崩落法和充填法聯合開采在金山店鐵礦的應用研究

梅甫定 王如坤 夏 鴻

(1.中國地質大學工程學院;2.武鋼礦業公司金山店鐵礦)

崩落采礦法因生產效率高，生產成本低等優點而被大多數地下礦山廣泛采用，其中地下鐵礦尤為突出，采用此法采出的鐵礦占總量的85%以上。但是崩落采礦法在落礦或回采過程中，通過崩落圍巖(覆巖)進行地壓管理，造成地表塌陷，不僅需要巨額的搬遷費用，也破壞了大量寶貴的土地資源［1］。而充填采礦法在控制地表下陷方面具有良好的效果，而且尾礦也得到充分利用，降低了尾礦對環境的污染;缺點是成本較高。隨著國家和企業安全生產和環境保護意識的提高，越來越多的地下礦山企業開始采用同區段崩落法和充填法聯合開采的方法，金山店鐵礦就是其中的一個典型代表［2-3］。本研究就金山店鐵礦東區的實際情況對將要采用的崩落法和充填法聯合開采的可行性進行全面的研究。

1 礦山概況

金山店鐵礦位于湖北省大冶市金山店鎮，具有得天獨厚的礦產資源，是武鋼的主要原料基地之一。目前金山店鐵礦主要由張福山和余華寺兩大礦區構成。張福山礦區以25#勘探線為界分為東、西2個區，25#勘探線以東稱為東區，25#勘探線以西稱為西區。

1.1 礦山地質概況

金山店鐵礦處于新華夏系第二隆起帶的次級構造鄂城、大磨山主體復合隆起帶與過渡地帶連接部位，屬于接觸交代型鐵礦床，共分布大小100個礦體;其中Ⅰ和Ⅱ號礦體規模較大，占礦床探明儲量的90%以上。Ⅰ號礦體隱伏于地下，礦體形態較簡單規則，呈似層狀，其厚度為20～80 m;Ⅱ號礦體位于Ⅰ號礦體下盤，相距10～120 m，礦體厚度為10～150 m。

1.2 生產現狀

1.2.1 開拓系統

張福山礦區采用豎井開拓，主要井筒有新主井、中央主井、中央副井、東副井、西副井、西風井。新主井承擔整個礦區的礦石提升任務，中央主井現改為進風井，中央副井提升人員、材料、下放設備，東、西副井分別作為東區回風井和西區進風井。

1.2.2 采礦現狀

1.2.3 運輸提升系統現狀

礦山采用環行運輸方式，礦、廢石由溜井經振動放礦機裝入底側卸式礦車，經電機車牽引到卸礦硐室，分別翻入礦、廢主溜井，經重型板式給礦機放入－480 m水平的顎式破碎機，溜入下部礦倉，再經重型板式給礦機放到－520 m水平的膠帶輸送機上，最后裝入新主井箕斗提升到地表。

1.3 目前遇到的問題

為緩解西區采場壓力和尾礦庫庫容不足的壓力以及減少地表搬遷費用，欲在東區－410 m水平以上采用充填法和崩落法聯合開采的采礦方法，具體方案是－312 m以上仍維持原有的采礦方法不變，即無底柱分段崩落法;－312 m以下至－410 m采用上向水平分層塊石膠結充填法，見圖1所示。但是該方案是否可行，如何優化布置采場，控制地表下陷的效果如何以及如何確定2種采礦方法之間銜接層的安全厚度都是需要在方案實施前解決的問題。

圖1 上向水平分層充填示意

2 采場布置

2.1 采場要素

圖1所示，礦塊沿礦體走向布置，階段高度70 m，礦塊長度為50 m，寬度為礦體厚度，分層尺寸為3.5 m×6 m(高×寬)。

2.2 采準方式

根據礦山現有的開拓系統，采用下盤采準方式。階段內設置階段溜井，溜井底部設置振動出礦機，礦石經階段平巷及主井運往地表。

2.3 主要采準工程

(1)斜坡道。－340 m至－410 m斜坡道現已設計，并與各已建分段相通，－270 m水平到－340 m水平采用新增斜坡道與各分段聯通。

(2)階段沿脈運輸巷。礦車在－340 m水平階段沿脈運輸巷溜井口裝礦，經階段運輸平巷及主井運至地表。

(3)分段聯絡道。分段聯絡道沿礦體走向布置，服務于整個水平采場，斷面規格為3.8 m×3.5 m，距礦體下盤距離為33 m;分段聯絡道與采場聯絡道連接的轉彎半徑為6 m。

從仿真結果可以看出，在仿真時間為2s時，負載越大，流經液壓缸的流量越小，說明泄漏量越大，越影響活塞速度的大小。

(4)采場聯絡道。每個分層均布置1條采場聯絡道，溝通采場和分段聯絡道。其中，下向采場聯絡道坡度為8°，上向采場聯絡道坡度為12°。

(5)充填回風天井。在采場中央位置，沿礦體布置充填回風天井，以改善采場的通風與充填效果，斷面規格為1.0 m×1.0 m。充填回風天井聯通充填回風巷道和分層采場，污風經該井排至充填回風巷道。

(6)卸礦溜井及卸礦橫巷。整個階段共用1個卸礦溜井，斷面直徑尺寸為3 m，根據鏟運機的有效運距，選擇溜井間距為100～120 m。卸礦橫巷為卸礦溜井與分層聯絡道連接的通道，斷面尺寸為3.8 m×3.3 m。

(7)切割工程布置。在底部的上部掘進拉底巷道(3.8 m×3.3 m)，并以此為自由面擴大至礦塊邊界，形成拉底空間，并將崩下的礦石用鏟運機運走。形成一定高的拉底空間后，即可向上分層回采、分層充填。

3 確定地表陷落、移動范圍

3.1 地表陷落、移動范圍的繪制步驟

(1)選擇25#、32#、34#、39#勘探線的剖面作為二維有限元數值分析的計算剖面。

(2)針對各個剖面分布確定開采引起的地下松動區。這個松動區的范圍包括采空區以及采空區周圍的破損區，在破損區內將會發生塌落或較大的位移，而在松動區外的巖體則有自成平衡的穩定趨勢。

(3)從松動區南北邊界最寬的位置M和N作鉛垂線，它們與地表交點A、B之間的部位確定為陷落區，如圖2所示。

圖2 地表陷落、移動范圍的確定

(4)在從M、N向地表作鉛垂線時與－252 m的水平線相交于P、Q點。從P、Q向礦體外作2條射線PC、QD，它們與水平線的交角分別取用金山店西區－270 m開采高程時上盤的移動角58°和下盤的移動角70°，這2條射線與地面的交點C、D之間的部位確定為移動區。

(5)在上述25#，32#，34#，39#4個剖面上點C、D(對應于移動區)，A、B(對應于陷落區)以及基于礦體走向范圍的基礎上，可以圈定出一直采用崩落法開采和采用崩落法和充填法聯合開采地表陷落范圍和移動范圍。

3.2 結果分析

采用崩落法和充填法聯合開采法地表陷落、移動范圍見圖3，全部采用崩落法地表陷落、移動范圍見圖4所示。

圖3 崩落法和充填法聯合開采法地表陷落、移動范圍

(1)由圖3可以看出，采用崩落法和充填法聯合開采，只有火車站一半和鐵路的一段在地表陷落、移動區內，需要搬遷;而張福山村和水庫都在地表陷落、移動范圍之外，幾乎不受地表沉陷的影響，因此不需要搬遷。

圖4 崩落法地表陷落、移動范圍

(2)由圖4可以看出，若一直采用無底柱分段崩落法，地表陷落、移動范圍向北擴展很小，主要向南、向東擴展，不僅火車站的大部，鐵路仍在地表陷落、移動范圍之內，而且張福山村和水庫大部分也進入地表陷落、移動范圍，安全得不到保障，不得不進行搬遷。因此，崩落法和充填法聯合開采對于保護張福山村和水庫，減少征地搬遷費用具有重要意義。

4 確定銜接層安全厚度

由于上部實施崩落法開采，下部實施充填法開采，2個開采區域必然存在一個銜接層，此銜接層主要是在下部充填法開采時作為礦房頂板存在，該銜接層不僅要承受自重荷載，還要承載上部逐步崩落圍巖的重力。因此，銜接層必須有合適的厚度以保證它自身的穩定性。根據采場布置可知充填法形成空區(也就是礦房)的跨度為60 m，高度為14 m。而空區頂板的穩定性主要取決于空區的跨度，根據以往大量的經驗，跨度60 m的空區，上部覆巖厚度在50 m左右為安全的，但這跟圍巖的性質有很大的關系，因此，選取了30、40、50、60 m厚度銜接層進行數值模擬，以尋找不產生破壞的最小銜接層厚度。

4.1 數值模擬［4］

根據地質資料及開拓縱投影圖，模型中部有60 m寬的空區，模型寬度為300 m(滿足圣維南原理)。銜接層上部至地表由于崩落法開采會塌陷至地表，模擬中把上部預計的塌陷體按照集中荷載的方式加到銜接層上。此外，模型網格大小為3 m×3 m，數值模擬結果如圖5、圖6所示。

4.2 結果分析

圖5 不同厚度銜接層塑性區分布

圖6 不同厚度銜接層z方向位移圖

(1)從圖5中可以看出，30 m厚度的銜接層上部和下部都產生了較大的拉應力，超出了巖體的抗拉強度，并且較大的應力基本上存在于整個銜接層中，這說明銜接層極不穩定。當銜接層厚度加大到40 m時，其上下部應力分布明顯減小，產生的拉應力小于巖體的抗拉強度，說明此時的銜接層是穩定的。當銜接層厚度繼續加大到50 m和60 m時，應力的數值和分布范圍都進一步減小，說明銜接層在大于40 m厚度的情況下都是穩定的。

(2)從圖6中可以看出，30 m厚度銜接層z方向的位移相對較大，40 m厚時位移有所減小，但50 m和60 m厚時位移又增大，這可以解釋為30 m厚時銜接層因受到嚴重破壞而位移量較大，40 m厚時銜接層破壞程度較輕因而位移量減小，而到50 m、60 m厚時，銜接層雖破壞程度進一步減小，但由于自身重力的增加致使銜接層兩幫的支撐位置會產生較大的壓應力，從而有較大的豎向位移。從銜接層模擬z方向位移圖中也可以看出，40 m是最佳厚度

(3)綜上所述，40 m厚的銜接層不僅是穩定的，而且z方向上的位移也最小，因此，將銜接層的安全厚度確定為40 m是合適的。

5 結論

(1)通過研究表明，在金山店鐵礦東采區采用崩落法和充填法聯合開采是可行的，采用上向水平分層塊石膠結充填法進行充填，可有效控制地表下陷，保護地表建(構)筑物和水體，節省征地搬遷的費用。

(2)通過數值模擬的方法得出崩落法和充填法之間銜接層的安全厚度為40 m，不僅可保證開采的安全性，而且可以獲得最大采出率，減少資源的浪費。

(3)隨著國家對安全和環境的日益重視，科技礦山、無廢礦山、綠色礦山已成為大勢所趨，作為一種安全、環保的采礦方法，崩落法和充填法聯合開采將會在越來越多的礦山企業得到應用，本研究能為類似礦山提供一些有益借鑒。

［1］ 劉曉云，熊綿國.金屬礦崩落法改充填法開采可行性評價指標及權重研究［J］.現代礦業，2011(5):10-13.

［2］ 王湘桂，唐開元.礦山充填采礦法綜述［J］.礦業快報，2008(12):1-5.

［3］ 徐文彬，宋衛東，杜建華，等.崩落法轉階段嗣后充填法采場穩定性分析［J］.北京科技大學學報，2013，35(4):415-422.

［4］ 杜國棟，李 曉，韓現民，等.充填采礦法引起的地表變形數值模擬研究［J］.金屬礦山，2008(1):39-43.