倾斜矿体分区崩落采矿法高效开采技术及应用.pdf

６６采矿工程黄金ＧＯＬＤ２０２０年第９期／第４１卷倾斜矿体分区崩落采矿法高效开采技术及应用收稿日期２０２０－０８－２０；修回日期２０２０－０８－３１基金项目国家自然科学基金重点项目（５１５３４００４）作者简介任凤玉（１９５６），男，内蒙古敖汉人，教授，博士生导师，博士，研究方向为矿山“ 三律” （散体流动规律、岩体冒落规律与地压活动规律）和破碎难采矿体的采矿方法；主持的重大项目有“ 十三五” 国家重点研发计划项目“ 金属非金属矿山重大灾害致灾机理及防控技术研究” ，国家自然科学基金重点项目“ 诱导下岩体断裂冒落时空演化” ， “ 十二五” 国家科技支撑计划项目“ 金属矿床高效地下开采关键技术研究及示范” 的“ 地下矿山新型崩落采矿技术与应用” 课题等；获得的主要奖项有国家科学技术进步奖二等奖，中国钢铁工业协会、中国金属学会冶金科学技术奖一等奖，中国有色金属工业科学技术奖一等奖，中国冶金矿山企业协会冶金矿山科学技术奖一等奖，中国黄金协会科学技术奖一等奖等；沈阳市和平区文化路三巷１１号，东北大学资源与土木工程学院，１１０８１９；Ｅ  ｍａｉｌｈａｐｐｙｒｓｔ＠１６３．ｃｏｍ任凤玉１，丁航行１，任思潼１，赵云峰２（１．东北大学资源与土木工程学院；２．西钢集团灯塔矿业有限公司）摘要崩落采矿法开采倾斜矿体存在开采强度与生产能力较低，矿石损失贫化大，地表塌陷范围大及矿山征用的土地面积大等问题，大大降低了崩落采矿法开采的经济效益，因而倾斜矿体被普遍认为是崩落采矿法应用的禁区。根据岩体冒落规律、散体移动规律与地压活动规律适应性理论，提出了基于采空区大冒落跨度的分区崩落采矿法高效开采技术，采用较大结构参数回采原生矿体，由回收进路二步回采下盘残留矿量，解决了开采效率与矿石损失贫化之间的矛盾；采用基于临界散体柱支撑理论的充填塌陷坑方法控制地表岩移范围。应用实践表明这一技术有效解决了崩落采矿法开采倾斜矿体存在的难题，使应用矿山的生产能力提高到４００万ｔ／ａ，而且采矿损失率和矿石贫化率分别控制在１４．８％和１２．６％，地表塌陷角内倾７６，实现了低贫损绿色高效开采。关键词倾斜矿体；崩落采矿法；分区开采；采空区；诱导冒落；下盘残留体；地表岩移控制中图分类号ＴＤ８５３．３６文章编号１００１－１２７７（２０２０）０９－００６６－０６文献标志码Ａｄｏｉ１０．１１７９２／ｈｊ２０２００９１０引言倾角３０～５０的倾斜中厚以上矿体，多年来一直首选空场矿石法与充填采矿法开采，其中空场采矿法的采准系数较大，生产效率低，而且底部结构对矿岩切割程度大，当矿岩稳定性差时，易遭地压破坏，造成矿石损失贫化大。例如安庆铜矿采用中深孔分段空场采矿法开采不稳固倾斜矿体时，出现了矿石损失贫化大、作业不安全、生产能力低等诸多问题［１］；玲珑金矿等采用浅孔留矿采矿法开采中厚倾斜矿体，也出现了矿石损失贫化大等问题［２］。为控制采场地压，许多矿山采用充填采矿法开采，例如九杖沟金矿中厚倾斜矿体采用分段充填采矿法开采［３］，苍山铁矿倾斜中厚矿体采用大盘区高分层充填采矿法开采等［４］。充填采矿法有效解决了安全生产问题，但采矿成本相对较高，效率较低，导致低品位金属矿床开采的经济效果较差。为了解决倾斜矿体的高效开采难题，国内许多学者对采用崩落采矿法开采进行了大量的研究工作。任凤玉等利用卸压原理，对某铜矿不稳定倾斜中厚矿体提出了分段卸压崩落采矿法［５］；王卫东等［６］对倾斜厚大矿体的回采顺序进行优化研究；郑重等［７］通过分析倾斜矿体无底柱分段崩落采矿法矿石损失原因，对采场结构及爆破参数进行了优化；韦华南等［８］提出了光面爆破与喷锚网支护巷道维护技术及损失贫化控制技术；周宗红等［９］针对后和睦山铁矿倾斜破碎矿体，提出了诱导冒落、设回收进路、采用组合放矿方式的无底柱分段崩落采矿法开采方案。但是，这些改进的分段崩落采矿法用于倾斜中厚矿体，采矿损失贫化指标、开采效率与开采强度等仍不够理想，此外，该类矿体水平投影面积大，地表塌陷控制问题也亟待解决。国内金属矿床地下开采中，倾斜矿体约占矿体开采总数的２３％，大幅提高此类矿体的开采强度，获得较好的矿石损失贫化指标，同时控制岩移减小矿山环保压力，具有重要意义。本文提出倾斜矿体的分区崩落采矿法开采技术并有效解决了相关难题，打破了倾斜矿体为崩落采矿法应用禁区的传统观念，为实现倾斜矿体的高效开采开辟了新途径。１分区开采原理与方法采空区围岩的冒落过程一般经历４个阶段初始２０２０年第９期／第４１卷采矿工程６７冒落、持续冒落、大冒落与侧向崩落（见图１）。在初始冒落阶段，采空区顶板岩石的节理逐渐扩展和相互贯通，导致岩石破坏并在自重作用下发生自然冒落；如果采空区跨度不再扩大，顶板冒落到一定高度后，形成比较稳定的自然平衡拱，在较长时间内不再发生冒落；如果采空区跨度进一步增大，则冒落再次发生，而且发生冒落的面积与冒落频率有可能随采空区跨度的增大而增加，直到采空区边界形成新的应力平衡拱为止。在持续冒落阶段，即使不再增大采空区跨度，随着时间的推移，顶板岩石不断产生阵发性与周期性的冒落，冒落高度不断增大，顶板围岩不再形成长时间稳定的应力平衡拱。在大冒落阶段，随着采空区顶板接近地表，周边岩体受剪力破坏，常以突发性形式发生较大规模的冒落，采空区与地表冒通，在地表形成塌陷坑。在侧向崩落阶段，塌陷坑周边岩石逐渐向塌陷坑崩落或滑落，采空区塌落的界线逐渐向外扩展，最后形成陷落带（见图１）。图１采空区顶板冒落过程示意图在大冒落之前，随着采空区跨度和高度的增加，采空区冒落的规模不断增大，冒落引起的气浪可能冲击到附近人员，冒落引起的岩移可能对上部人员与设备产生陷落危害；在大冒落之后，冒落散体充填了采空区，地下不再受冒落冲击危害，仅限于地表可能发生塌陷或滑落危害。在形成稳定的陷落带后，地表的塌陷或滑落危害也随之消失。从安全角度出发，在冒落危害消除的部位，相邻采场便可安全作业。基于上述分析，倾斜矿体采用崩落采矿法开采时，可根据顶板围岩大冒落时对应的采空区跨度（下称“ 大冒落跨度” ）进行分区，并留有适度的余地（见图２）。具体说，就是在上位采区的采准工程施工到下位采区时，下位采区的顶板围岩应冒透地表，使其采空区的冒落危害完全消除，此外，还应使下位采空区的承压拱不影响上位采区回采工作面，这样就可保证下位采区的冒落过程不影响上位采区的安全生产。因此，分区尺寸可具体表示为大冒落跨度与临时矿柱宽度之和。其中，临时矿柱的宽度等于本采区工作面下降速度的水平分量乘以下位采区滞后回采的时间，且临时矿柱的最小宽度不小于采空区围岩的承压拱宽度。图２分区开采示意图采空区的大冒落跨度与采深密切相关。在重力场作用下，一般接近风化层的浅部采空区，大冒落跨度主要受岩体强度与结构弱面控制，可用工程类比法确定；对于远离风化层的深部采空区，大冒落跨度主要受重力场与岩体强度控制。在常规的拱形冒落形式中，采空区顶板承受的水平压力，不足以破坏顶板岩体时，冒落便会停止。据此可推得采空区冒落高度计算式［１０］为ｈ＝ ρ ｈｚｌ２８ σ ｃδ ＋ ρ ｌ２（１）式中ｈ为采空区冒落高度（从采空区底板算起）（ｍ）； ρ 为上覆岩体平均密度（ｔ／ｍ３）；ｈｚ为采空区底板到地表的总高度（ｍ）；ｌ为采空区跨度（ｍ）； σ ｃ为岩体极限抗压强度（ＭＰａ）； δ 为顶板等价承载厚度（ｍ）。采空区的最小冒落高度，需满足采空区内冒落散体的高度不小于上分区临近矿体的顶板高度，以保证上位采区的采准工程不与下位采空区相通，此时对应的采空区跨度可视为等价大冒落跨度，外加临时矿柱宽度，即可计算出分区尺寸值。为提高开采效率，需要加大采场结构参数，并尽可能利用诱导冒落技术。但是，采用分段崩落采矿法开采倾斜矿体时，采场内矿体下盘的三角柱矿量、残留散体矿石与崩落岩石量，均随采场结构参数的增大而急剧增大。因此，通常采用较小的结构参数开采，致使生产效率低，矿石损失贫化也居高不下。为解决增大结构参数与降低矿石损失贫化的矛盾，笔者提出两步回采方法第一步，用较大的采场结构参数回采原生矿体，用下盘斜切割槽形式减小三角矿量与崩岩量（见图３）；第二步，用回收进路回采下盘残留矿量。采用大结构参数开采时，分段高度与进路间距增大后，矿石脊部残留体增大，为了便于回收，采取将下盘６８采矿工程黄金回采进路加密１倍等措施，大量回收下盘部位矿量［１１－１２］。为减小矿石贫化造成的经济损失，可在地表设置磁滑轮，甩掉部分废石，以控制入选品位。图３下盘斜切割槽布置形式根据临界散体柱支撑理论（见图４），在采空区冒透地表并形成塌陷坑后，塌陷坑内冒落的散体，向塌陷坑边壁施加主动侧应力，同时又承受边壁岩体变形挤压的被动侧应力。这种主动与被动侧应力，随散体堆高度的增大而增加，当施力散体达到临界散体柱高度时，所形成的侧应力足以克服边壁岩体的碎胀，由此支撑边壁岩体的稳定［１３］。图４临界散体柱支撑原理示意图在图４所示的条件下，由几何关系可直接得出陷落角与采深之间的关系式为 β ＝ａｒｃｔａｎｈｃｈ０（ｃｏｔ α＋ｃｏｔ β０）－ｈｃｃｏｔ α （２）式中 β 为陷落角（）； α为矿体倾角（）； β ０为错动角（）；ｈｃ为开采深度（ｍ）；ｈ０为临界深度（ｍ），等于临界散体柱高度（ｈｓ）与塌陷坑高度之和。可见，当临界深度（ｈ０）一定时，ｈｃ值越大， β 值越大；而当采深（ｈｃ）一定时，ｈ０值越小， β值越大。这表明塌陷坑的高度越小，陷落角越大。也就是说，如果向塌陷坑充填散体，使临界散体柱的位置上移，可有效减小地表塌陷范围。因此，在采空区冒透地表后，应及时向塌陷坑充填散体，以控制地表岩移范围。２分区崩落采矿法在小汪沟铁矿的应用西钢集团灯塔矿业有限公司小汪沟铁矿（下称 “ 小汪沟铁矿” ）位于辽宁省灯塔市东南３５ｋｍ处的鸡冠山乡廖家村北沟。小汪沟铁矿床为沉积变质型磁铁矿床，铁矿石产于太古界中鞍山群烟龙山组变质岩系阳起磁铁石英岩、透闪磁铁石英岩与绿泥磁铁石英岩中，矿体呈似层状、透镜状产出，局部有分支复合现象，最小厚度２０ｍ，最大厚度９０ｍ，平均厚度２４．１５ｍ。矿体倾角上陡下缓，一般２５～４０，矿体侧伏角１５～３５，走向长４００～８００ｍ，倾向最大延深４００ｍ。顶板围岩以混合岩为主，有少量云母石英岩、斜长角闪岩、绿泥石英岩，多呈块状结构，浅部风化裂隙发育。根据岩体结构面调查与岩石点荷载强度测定数据进行岩体稳定性分级，得出的矿岩稳定性级别见表１。根据矿体形态与表１参数，分析确定上、中、下３个分区同时开采方案［１４］，３个分区的首采分段分别为３００ｍ分段、２４０ｍ分段与６０ｍ分段（见图５）。上、中位采区矿体厚度较小，取分段高度１２ｍ，进路间距１０～１２ｍ，首采分段的采准工程布置形式与回采工作线形状见图６。采用进路端部口不敞空的出矿控制方式，当工作面推进到图６中③线位置时，采空区周围出现地压显现，巷道两帮出现裂缝，眉表１小汪沟铁矿岩体稳定性分级代表岩石岩体完整性系数点荷载强度（Ｉｓ（５０））／ＭＰａ抗压强度／ＭＰａ岩体基本质量指标稳定性级别稳定性特点矿体０．５６４４４．９３～７．７９７６．２９～１１１．３８４５９．９７～５６５．２５Ⅱ稳定近矿围岩０．５２２～０．６２８４．２８～４．４５６８．３２～７０．４０４２５．４６～４５８．２０Ⅲ中稳远矿混合岩０．６４０～０．７２１３．２６～５．１１５５．８０～７８．５０４１７．４０～５０５．７５Ⅱ、 Ⅲ稳定中稳闪长玢岩０．４５２２．７４４９．４２３５１．２６Ⅳ不稳定线破坏高度加大。此后，采空区顶板围岩逐渐冒落，回采到图６中④线位置时，采空区冒透地表。由此得２０２０年第９期／第４１卷采矿工程６９图５小汪沟铁矿３个分区划分位置图６３００ｍ分段回采顺序示意图出的初始冒落跨度为５５ｍ，大冒落跨度为６９ｍ。冒透地表后的塌陷区状态见图７。图７２００９年１２月１２日露天塌落状态中位采区首采分段的采空区跨度小，依靠多个分段回采提供的连续回采空间诱导上覆岩层自然冒落。每一分段均采用进路端部口不敞空的出矿控制方式，回采过程见图８。在２０１０年８月，当回采到１９２ｍ分段时，中位采空区冒透地表。在中位采空区大冒落之前，位于采空区边缘１２～１５ｍ的进路出现了地压显现，表现为顶板表面脱落、拱角片落、巷道帮被压裂等。冒落后，地压显现得以缓解。中位采区与上位采区的临时矿柱图８２００９年１２月１２日中位采区工作面的采空区状态示意图宽度为８６ｍ，中位采区采空区边缘的地压显现，未影响上位采区回采工作面的正常生产。７０采矿工程黄金上位采区与中位采区的整个冒落过程，都在作业工人不知不觉中完成，表明初始冒落形式为零星冒落。在中位采空区冒透地表后，利用地表磁滑轮甩弃的废石与新建小露天采场剥离的废石充填塌陷坑，使塌陷区随着回采工作面下移的扩展速度得到了有效控制，特别是在沿矿体倾向方向，控制后的塌陷范围远小于采空区水平投影范围。矿山２０１５年１月的实测结果为陷落角内倾７５．２９～７８．１３，平均７６．６６（见图９）。图９小汪沟铁矿中位采区塌陷范围上位采区与中位采区，采用二次回收下盘残留等措施，矿石回采率为８５．２％，矿石贫化率为１２．６％，取得了良好的矿石回收效果。下位采区矿体厚度较大，取分段高度１５ｍ，进路间距１８ｍ，首采分段为６０ｍ分段，回采进路布置形式见图１０。根据分段采空区跨度，按式（１）分析计算采空区冒落高度，并据此计算出冒落散体量。计算结果表明，在中位采区回采到下位采区边界之前，下位采区需要连续回采３个分段的矿石，才能满足冒落散体的堆积高度不小于中位采区相邻矿体顶板标高的要求。按生产进度推算，到中位采区的回采工作面降低到下位采区边界之时，下位采区可完整回采４个分段以上的矿量。因此，下位采区的位置能够满足边界矿体安全开采的要求。图１０６０ｍ分段采准工程布置形式与回采范围下位采区仍采用进路端部口不敞空的放矿控制方式，用散体隔离采空区与工作面的空间联系，确保安全生产。在６０ｍ分段回采结束后，采空区就开始冒落，到２０１５年７月２９日，采空区冒透地表，此时４５ｍ分段至１５ｍ分段已回采结束，回采工作面下降到０ｍ分段，采空区总面积约５００００ｍ２，采空区总体积约１８０万ｍ３。大冒落时，在０ｍ分段作业人员听到岩石冒落的声响，约１０ｍｉｎ后听到第二次冒落声响。几乎在冒落声响出现的同时，看到在回采进路端部涌出夹杂灰尘的气流。但是气流速度很小，主要是灰尘扩散，使附近斜坡道运输停工半小时，未影响其他生产。冒透地表后，对采空区进行了高强度充填，至２０１６年８月底，测得陷落角内倾７０．１５～７５．９４（见图１１）。图１１下位采区塌陷坑剖面图在随后的开采中，因０ｍ分段之下矿体收缩变小，采空区的宽度未再扩大；地表塌陷区随时充填塌陷凹坑，并分层堆放废石，保持塌陷区散体表面高度基本不变，结果塌陷范围未发生明显变化。截至２０１９年１０月１２日，地下回采到－７８ｍ分段，测得地表陷落角内倾７４．１９～７６．００。在以往采矿理论中，用崩落采矿法开采不允许上、下分区，原因是没有消除采空区危害的可靠方法。小汪沟铁矿基于采空区大冒落跨度确定分区尺寸，实现了上、中、下３个分区同时安全开采，将生产能力由原设计的１００万ｔ／ａ提高到４００万ｔ／ａ，同时利用塌陷区堆放废石，不仅节省了废石堆放场地，而且大大减小地表塌陷范围，取得了良好的技术效果，２０１１年被评为国家青山工程。小汪沟铁矿最大采深约３９０ｍ，按陷落角内倾７６估算，塌陷面积不足地下回采面积的１２％。而且采深越大，塌陷面积所占比例越小。可见深部倾斜矿体采用分区崩落采矿法回采＋地表充填的开采技术，可取得更好的环保型安全高效的开采效果。此外，对于分区交界部位矿体，通过调整进路方２０２０年第９期／第４１卷采矿工程７１向使之垂直于采空区边壁，采取锚网喷浆支护措施，也实现了安全回采［１４］。小汪沟铁矿的应用实践表明，用分区崩落采矿法开采倾斜矿体，可实现安全高效的开采目标。３结语采用崩落采矿法开采倾斜矿体的生产能力低、矿石损失贫化大与地表破坏范围大等难题，是开采工艺不适应岩体冒落规律与散体移动规律造成的。理论分析与小汪沟铁矿的生产实践表明基于采空区大冒落跨度的分区崩落采矿法，可有效提高倾斜矿体的开采强度；用较大结构参数回采原生矿体，由回收进路二步回采下盘残留矿量，可有效解决开采效率与矿石损失贫化之间的矛盾；基于临界散体柱支撑理论的充填塌陷坑方法，可有效控制地表岩移范围。［参考文献］［１］王林．不稳固围岩倾斜矿体回采工艺技术研究［Ｊ］．采矿技术，２００８，８（４）９－１０．［２］杜鑫，李海磊，生显军，等．玲珑金矿中厚倾斜矿体浅孔留矿法开采［Ｊ］．现代矿业，２０１３（６）７１－７２．［３］李施庆，赵兴东，陈俊池，等．九杖沟金矿区域构造带内倾斜矿体开采方法研究［Ｊ］．有色矿冶，２０１４，３０（３）１９－２２．［４］马毅敏，连民杰．倾斜中厚低品位铁矿采矿方法选择与优化研究［Ｊ］．金属矿山，２０１１（９）１２－１５．［５］李冬萍，任凤玉．不稳固矿岩条件下倾斜中厚矿体的高效采矿方法研究［Ｊ］．中国矿业，２０１２，２１（８）９１－９４．［６］王卫东，盛佳，李向东，等．倾斜厚大矿体低贫损回采顺序优化研究［Ｊ］．采矿技术，２０１６，１６（１）１４－１６．［７］郑重，赵云胜，谭宝会．倾斜矿体无底柱分段崩落法矿石损失贫化原因分析及对策［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１６，３６（５）３７－４１．［８］韦华南，古德生．岩金矿山倾斜中厚矿体开采综合技术研究［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１０，３０（３）１－３．［９］周宗红，任凤玉，王文潇，等．后和睦山铁矿倾斜破碎矿体高效开采方案研究［Ｊ］．中国矿业，２００６，１５（３）４７－５０．［１０］马姣阳，任凤玉，张庆嵩，等．基于“ 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