高速公路壓覆礦體協同開采設計

李潔慧

(湖南有色金屬研究院， 湖南 長沙 410100)

高速公路壓覆礦體協同開采設計

李潔慧

(湖南有色金屬研究院， 湖南 長沙 410100)

協調好資源節約與綜合利用、安全之間的矛盾，是實現高速公路壓覆礦體協同開采的重要途徑。以湖南某大型鉛鋅礦為例，分析了礦山開采沉陷的影響因素，根據確定的開采移動角和安全保護帶寬度等，圈定了高速公路壓覆礦體范圍，并開展高速公路壓覆礦體協同開采設計。結果表明：在采用機械化上向水平分層充填采礦法和自下而上開采順序的前提下，根據 “三帶”基礎理論確定最高回采標高，留設合理安全隔離礦柱，既能保證井下開采的安全，又大大減少了壓覆資源量，推動了企業可持續發展。

壓覆礦體；開采沉陷；協同開采;“三下”開采

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，近年來，高速公路穿過礦區上部的現象也越來越普遍。一方面，為保證高速公路運行及井下開采安全，需壓覆礦產資源；另一方面，壓覆資源量太大，造成了國家寶貴的礦產資源浪費和制約了礦山企業的可持續發展[1]。因此，在資源節約與綜合利用，以及安全成為當代主題的今天，如何協調好這兩者的矛盾，實現壓覆礦體的協同開采，是高速公路壓覆礦體開采要解決的首要問題[2]。

我國對高速公路壓覆礦體的開采研究和應用較多，且獲得了寶貴經驗[1-5]。目前，為控制地表巖移和實現協同開采，高速公路壓覆礦體安全開采一般采取兩大保護措施：一是根據 “三帶”基礎理論[6]，留設一定厚度的安全隔離礦柱；二是采用合理、可行的開采工藝。

以湖南省某鉛鋅礦為例，開展高速公路壓覆礦體協同開采設計。該鉛鋅礦為一個生產礦山，礦區新探明豐富的鉛鋅深部資源，礦床規模為大型，礦體埋藏深度超過800 m。同時，一條省內高速公路線路以幾乎平行勘探線方向從該礦山新探明區域通過，給礦山的安全和資源開發利用均造成了影響。

1 工程概述

礦山設計生產能力為5000 t/d(1650 kt/a)，開采方式為地下開采，開拓系統為主、副豎井，中段運輸采用電機車方式，充填采用分級尾砂膠結系統。

礦體類型為鉛鋅原生礦，形態為層狀、似層狀，賦存標高+86～-1104 m，平均傾角76.5°，平均厚度12.3 m，走向長度1.82 km，平均品位：Pb 3.21%，Zn 4.95%，伴生Ag 86.5 g/t。

礦體及圍巖均為白云巖，巖性組合單一，巖層產狀陡，質地堅硬，抗壓強度大(f系數為8～12)，抗剪強度高，遇水不軟化，穩定性好，斷層構造和大的節理裂隙不甚發育，總體工程地質條件有利，礦床屬于碳酸鹽巖為主、層狀可溶鹽巖類、工程地質條件中等類型的礦床。

礦區外圍有一條河流，該河流是礦坑的主要補給源。同時，礦內構造斷裂破碎帶和巖溶較發育，地下水埋藏淺，礦體位于當地侵蝕基準面以下；主要充水含水層在淺部巖溶較發育，富水性中等，深部巖溶弱發育，富水性較差；但巖溶水具有較高水壓、水文地質邊界條件較復雜，且可能產生巖溶地面塌陷、地面沉降變形等問題，水文地質條件為中等偏復雜類型。

2 開采沉陷影響分析

(1) 覆巖力學性質的影響。該礦覆巖主要為白云巖，屬堅硬巖石，穩固性好，開采時巖層及地表移動影響特征為：隨著采空區懸掛面積增大，地表易產生非連續性變形；巖層及地表下沉量小，拐點平移距大；在急傾斜礦層開采條件下地表易出現塌陷坑或塌陷漏斗。

(2) 礦體傾角的影響。礦體傾角為急傾斜，下沉盆地的非對稱性十分明顯，下山方向影響范圍遠遠大于上山方向影響范圍。隨著礦體傾角增大，最大下沉點位置逐漸移向礦體上山方向，傾斜剖面形狀由對稱的碗形逐漸變為非對稱的瓢形，急傾斜礦體開采時不出現充分采動情況，最大下沉值隨回采階段垂高的增加而增大。

(3) 開采厚度/深度的影響[6]。一般來講，地表移動變形值即與開采厚度成正比，與開采深度成反比。常用深厚比作為衡量開采條件對地表沉陷影響的粗略估計指標，深厚比較大，地表移動變形值越小，移動和變形就越平緩：深厚比較小，地表移動與變形就越劇烈。

(4) 采礦方法的影響。對于高速公路下礦體的安全回采，必須采用充填采礦法。充填法開采對覆巖破壞較小，一般只引起開裂性破壞而無冒落性破壞，能夠減小地表移動量，并使地表移動和變形更為均勻。地表移動量大小與所采用的充填方法、充填材料、充填體壓縮率以及頂板巖層發育程度有關。高濃度分級尾砂膠結充填體壓縮率最小，廢石充填或廢石與尾砂混合充填體壓縮率較大。

(5) 疏干排水的影響。結合礦山實際，隨著深部采礦巷道的開拓，形成的降落漏斗在不斷擴大，原來位于第四系中的地下水位將下降至基巖頂面以下，從而疏干第四系中的地下水。故隨著地下水位的降低，第四系土層就開始了壓縮沉降。目前，壓覆礦體第四系土層大部分已經疏干，第四系粘土層已經開始排水固結，隨著時間的增長，這種固結最終將趨于穩定，地面沉降量也將逐漸減小，預計深部采礦排水所引起的第四系土層排水固結沉降量不會太大。

3 高速公路壓覆礦體圈定

3.1 開采移動角

根據礦體的賦存形態、工程地質和水文地質條件，地表地形、構造及地表建筑構造物等情況，考慮到所選用的采礦方法，采用工程類比法，參照類似礦山地表巖移實測資料，最終確定礦山開采移動角為：上盤68°，下盤72°，兩翼68°。

3.2 安全保護帶寬度

根據《有色金屬采礦設計規范》(GB50771)和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》的規定，高速公路保護等級為Ⅰ級，保護帶寬度取20 m。同時，根據《公路安全保護條例》的有關規定“禁止在公路用地外緣起向外100 m、中型以上公路橋梁周圍200 m范圍內，從事采礦、采石、取土、爆破作業等危及公路、公路橋梁、公路隧道、公路渡口安全的活動”。

對于上述不同的規定，根據取“最大值”原則，高速公路安全保護帶寬度取100 m。

3.3 壓覆礦體的圈定

根據確定的開采移動角、安全保護帶寬度和高速公路線路布置情況(高速公路幾乎平行0號勘探線穿過礦區)等來圈定壓覆礦體的范圍，見圖1。

圖1 高速公路壓覆礦體立面范圍

高速公路壓覆礦產資源儲量估算常用的方法有地質塊段法、剖面法、垂線法、數字標高投影法等[7-8]，根據礦體賦存特征、工程類型和開采方式等，該鉛鋅礦區采用地質塊段法估算資源儲量，在垂直縱投影圖上劃分塊段，能較客觀地反映礦體形態。

一般情況下，為保護高速公路的安全，高速公路壓覆范圍內的礦體須留作保安礦柱，不能回采。通過計算，總的壓覆地質礦量為1486.5萬t，Pb金屬量477166 t，Zn金屬量735817 t，Ag金屬量1286 t。

但是，考慮到壓覆資源量太大，必須開展協同開采設計，即在采用充填采礦法等技術前提下，借鑒煤礦“三下”開采經驗，以最大限度回收寶貴礦產資源，同時確保井下安全回采。

4 協同開采設計

4.1 采礦方法

礦區為公路下開采，對開采安全要求較高，同時，礦石品位較高，宜采用充填采礦法。根據礦體的形態及賦存條件、礦體及其頂底板圍巖情況，確定采礦方法及其采場結構參數如下：

(1) 沿走向布置的機械化上向水平分層充填法。適用于礦巖穩固，急傾斜，礦體厚度<15 m的礦體。礦塊沿走向布置，長40～50 m，寬為礦體水平厚度，高為40 m(中段高度)，分層高4.0 m，分段高12.0 m，一個盤區由2～3個采場組成，走向長80～150 m，不留間柱和頂柱，留底柱6.0 m。

(2) 垂直走向布置的機械化上向水平分層充填法。適用于礦巖穩固，急傾斜，礦體厚度≥15 m的礦體。礦塊由一個礦房和一個礦柱組成。礦塊垂直礦體走向布置，長為礦體水平厚，寬30 m，高為40 m(中段高度)，礦房、礦柱寬均為15 m，分段高度12.0 m，分層高4.0 m，一個盤區由4個礦塊組成，長120 m，不留頂柱，留底柱6.0 m。

4.2 開采順序

根據開采沉陷影響因素分析結果，地表移動和變形與開采深度關系密切，隨著開采深度的增加，地表各項移動變形值減小，這是由于采深增加，地表移動范圍增加，但下沉值變化不大，地表移動盆地變得平緩，各項變形值減小，因此，在其它條件相同的情況下，地表各項變形值與采深成反比。

因此，如果采用從下而上的開采順序，先開采深部礦體，可以使地表移動盆地變緩，延長巖移時間，減小地表因巖移速度過快而產生不均勻下沉的可能。同時考慮到礦體礦量分布情況，設計采用從下而上的開采順序。

4.3 最高回采標高

從最大限度回收資源角度出發，需采用高成本的高強度膠結充填采礦法開采高速公路壓覆礦體。另外，通過疏干排水的影響分析，地采引起的冒落帶、裂縫帶不與礦區強含水層溝通，盡量做到井下疏干排水經弱含水層平緩進行，減少地采對地表高速公路的影響，特別是巖溶塌陷引起的地表塌陷。

目前，最高回采標高通過計算冒落帶和裂隙帶高度來確定，煤炭系統廣泛采用的冒落帶和裂隙帶計算公式為：

式中，Ha為安全開采深度，m；hb為保護層厚度，m，取20 m；hm為冒落帶高度，m；hd為導水裂隙帶高度，m；m為礦體厚度，m；h為采幅垂直厚度，m，充填法金屬礦山可取未接頂高度，考慮充填接頂、充填體壓縮沉降等因素，取1.5 m，；α為礦體傾角，(°)；k為冒落礦巖自由松脫的松散系數，取1.4。

根據上述公式計算的安全開采深度和最高回采標高見表1。依據計算的最高回采標高，以及中段布置情況，確定-210 m中段標高以上礦體作為永久保安礦柱，不進行開采；-210 m標高以下的礦體可以回采，但必須進行試采，并在試采中查明垮落帶和導水裂縫帶的高度以及水文地質條件變化、觀測地表移動與變形等情況，作為礦山高速公路下開采的科學依據。

表1 最高回采標高計算

據此計算的壓覆地質礦量為270.5萬t(僅占總的壓覆礦體的18.2%)，Pb金屬量86844 t，Zn金屬量133919 t，Ag金屬量234 t。

5 結 論

(1) 在采用充填法開采和優化回采順序等前提下，根據 “三帶”基礎理論，計算最高回采標高，留設合理安全隔離礦柱，可實現資源節約與綜合利用、安全的協同開采。

(2) 以某鉛鋅礦為例，通過高速公路壓覆礦體的協同開采設計，可多回收地質資源量1216.0萬t，Pb金屬量390322 t，Zn金屬量601899 t，Ag金屬量1052 t，推動了企業的可持續發展。

(3) 為進一步確保高速公路下礦體的安全開采，礦山在今后生產管理要加強監測、充填和探水等安全管理工作。

[1]方文會.高速公路壓覆煤炭資源開采的可行性分析[J].礦山測量，2014(4)：72-75.

[2]張玉法,王大剛,王昌念,等.高速公路壓覆煤炭資源節約與綜合利用探討[J].中國礦業,2012,21(4):41-44,67.

[3]侯春來，吳愛祥，王貽明.高速公路下開采的地表沉降控制與預測[J].礦業研究與開發，2016，36(5)：23-26.

[4]許宏凱，畢振東，申燕元.某銅礦壓覆區內資源回采調整方案的可行性驗證[J].黃金，2017，38(3)：44-48.

[5]江鵬飛，汪為平.黃梅山礦區壓覆鐵礦資源安全利用技術[J].金屬礦山，2007(8)：62-63.

[6]張士虎.巖層移動角在壓覆礦產資源評價中的應用[J].資源環境與工程,2014(3):326-329.

[7]李再興，徐 偉，彭 妮，等.關于壓覆礦產資源儲量估算方法的探討-以三門峽至淅川高速公路某段擬壓覆礦產資源為例[J].地下水,2014(3):148-149.

[8]岳雪波，帥志鵬，王吉祥.建設項目壓覆礦產資源評估方法探討[J].人民長江，2013，44(6)：44-46.

2017-05-19)

李潔慧(1985-)，女，湖南衡陽人，碩士，工程師，主要研究方向為采礦工藝和礦山安全，Email：99376196@qq.com。