磷礦山地下轉露天原采空區危害治理研究

徐明生，申 延，李壽山，孫貴東

磷礦山地下轉露天原采空區危害治理研究

徐明生1，申 延2，李壽山2，孫貴東2

(1.貴州開磷設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081；2.中藍長化工程科技有限公司，湖南 長沙 410083)

甕福磷礦磨坊礦因早期地下開采留下眾多采空區，由于b礦層磷礦的優勢性，需要對原采空區礦柱采用露天回采。通過研究討論地下轉露天原采空區處理方法，結合工程實際分析，針對原采空區采用露天深孔爆破強制放頂方法進行處理，結合理論力學方法計算采空區頂板最小安全厚度，建立其與采空區跨度之間的對應關系，為指導該礦露天生產和維護作業人員及設備安全打下了基礎。

地下轉露天；采空區處理；采空區跨度；頂板安全厚度

0 引 言

貴州甕福磷礦磨坊礦主要為露天開采礦山。在1990年代民采活動泛濫，普遍存在采富棄貧現象，資源浪費極其嚴重。因此該礦山組織進行地下開采和露天開采聯合方式回采邊角礦石。由于地下開采采用房柱法回采磷礦資源，造成礦山回采率低，貧化率高等現象，并在地下殘留大量礦柱和采空區。經過多年的地應力構造運動，地表已出現多處塌陷和開裂，嚴重影響礦山安全開采。同時，該礦山賦存礦體為b層礦，品位高且非常適合下游加工。鑒于該礦山每年b層礦存在較大需求缺口，企業提出在平均剝采比合理的情況下，根據紫金礦業地下轉露天開采的成功經驗，采用露天開采方式回采淺部資源并處理原有采空區。

但地采過程中形成的采空區對上部露天開采作業的人員和設備構成極大威脅[1]，因此進行地下轉露天開采，技術上要以如何安全處理原有采空區為前提[1-2]。

1 地下轉露天原采空區處理

1.1 地下轉露天原采空區處理方法

地下開采轉露天開采過程中，地下空區的處理方法主要有4類[3]：

（1）巷內強制崩落充填采空區。崩落后的頂板巖石充填采空區，這種方法適用于地下巷道系統完善，人員便于進出，通風條件良好，圍巖穩固情況下的空區處理。但是由于巖石松散程度不同，難免造成部分空區未填實，當上部礦體露天開采時，人員和設備仍可能出現陷落危險。

（2）露天深孔爆破強制放頂處理采空區。在地表進行穿孔爆破作業，其工藝和露天開采爆破工藝相同，采空區上面臺階穿孔爆破，炮孔設計為兩部分，上部為柱狀裝藥，爆破方法同普通臺階，為側向爆破；下部是球狀藥包，為下向漏斗爆破，爆破后，原采空區頂板崩落充填空區。這種方法適用于地下采空區復雜，不便于人員進出，通風條件不好，圍巖穩固性差，走向長度大，寬度較小的空區處理。為保證上部露天開采安全，避免穿孔作業時頂板強度不夠導致垮塌，往往要對采空區頂板留有一定的安全厚度，安全厚度過小會出現頂板垮塌現象，安全厚度過大，會浪費炸藥和影響放頂效果，因此計算合理的頂板安全厚度為此方法的關鍵。

（3）頂板覆巖硐室爆破法強制處理地下采空區。從地表向空區頂板方向掘進小豎井，在頂板上部形成藥室，采用硐室爆破法對采空區頂板放頂。這種方法適用于上部覆巖較厚，巖層穩定，寬度較大的空區處理。雖然這種方法安全可靠，但較之上述兩種方法炸藥耗量大，成本較高，并且需要形成硐室工程，施工難度較上述工藝大。

（4）尾砂膠結充填處理采空區。通過充填系統，將尾砂膠結充填料漿充填至采空區，這種方法適用各類巖性的大范圍采空區，露天作業時，人員和設備可以保證安全，但是此方法要求礦山有充填系統，并且空區處理成本較上述方法高。同時由于采空區處理完畢后，膠結充填體隨著露天坑開采的延深需要開挖剝離，容易增加礦石貧化率，也會造成成本的二次浪費。

1.2 磨坊礦地下轉露天原采空區危害治理方法

甕福磷礦磨坊礦處理完地下原采空區后，進而通過露天開采方式繼續開采磷礦資源以及回采原地采房柱法形成的礦柱。目前該礦地下原有巷道除維護和抽排水工作外，已不便于人員進出，并且預計通風條件較差。在上述4種地下轉露天原采空區處理方法中，從安全和成本角度綜合對比分析，原采空區處理更適合采用露天深孔爆破強制放頂處理采空區。礦山企業通過科學方式探測采空區范圍、位置、大小及形狀后即可實施。這樣既不影響露天開采工作進度，也不會給人員設備留下安全隱患，唯一需要考慮的問題是如何科學合理地確定頂板安全厚度。

2 地下轉露天頂板安全厚度研究

確定地下采空區頂板的安全厚度，是為露天采剝工作提供安全穩定的作業條件，保證安全生產的前提[4]。

計算采空區頂板最小安全厚度可采用有限元法、理論力學法、極限分析法、數值模擬法等。其中理論力學法相對其他方法應用范圍較廣，計算較為簡便，計算的參數在工程中可快速運用到實際施工，因此本文用理論力學法對地下轉露天頂板安全厚度進行計算及合理的確定[5]。

2.1 巖石力學參數確定

該礦地質詳勘報告提供了詳細的巖石力學參數，但僅為實驗室數據。在工程實際中，巖體存在結構面、充水等不良地質影響，巖體強度弱于巖石強度。因此在做工程計算時，有必要對巖石力學參數做適當的工程折減[5-10]，以確保理論分析與計算盡量符合工程實際。

本次理論分析與計算中使用的主要巖體力學參數見表1。

2.2 不同計算結果綜合分析

根據現場實際采空區統計，采場高度8 m，采場跨度為4~25 m。計算過程中，一般安全系數取1.3，但考慮露天大爆破對地下礦柱會造成爆破震動影響，因此本文計算時，安全系數取1.5。

表1 某磷礦工程巖體力學參數

對于采空區頂板安全厚度計算，即使采空區跨度相同的條件，采用不同的計算方法其計算結果也不同。為此，本文采用文獻[5]所述5種理論進行計算，得到不同計算方法下頂板安全厚度與采空區跨度之間的關系，如圖1所示，具體計算結果如表2所示。

圖1 不同計算方法頂板厚度與采區跨度關系

表2 不同采空區跨度應用不同理論計算的頂板安全厚度

從表2可以看出，結構力學梁理論得出的計算結果值偏大，較為保守，而采用普式拱理論計算的頂板安全厚度值相對較小。采用厚跨比理論、魯佩涅伊特理論和荷載傳遞交匯線理論計算出的頂板安全厚度整體趨勢和結果均偏差不大。對于采空區形狀、尺寸、巖性等極其復雜，不論是經驗類比、還是經過抽象的理論方法，都不可能與真實情況完全吻合。同時，理論方法存在著適用范圍問題，其單一結果只能作為參考。因此有必要對各類方法進行綜合，形成一種綜合判別法，更有效地指導礦山工程。在實際操作中，根據現場實際，對空區進行歸類，利用不同方法可得到不同的安全厚度值；如果多個方法得到的值比較接近，則結果可信；如果某一個或幾個方法所得結果偏離較大，則需要進行驗算和工程實驗確定最終結果。

根據磨坊礦段施工現場實際情況，頂板巖層條件很好，因此綜合上述計算結果進行分析與研究，最終推薦確定其采空區跨度與頂板巖層的最小安全厚度對應關系如表3所示。

表3 不同采空區跨度下頂板巖層最小安全厚度推薦值

采用深孔臺階爆破崩落放頂對地下原采空區進行空區處理，以推薦的采空區頂板安全厚度值，作為確定采空區上方最后一個穿孔爆破作業臺階高度的依據。在深孔爆破的同時，根據采空區探測情況，合理的確定其頂板安全厚度，可提高其采礦安全性。

3 結 論

甕福磷礦磨坊礦段因早期地下開采留下眾多采空區，由于b礦層的品質優勢，需要對原采空區礦柱采用露天開采的方式進行回采，但原采空區處理困難，對露天礦的安全生產造成威脅。通過多種地下轉露天開采空區處理方式的討論與分析，最終確定該礦采用露天深孔爆破強制放頂處理采空區。由于該方法要求采空區頂板留有一定的安全厚度，因此采用不同理論計算方法對其最小安全厚度進行計算，根據計算推薦值并結合現場勘查，可以確定目前開采的0～2+150勘探線之間的礦體，露采作業是安全的。

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(2019-05-07)