尾礦庫下殘礦崩落法開采損失貧化控制

劉 洋 任鳳玉 何榮興 張東杰

（1.內蒙古科技大學礦業(yè)研究院，內蒙 古包頭 014010；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004）

安全高效開發(fā)殘礦從來都是礦業(yè)行業(yè)的難點問題，既能減少礦產(chǎn)資源浪費，又能夠延續(xù)礦山的生產(chǎn)年限，對于提升礦山生產(chǎn)效益意義重大［1-3］。殘礦的回采方式大體可分為兩種：一是充填采空區(qū)開發(fā)殘礦的方式；二是利用誘導冒落技術回采殘礦［4-7］。

本溪市大北山鐵礦由于礦區(qū)狹小，沒有構建尾礦庫的條件，因此選用露天坑作為尾礦庫，礦山前期選取空場法開采礦石。尾礦庫底部的標高為194 m，出于保護尾礦庫的考慮，在88 m水平回采礦體，遺留下56 m高的采空區(qū)（如圖1所示）。采空區(qū)不僅阻礙了下部礦體正常開采，同時也將造成采空區(qū)之上的資源損失。因此，將尾礦庫和采空區(qū)之間的殘礦作為回采礦體。對于此類殘礦的回采，需要尋求防控尾砂混入的回采方案，以達到安全高效的生產(chǎn)目的。本項目將其作為研究背景，提出一種尾砂防控和分段崩落相結合的殘礦回收方法，并在殘礦回采中取得良好效果。

1 礦山開采條件及方案

殘礦位于大北山鐵礦斜坡道西部，平均厚度為39 m，平均品位為29.5%，傾角為40～62°，礦石價值較低。基于大北山鐵礦殘礦的開采條件，選取無底柱分段崩落法作為采礦方法。采場結構如圖2所示。切割巷道、回采巷道及回采聯(lián)巷均為三心拱，巷道斷面尺寸為4.0 m×4.0 m（寬×高）。

2 礦石散體流動參數(shù)測定和礦巖可冒性分析

2.1 散體流動參數(shù)測定

使用達孔量實驗測定放出體形態(tài)［8］，端部放礦的散體流動參數(shù)值：α=1.628 8，β=0.076 3，k=0.084 88；α1=1.541 4，β1=0.131 2；回歸相關系數(shù)R2=0.997 2。分析可得，放出體上部較寬，下部較窄，礦石沿進路方向與垂直進路方向均有較好的流動性，有利于礦石的放出。

2.2 礦巖可冒性分析

根據(jù)點荷載試驗、結構面調查及Hoek-Brown強度準則得出大北山鐵礦礦巖力學參數(shù)如表1所示。

出礦后，采空區(qū)的臨界冒落跨度［9］為

式中，h為空區(qū)高度，m；T為準巖體抗壓強度，MPa；γ為覆巖層的容重，N/m3；Hl為空區(qū)埋深，m。

大北山鐵礦礦石容重為3.3 t/m3，尾砂容重為2.85 t/m3，開采水平上部巖層的厚度為38 m，開采水平上部尾砂層的厚度為55 m，155 m水平是誘導冒落分段，空區(qū)頂板標高約為19 m。因此，試驗采場回采時，臨界冒落跨度值：上盤圍巖＜24.42 m，鐵礦＜25.97 m，下盤圍巖＜26.12 m；當采區(qū)跨度大于26 m時，尾礦庫底部產(chǎn)生持續(xù)冒落。

3 采場工程布置

按三分段回收的原則，結合鑿巖與裝藥設備的能力，得出大北山鐵礦的分段高度為15～20 m。根據(jù)開采礦體幾何條件及滿足在頂部留一層誘導冒落礦體以延遲尾砂混入時間的要求，155 m水平作為首采分段。首采分段采用19 m高度；第二分段采用15 m高度；因為已經(jīng)形成覆蓋層，為了提高礦山的開采效率，第三分段高度采用20 m。

根據(jù)散體流動參數(shù)實驗及流動帶范圍的表達式得出［10］，首采、第二及第三分段的進路間距分別是16 m、16 m及18 m；根據(jù)礦巖散體流動參數(shù)測定得出崩礦步距的初值是1.6 m。

為了保證采場的安全，需要嚴防采空區(qū)冒落引起的周邊巖體的陷落危害，因此采準工程不能超出采空區(qū)冒落與側向崩落的邊界。根據(jù)現(xiàn)場實踐得出，初始塌陷區(qū)的巖體邊壁一般內傾，傾角一般為75～85°。由初始塌陷區(qū)的短半軸端點按傾角β作直線，與冒落拱相交（如圖3所示），交點的坐標［11］為

式中，a為空區(qū)等價圓的長半軸，m；b為等價圓的短半軸，m；c為空區(qū)頂板埋深，m；θm為初始塌陷區(qū)的短半軸與長半軸的比值，可以采用空區(qū)冒落等價圓的短半軸與長半軸的比值估算，一般為0.6～1.0；β為巖體側向崩落邊界線傾角，（°），為了保證試驗采場的安全，認為傾角等于85°。根據(jù)礦山實測數(shù)據(jù)得出：a=51 m，b=42 m，c=104 m。

基于式（4）及圖4推導的采空區(qū)的陷落形態(tài)，從而得到采場的開采界限，采場的工程布置如圖5所示。因為殘礦屬于傾斜及急傾斜礦體，且受所留誘導冒落層的影響，需要在分段之間設置一條垂直于回采巷道的下盤沿脈進路。

4 損失貧化控制

4.1 損失貧化分析

由于殘礦位于尾礦庫的下方，因此在回采過程中需謹防尾砂滲入采出礦石。首采分段，不僅需要采出部分礦石，還需要誘導頂板圍巖自然冒落，為下分段提供正常的開采條件。為了充分回收殘留礦體，第三分段需要回采更多的礦石，因此需要控制尾砂大量滲入采出礦石，造成礦石貧化和威脅井下作業(yè)安全。

4.2 首采分段損失貧化控制

155 m分段的回采面積約為2 605 m2，大于持續(xù)冒落面積530 m2；且采區(qū)跨度大于臨界冒落跨度。同時，由于該分段距離空區(qū)較近，預計在155 m分段回采后，采場頂板不但能順利冒落，并且能冒透尾礦庫底板。因此，需留設散體墊層來消除沖擊氣浪［12］。

前期放礦時，步距放礦量約為760 t。在采空區(qū)冒透地表后，為控制上部尾砂入滲，控制出礦量在1 000 t左右。至155 m分段開采結束時，各進路在回采過程中都未出現(xiàn)尾砂混入采出礦石的現(xiàn)象。155 m分段崩落礦石的回采率為57.7%，出礦品位為29.3%。

4.3 第二分段及三分段損失貧化控制

140 m分段的采場結構參數(shù)為15 m×16 m×1.6 m（分段高度×進路間距×崩礦步距）。根據(jù)尾砂穿流特性［13］得出，均勻放礦及多條進路齊頭回采可以有效避免大量尾砂混入采出礦石。因此，140 m分段選取均勻出礦和每2條進路同步后退回采。140 m分段選用低貧化的放礦方式，并選用當次廢石混入率與單一步距總放出量2項指標控制放礦［14］。當尾砂與覆蓋層的交界面高于松動體范圍時，尾砂呈現(xiàn)出整體緩慢下移［15］。因此，根據(jù)155 m分段的回采量，可以估算尾砂層和140 m分段的距離計算公式：

式中，γ為礦石的容重，大北山鐵礦礦石容重為3.3 t/m3；H為140 m分段上部的礦石厚度，H=54 m；S為140 m分段的回采面積，m2；M為回收礦石量，t；α為冒落巖體的平均碎脹系數(shù)，大北山鐵礦α是1.15。

因此，估算出尾砂層與140 m分段回采巷道頂板的距離為49.46 m，再乘以安全系數(shù)（0.8），進而得出步距放出量約為1 380 t時松動體到達尾砂與散體的交界面，即140 m分段步距最大放出量約為1 380 t。在回采過程中，當回采量為900 t時，放礦口眉線處出露廢石，至本步距回采結束時，未出現(xiàn)大量尾砂混入采出礦石的現(xiàn)象。

120 m分段的采場結構參數(shù)為20 m×18 m×1.6 m（分段高度×進路間距×崩礦步距），選取均勻出礦和每2條進路齊頭并進的回采方式，選取當次廢石混入率與單一步距總的放出量2項指標控制放礦。根據(jù)式（3）估算出尾砂層和120 m分段的距離，進而得出120 m分段回采進路的步距最大出礦量約是1 950 t。

根據(jù)試驗采場現(xiàn)場實測及中央?yún)^(qū)回采經(jīng)驗估算出，試驗采場的回采率約為80.9%，貧化率約為24.3%。因此，通過制定二次回采方案與放礦制度等一系列方法，可以基本達到正常的回采指標。

5 結論

（1）大北山鐵礦殘礦位于尾礦庫下部，采取無底柱分段崩落法開采，要防控尾砂大量混入，據(jù)開采礦體幾何條件及滿足在頂部留一層誘導冒落礦體以延遲尾砂混入時間的要求，選取155 m水平為首采分段，并提出了下盤殘留體回收措施。

（2）首采分段采用控制出礦量來防控尾砂滲入，第二分段和第三分段采用當次廢石混入率與單一步距總放出量2項指標控制放礦，根據(jù)尾砂移動規(guī)律確定出單一步距總放出量。這些措施在大北山殘礦開采中應用良好，達到的生產(chǎn)指標回采率約為80.9%，貧化率約為24.3%。