緩傾斜中厚磷礦體采礦方法設計及采動效應研究*

張斌，王孟來, ，李樹建, ，吳浩, ,

(1.云南磷化集團有限公司， 云南 昆明 650600； 2.國家磷資源開發(fā)利用工程技術研究中心， 云南 昆明 650600； 3.中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州市 221116)

0 引言

緩傾斜中厚礦體是指傾角為5°～30°、厚度為4～15 m的一類礦體，該類礦體在我國探明礦產(chǎn)資源中占有相當大比例，特別是在磷礦中高達86%[1]。由于這類礦體的傾角緩，礦石難以自溜、無軌設備應用受限，加之采場空頂較高不易管理頂板，以致鑿巖、支護和出礦等工序面臨諸多困難，嚴重制約礦山的安全高效發(fā)展[2-3]。

針對緩傾斜中厚難采礦體的采礦方法設計，國內(nèi)外學者開展了大量的研究，取得了一定進展。周科平等[4]考慮到緩傾斜中厚礦體開采存在地壓控制和采場礦石運搬難的特點，提出了采礦環(huán)境再造連續(xù)開采的整體方案。宋宏元等[5]采用未確知測度理論對金山金礦采礦方案進行優(yōu)化，認為分段空場分區(qū)下盤拋擲爆破充填采礦法最優(yōu)。張志貴等[6]結(jié)合瀘沽鐵礦緩傾斜中厚礦體開采條件，提出了大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法，并采用相似物理模擬試驗驗證了該方法的可行性。單寧智和任鳳玉[7]還針對松軟破碎緩傾斜中厚鐵礦體提出了設回收進路的無底柱分段崩落采礦法，并在玉石注鐵礦取得了顯著的成效。胡建華等[8]以廣西華錫集團92號礦體為研究對象，采用正交試驗方法考察了大分段大間距無底柱分段崩落法的礦石流動規(guī)律，并對放礦參數(shù)進行了優(yōu)化。趙永峰等[9]針對新疆哈密黃土坡銅鋅礦設計了二步驟房柱開采法，在工業(yè)試驗中取得了較好的應用效果。賀鋒堅等[10]借助軟件對貓場鋁礦緩傾斜中厚礦體房柱法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后采場回采率為76.32%，產(chǎn)能達到390t/d。梁家琿等[11]基于大新錳礦的特點探索了緩傾斜中厚礦體開采的工藝，采礦方法也設計為房柱法，采用中深孔鑿巖爆破，鏟運機連續(xù)出礦，崩落頂板充填采空區(qū)。葛啟發(fā)等[12]結(jié)合冬瓜山銅礦西翼緩傾斜中厚難采礦體埋深大的特點，提出了“大盤區(qū)、小分段”的設計思路，采用兩步驟回采的分段空場嗣后充填法，很好地解決了采場高地應力和落礦重力運搬等問題。王振昌等[13]運用層次分析法和多目標灰色局勢決策方法對悅洋銀多金屬礦采礦方法進行了優(yōu)選，確定了基于組合棋盤式底部結(jié)構(gòu)的緩傾斜礦脈連續(xù)采礦法。顧春宏等[14]還探討了香爐山鎢礦緩傾斜中厚礦體的采礦方法，研究提出了預切護頂中深孔落礦嗣后充填采礦法。嚴佳龍[15]針對厚大含水層下緩傾斜中厚礦體開采選擇了平底結(jié)構(gòu)分段空場嗣后充填法研究。此外，關守安等[16]綜合應用大型相似模擬試驗平臺和3DEC軟件揭示了緩傾斜中厚金礦體機械化上向進路充填采礦法的覆巖層 運移規(guī)律。

和有色金屬礦床成礦機理不同，我國70%以上磷礦資源以沉積巖型磷塊巖的形式賦存，主要位于云南、貴州、四川、湖北、湖南等地。沉積型礦床具有較好的層理特點，隨著大型采掘機械設備的相繼誕生和硬巖預裂技術的發(fā)展，緩傾斜中厚磷礦體具有實現(xiàn)非爆機械化連續(xù)開采的先天條件，顛覆傳統(tǒng)鉆爆采礦工藝在未來將會很快實現(xiàn)。目前，針對緩傾斜中厚磷礦體采礦方法研究的報道較少，它依然是困擾磷礦企業(yè)安全高效經(jīng)濟開采的瓶頸問題。侯朝富和諶衛(wèi)紅[17]針對甕福磷礦提出了點柱式充填采礦方法，發(fā)現(xiàn)比房柱法的安全性更高，并能有效控制覆巖移動和地表沉降。池秀文等[18]分析了挑水河磷礦地質(zhì)特征，設計了條帶式分層充填采礦法，并將采場結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為：充填條帶寬度為8 m，空區(qū)條帶寬度為6 m，充填材料灰砂比為1:7。另外，地質(zhì)資料表明，部分緩傾斜中厚磷礦體通常還存在軟弱夾層，往往需要分采分運，然而目前在開采方法方面尚無成熟的經(jīng)驗可循。顯然，如何破解近距離雙層乃至多層緩傾斜中厚磷礦體的開采難題是磷化工礦業(yè)亟待解決的問題，這對采礦方法設計提出了更高的要求。鑒于此，本文以昆陽磷礦二礦含黏土質(zhì)頁巖夾層的緩傾斜中厚磷礦體為研究對象，設計了最優(yōu)的采礦方法，并分析了地下采動作用對地表露天礦邊坡的影響規(guī)律。

1 開采技術條件

昆陽磷礦二礦原為昆陽磷礦二礦段，建于2020年，是云南磷化集團首座地下開采礦山，位于昆明市晉寧區(qū)境內(nèi)，東鄰昆陽磷礦一至四采區(qū)，西接肖家營磷礦區(qū)，北部為海口磷礦。礦區(qū)東西長約4.50 km，南北寬約1.70 km，面積7.66 km2，礦權范圍保有資源儲量為4209萬t，設計產(chǎn)能為200萬t/a。礦區(qū)地表由昆陽磷礦進行露天開采，分為東西兩個采區(qū)，東露天采區(qū)露天坑底標高為2000 m，目前開采 標高為2120 m；西露天采區(qū)露天坑底標高為1880 m，目前未進行開采。

昆陽磷礦二礦與上部露天坑底設計留有20 m隔離礦柱，采用主膠帶斜井+輔助斜坡道開拓，東區(qū)設置1890 m（首采段）和1800 m兩個中段，西區(qū)設置1800 m中段，中段高度為90 m。初步設計在每個中段內(nèi)按走向每200 m劃分一個盤區(qū)，盤區(qū)開采沿礦體走向采用前進式開采，盤區(qū)內(nèi)沿礦體走向從分段巷道兩端向中間后退式回采。礦山基巖巖性主要為白云巖、砂巖、頁巖和泥巖等，礦層巖性為磷塊巖。香條沖背斜的東南翼為控礦構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育兩條規(guī)模較小對開采影響不大的正斷層，水文地質(zhì)條件屬于中等的巖溶裂隙含礦層及底板直接充水礦床。礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定，平均傾角為15°。設計范圍內(nèi)上礦層平均厚度為6.70 m，P2O5平均含量為22.48%；下礦層平均厚度為5.67 m，P2O5平均含量為26.90%。礦體中間夾層為黏土質(zhì)頁巖，分布在礦區(qū)西南部，平均厚度為1.01m。礦體直接頂板為白云巖，厚為0～2.80 m；間接頂板為粉砂質(zhì)頁巖，局部為泥質(zhì)粉砂巖，厚度為27.70～46.33 m。直接底板為厚度大于100 m的白云巖。

通過現(xiàn)場調(diào)研和巖石取樣，室內(nèi)相繼開展了單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗和變角剪切試驗等，測定了各巖層的物理力學參數(shù)，結(jié)果見表1。此外，還采用RMR法對巖體質(zhì)量進行了評價，黑色粉砂質(zhì)頁巖、頂板白云巖及夾層屬于差巖體（Ⅳ級），底板白云巖、磷塊巖屬于一般巖體（Ⅲ級）。整體來說，昆陽磷礦礦巖屬于差巖體至一般巖體。

2 采礦方法設計

采礦方法選擇應遵循原則：

（1）上、下兩層礦品位相差較大，貧富礦體需分采分運，且盡量剔除中間夾石；

（2）以高回采率、低貧化率的回采工藝為主；

（3）適應性和靈活性強，能適應礦體形態(tài)的變化；

表1 礦巖物理力學參數(shù)

（4）確保開采過程安全、高效、經(jīng)濟；

（5）采礦工藝簡單、技術成熟可靠；

（6）礦塊生產(chǎn)能力大，勞動生產(chǎn)率高。

礦山初步設計選定的采礦方法為偽傾斜分段條帶充填采礦法。本次項目研究依據(jù)實際需求，重新選定了3種可供選擇的采礦方法，分別為盤區(qū)上向分層充填法（方案I）、房柱嗣后充填法（方案II）和分段空場嗣后充填法（方案III），其中盤區(qū)上向分層充填法為目前業(yè)界使用較常規(guī)的上向進路式充填方案，房柱嗣后充填法針對磷礦體特性采用掘進機垂直走向非爆機械化開采，分段空場嗣后充填法為沿走向連續(xù)化開采（采用掘進機或中深孔鑿巖），下文以方案II為例，對房柱嗣后充填法的采礦方案做簡要分析。

2.1 采場參數(shù)

將礦體劃分為盤區(qū)進行開采，盤區(qū)長度為400 m，中段高度為90 m，為了便于盤區(qū)回采后進行封閉，盤區(qū)之間考慮留連續(xù)隔離礦柱，根據(jù)巷道布置和盤區(qū)隔離的需要，盤區(qū)間連續(xù)礦柱尺寸為20 m。盤區(qū)內(nèi)將礦體沿傾向劃分為礦房、礦柱進行回采。礦房尺寸根據(jù)掘進機的采幅確定，礦房寬度為5 m，礦房回采高度為5 m，后期可根據(jù)現(xiàn)場實際揭露礦體穩(wěn)定性進行調(diào)整。根據(jù)礦體產(chǎn)狀，先回采下層礦，充填后回采上層礦（如圖1所示）。

2.2 采準切割

在盤區(qū)中間間柱內(nèi)掘進中段采場聯(lián)絡道作為膠帶運輸巷。向盤區(qū)兩側(cè)間柱掘進中段采場聯(lián)絡道，作為采場在本中段的第二安全出口。在兩側(cè)間柱內(nèi)向上中段掘進人行上山，作為通向上中段的安全出口。同時在靠近上層礦與夾石交界處，掘進一條沿脈巷道，作為回采時的聯(lián)絡道。

2.3 回采工藝

圖1 房柱嗣后充填法采場布置

為減少可移動膠帶的移機頻率，以布置在盤區(qū) 中間的膠帶為中心，兩翼布置回采礦房，交替回采。回采順序采用后退式回采。根據(jù)要求，回采采用機械切割，盤區(qū)采礦設備選擇掘進機落礦，后接可移動膠帶輸送機。根據(jù)產(chǎn)能要求及礦體實際產(chǎn)狀，選擇EBZ260H掘進機，最大回采高度為5.2 m，最大回采寬度為6.1 m，最大行走坡度為18°。

前期東區(qū)開采時兩翼進風，中間回風，分別由輔助斜坡道、1#膠帶斜井、中部進風豎井、東進風井（位于東采區(qū)端部）進風，東回風井回風。后期兩區(qū)同時開采時：東采區(qū)東進風井進風，東回風井回風，西采區(qū)主要由輔助斜坡道、斜井、中部進風豎井進風，西回風井回風。通風方式均為抽出式。采場新鮮風流由中段采場聯(lián)巷進入采場，采場內(nèi)采用局扇壓入強制通風，污風經(jīng)回風巷道進入回風井。

礦房一層礦石回采完畢后進行充填準備及充填作業(yè)。在采場底部砌筑充填擋墻，充填管道從回風巷下至采場，充填至上一中段的巷道底板水平。礦山由于采用無軌機械設備，為充分發(fā)揮這些設備的作業(yè)效率，需要較高強度的充填體作為路面，因此，留設0.4～0.6 m的高強度膠結(jié)充填體。

主要設計指標為：盤區(qū)生產(chǎn)能力為40萬t/a（3臺掘進機）；貧化率為12%；回采率為85%。

3 采礦方案優(yōu)選

3.1 定性比較

（1）優(yōu)缺點比較。初選的3種采礦方法優(yōu)缺點比較見表2。

表2 采礦方法優(yōu)劣比較

（2）技術方案比較。除采用掘進機進行采礦外，另外兩種方案目前的采礦工藝比較成熟，技術上都可行。

（3）綜合適用性比較。根據(jù)上述采礦方法方案及工藝的描述，盤區(qū)上向分層充填法（方案I）、房柱嗣后充填法（方案Ⅱ）、分段空場嗣后充填法（方案Ⅲ），其綜合定性指標相對評價見表3。

（4）社會效益比較。從爆破震動對地表建筑物及居民生活影響上看，擾動最小的應該是采用掘進機采礦，擾動相對較大的為分段空場嗣后充填法。從對地表建構(gòu)筑物影響來看，3種采礦方案引起地表變形的幾個關鍵參數(shù)，如水平變形、傾斜、曲率都小，對地表變形的影響都是可控的。

3.2 定量比較

（1）采礦成本。從實踐上看，初選的3種采 礦方法采礦直接成本基本都能控制在80元左右，具體如下：方案I采礦成本（不含充填）為82元/t，方案Ⅱ采礦成本（不含充填）為72元/t，方案Ⅲ采礦成本（不含充填）為85元/t。從采礦直接成本看，方案Ⅱ最優(yōu)，方案I次之，方案Ⅲ最差。

表3 采礦方法定性相對評價

（2）開采回采率。從開采回采率上看，方案I盤區(qū)上向分層充填法＞方案Ⅱ房柱嗣后充填法＞方案Ⅲ分段空場嗣后充填法。

通過以上定性和定量比較，雖然分段空場嗣后充填法的安全性較好，但考慮到上向扇形深孔采場邊界控制困難，容易造成超爆超采，且采切比較大，成本較高，優(yōu)先排除。其次，盤區(qū)上向分層充填法對充填的要求較高，如充填不及時將無法進行回采，針對昆陽磷礦開采的特點，也建議不予采用。經(jīng)分析比較，優(yōu)選方案為方案Ⅱ（房柱嗣后充填法）。

4 采動效應數(shù)值模擬

4.1 模型構(gòu)建

昆陽磷礦二礦地表部分為昆陽磷礦露天坑，在礦山投產(chǎn)期間地下開采活動會引起上覆巖層的移動和變形，極易誘發(fā)露天邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡或出現(xiàn)滾石。初步設計中雖然按照經(jīng)驗類比法留設了20 m水平隔離礦柱，但需要對其是否滿足安全要求進行論證。另外，礦山地表不允許陷落，地下開采對地表及其所附建筑物的影響也亟待進一步研究。因此，研究地下開采擾動對露天邊坡和地表穩(wěn)定性的采動效應尤其必要。

昆陽磷礦二礦露天最終境界及周邊地形在礦體走向上變化不大，各剖面上礦體及圍巖體形態(tài)變化不大，選取具有代表性的65號勘探線剖面，并結(jié)合最終露天境界對剖面進行簡化，采用FLAC軟件構(gòu)建了礦山露天轉(zhuǎn)地下的數(shù)值模型（見圖2），模擬采用房柱嗣后充填法采動條件下圍巖的變形破壞行為，分析在機械化連續(xù)開采過程中采場周邊巖體的位移及應力變化情況。模擬中，針對采用掘進機的垂直走向非爆連續(xù)化開采進行研究，即采用掘進機先沿下層礦傾向向上進路式推進，進路寬度為5 m，一次性推進采至上一中段，進路布置采用兩步驟隔一采一的方式，待下層礦二步驟全部充填完畢后再采用同樣的方法回采上層礦體。

本次數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫模型，數(shù)值計算中作出如下假設：①假定各種巖體和充填體均為各向同性的連續(xù)介質(zhì)；采空區(qū)開挖形成是一次性的，不考慮時間效應；②在礦山實際充填過程中，由于充填材料的沉降性，充填體最終一般難于接頂，但在數(shù)值模擬計算中忽略此因素，認為采場充填之后與圍巖緊密接觸，并且百分之百接頂；③在計算中僅考慮重力的影響，水平應力根據(jù)泊松關系計算。礦山未進行地應力測試，忽略地震波、爆炸沖擊波及地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響。模型中各巖層設定的物理力學參數(shù)見表4。

圖2 昆陽磷礦二礦地層數(shù)值模型

表4 模型各巖層力學參數(shù)

4.2 采動效應分析

本次數(shù)值模擬內(nèi)容包括走向長度一個盤區(qū)，傾斜方向一個中段礦體的開挖及充填過程。經(jīng)過分步開挖、充填的模擬分析，得到了開采過程中各個剖面的最大主應力云圖、最小主應力云圖、頂板應力變化圖、位移云圖、塑性區(qū)分布云圖、主應力矢量云圖、監(jiān)測點歷史記錄、各向剪應變率圖等。由于篇幅限制，選取最初開采的下層礦一步驟開挖和最后開采的上層礦二步驟開挖典型剖面進行說明，如圖4和圖5所示。

由圖4、圖5可知，從最初的下層礦開采到后期的上層礦開采，邊坡均未出現(xiàn)拉應力變化，一定程度上定性說明采用垂直走向非爆機械化連續(xù)兩步驟回采，并不會對上部邊坡及地表產(chǎn)生影響，這與地下開采采場結(jié)構(gòu)參數(shù)小（進路式回采）和距離地表深度大（基本上都超過200 m）有關。在開采過程中，由于機械化連續(xù)作業(yè)自下而上一個中段沿傾向推進，形成的進路較長，進路中部會產(chǎn)生一定的Z向變形量，大小約5 mm左右，進路中部沒有應力集中區(qū)及塑性區(qū)，說明采用進路寬度為5 m的非爆機械化連續(xù)回采能夠保證采場的穩(wěn)定。從最初下層礦一步驟開挖到最終的上層礦二步驟開挖，上部邊坡及地表會產(chǎn)生一定微小的豎向變形，起初這個值約為1 mm，最終達到約2 mm，說明上部邊坡及地表變形量幾乎可以不計。由此可見，采用垂直走向非爆機械化連續(xù)兩步驟回采對邊坡及地表影響較小。

圖3 下層礦一步驟開采采動效應

圖4 上層礦二步驟開采采動效應

5 結(jié)論

（1）昆陽磷礦二礦磷礦體傾角一般為2°～ 31°，平均傾角為15°，且含有厚度0～3.15 m的黏土質(zhì)頁巖夾層，屬典型的緩傾斜中厚難采礦體。測定了礦巖的物理力學參數(shù)，采用RMR方法評價了巖體質(zhì)量，礦體頂板黑色粉砂質(zhì)頁巖和白云巖及夾層屬于差巖體（Ⅳ級），磷塊巖和底板白云巖屬于一般巖體（Ⅲ級）。

（2）針對緩傾斜中厚磷礦體設計了盤區(qū)上向分層充填法（方案I）、房柱嗣后充填法（方案II）和分段空場嗣后充填法（方案III），通過方案的定性和定量指標對比，確定方案II為最優(yōu)采礦方法，并從采場參數(shù)、采準切割及回采工藝對采礦方案進行了詳細闡述。

（3）構(gòu)建了緩傾斜中厚礦體開采的數(shù)值模型，研究了地下開采圍巖應力和變形規(guī)律，分析了地下開采對露天邊坡穩(wěn)定性的擾動效應，發(fā)現(xiàn)上部邊坡及地表產(chǎn)生的最大變形量僅有2 mm，地下采動對地表的影響較小。