陷坑内， 井下持续采矿必将导致塌陷坑 内散体下移， 如果无法满足临界散体柱的高度要求， 塌陷坑边壁将继续发生变形甚至片帮破坏。综合考 虑塌陷坑充填的必要性， 本研究提出采用尾砂作为 废石散体的替代充填体对地表塌陷坑进行充填。 3尾砂渗透性试验研究 塌陷坑内散体覆盖层厚度为142～167 m， 当采用 尾砂对塌陷坑进行充填时， 尾砂与废石散体之间的 相互渗透关系至关重要， 一般存在以下两方面问题 ①如果尾砂浓度过高， 尾砂散粒体间黏结性非常小， 在与废石散体界面接触后， 尾砂散粒体会随着废石 散体间的空隙不断向下渗透， 并混入到矿石散体层 中， 造成较大的贫化； ②如果尾砂浓度过低， 在充填 过程中可能导致大量尾砂沿着废石散体覆盖层的空 隙流入采场形成泥石流灾害。因此， 采用尾砂充填 地表塌陷坑时， 需要对尾砂与废石散体之间的相互 渗透关系进行试验研究。 3. 1试验过程 试验选用的尾砂来自孟家堡子铁矿尾矿库， 配 比浓度分别为100、 90、 80、 70， 60， 选用白云 岩模拟废石散体， 其粒径分别为6、 20、 30 mm， 共进行 了15组试验。试验中记录了散体放出过程中降落高 度与尾砂混入高度的变化情况， 不同粒径的散体孔 隙度见表2。散体粒径为20 cm时， 不同尾砂浓度的 渗透情况见图5～图8。 3 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 3. 2试验结果分析 根据尾砂渗透特性试验结果分析可知， 影响尾 砂混入高度的因素包括尾砂浓度、 废石散体孔隙度、 散体降落高度等， 不同尾砂浓度及散体粒径下散体 降落高度与尾砂混入高度的变化情况如图9所示。 由图9可知 尾砂混入高度与散体降落高度成正 相关关系， 散体粒径越大， 尾砂混入高度增加越明显。 当尾砂浓度为80时， 尾砂溶液的黏结强度较大， 尾 砂溶液混入到白云岩中的量较少， 不会出现明显的尾 砂与白云岩混杂区域； 当尾砂浓度≤70时， 尾砂基本 呈粉末状， 尾砂颗粒间的黏结强度减弱， 随着白云岩 粒径的增大， 尾砂混入高度以及混入范围均呈增大趋 势； 当尾砂浓度≥90时， 随着尾砂浓度增加， 尾砂溶 液的流动性增强， 溶液静置会出现离析现象， 尾砂溶 液的可塑性变弱； 当尾砂浓度≤60时， 尾砂均以液体 形式混入到白云岩孔隙内， 此时尾砂溶液已无法储存 在白云岩散体之上。根据上述试验结果， 本研究认为 合理的尾砂充填浓度范围为70～80。 3. 3尾砂充填可行性分析 由尾砂渗透特性试验结果可知， 随着尾砂浓度 降低， 混入高度基本呈现出先降低后增大的趋势。 当尾砂浓度降低至60时， 可以认为此时尾砂的混 入趋于无穷大， 则尾砂浓度w与混入高度h之间的关 系可表示为 h a1w2 b1w c1 w - 0.6 ，（1） 式中，a1,b1,c1为计算系数。 随着白云岩孔隙度的增大， 尾砂混入高度呈增 4 ChaoXing 2019年第11期曹建立等 孟家堡子铁矿岩移控制方法研究 加趋势， 则白云岩孔隙度n与混入高度h的关系可表 示为 h a2nb 2 c2，（2） 式中，a2,b2,c2为计算系数。 随着白云岩降落高度的增大， 尾砂混入高度呈 增加趋势， 则白云岩降落高度Hj与混入高度h之间的 关系可表示为 h a3H b3 j c3，（3） 式中，a3,b3,c3为计算系数。 结合式 （1） 、 式 （2） 与式 （3） ， 本研究构建的尾砂 混入高度预测模型为 h a1w2 b1w c1 w - 0.6 a2n b2 c2a3H b3 j c3.（4） 将试验所得数据按式 （4） 进行了回归分析， 得到 尾砂混入高度的预测表达式为 （回归相关系数R2 0.962 55） h 2.18w2- 3.32w 1.27 w - 0.6 143.37n 11.64 - 0.006 88.34H 1.46 j 1 041.85. 5 矿山废石覆盖层的平均厚度约150 m， 深部矿体 开采结束后， 散体下降高度Hj最大为100 m； 矿山废 石散体覆盖层中岩块的主要分布粒度为6～20 mm， 因 此废石散体的孔隙度取两者的平均值为 46.3， 即 n 0.463； 合理的尾砂充填浓度范围为70～80， 即 w 0.7～0.8。将相关数据代入式 （5） ， 可得 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ h70 2.18 0.72- 3.32 0.7 1.27 0.7 - 0.6 143.37 0.46311.64- 0.006 88.34 1001.46 1 041.85 130.76 m h80 2.18 0.82- 3.32 0.8 1.27 0.8 - 0.6 143.37 0.46311.64- 0.006 88.34 1001.46 1 041.85 42.36 m . （6） 根据上述计算结果， 70～80浓度下的尾砂混 5 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 入高度范围为130.76～42.36 m， 而目前覆盖层最小厚 度为142 m， 大于尾砂混入高度值， 证明采用尾砂充 填地表塌陷坑是安全可行的， 综合考虑安全因素， 将 现场塌陷坑充填用尾砂充填体的质量浓度确定为 75～80。 4地表塌陷区尾砂充填方法 矿山主要采用废石对地表塌陷坑进行充填， 充 填线路已经形成 （图10） ， 共有两个充填平台， 综合考 虑对竖井的保护作用， 研究确定首选1排岩口作为主 要尾砂充填平台， 在尾砂存量十分充足的前提下可 以采用两个平台同时充填。 具体充填方法为 以1排岩口作为充填通道， 卡 车采用倒退式倾倒充填， 在塌陷坑边帮设置挡车矮 墙， 防止卡车陷入塌陷坑中， 充填体的堆积形式以 42-3号勘探线为界分为两部分， 42-3号勘探线西南 部按照平均堆积高度30 m进行尾砂斜面充填， 斜面 倾角为18， 斜面倾角最低端到达40-4号勘探线所在 位置； 42-3号勘探线东北部进行饱满充填， 即将塌陷 坑分为斜面充填区与饱满充填区。各勘探线所在位 置尾砂充填高度分布情况见图11， 饱满充填区的充 填高度为60 m， 充填水平面积约2 500 m2， 斜面充填 区充填面积约5 600 m2。排岩口沿斜面向塌陷坑方 向推进， 达到最大充填位置高度后， 对尾砂充填体进 行压实， 保证铲运机在其上部能够稳定作业。 充填作业顺序如图 12 所示。先垂直走向推进 （图12①） ， 满足充填高度要求后， 向饱满充填区充填 （图12②） ， 满足充填高度要求后， 向斜面充填区充填 （图12③） ， 保证饱满区的充填进程超前斜面充填区， 这样三向协同充填向上盘边壁推进， 利用三向充填 体的相互支撑作用来保障充填作业面的稳定性。饱 满区充填完成后， 以42-3号勘探线为界， 将处于界限 位置的饱满区作为充填平台， 对斜面充填区实施全 面充填， 直到满足充填高度要求为止。 5结论 （1） 孟家堡子铁矿深部矿体开采将导致岩移朝 向竖井侧移动15～20 m， 由于竖井保安矿柱按照20 m 的安全距离进行圈定， 深部矿柱开采引起的岩移必 将对竖井构成安全威胁。 （2） 通过现场实测塌陷坑临界散体柱高度， 得到 临界散体柱高度约占塌陷坑内散体总高度的1/3， 在 矿山开采中只要保证该比例关系， 即可保证地表塌 陷范围在当前稳定状态下不会发生扩张。 （3） 尾砂渗透试验表明， 随着散体降落高度的增 加， 尾砂混入高度整体表现为增加， 散体粒径越大， 尾砂混入高度增加越明显。给出了受散体下落高度 影响的尾砂混入高度计算公式， 证实了尾砂充填在 矿山应用的可靠性， 进一步确定的合理尾砂充填浓 度为75～80。 6 ChaoXing （4） 基于尾砂渗透性试验成果， 提出了沿塌陷坑 轴向与径向三向协同充填方法， 利用尾砂充填体的 侧向承载力， 保障竖井稳固与控制地表岩移， 实现矿 山安全、 绿色、 高效开采。 参 考 文 献 袁海平， 王继伦， 赵奎， 等.采空区形态对地表塌陷分布影响 研究 ［J］ .金属矿山， 2011 （11） 25-28. 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