崩落法和充填法联合开采在金山店铁矿的应用研究

梅甫定 王如坤 夏 鸿

(1.中国地质大学工程学院;2.武钢矿业公司金山店铁矿)

崩落采矿法因生产效率高，生产成本低等优点而被大多数地下矿山广泛采用，其中地下铁矿尤为突出，采用此法采出的铁矿占总量的85%以上。但是崩落采矿法在落矿或回采过程中，通过崩落围岩(覆岩)进行地压管理，造成地表塌陷，不仅需要巨额的搬迁费用，也破坏了大量宝贵的土地资源［1］。而充填采矿法在控制地表下陷方面具有良好的效果，而且尾矿也得到充分利用，降低了尾矿对环境的污染;缺点是成本较高。随着国家和企业安全生产和环境保护意识的提高，越来越多的地下矿山企业开始采用同区段崩落法和充填法联合开采的方法，金山店铁矿就是其中的一个典型代表［2-3］。本研究就金山店铁矿东区的实际情况对将要采用的崩落法和充填法联合开采的可行性进行全面的研究。

1 矿山概况

金山店铁矿位于湖北省大冶市金山店镇，具有得天独厚的矿产资源，是武钢的主要原料基地之一。目前金山店铁矿主要由张福山和余华寺两大矿区构成。张福山矿区以25#勘探线为界分为东、西2个区，25#勘探线以东称为东区，25#勘探线以西称为西区。

1.1 矿山地质概况

金山店铁矿处于新华夏系第二隆起带的次级构造鄂城、大磨山主体复合隆起带与过渡地带连接部位，属于接触交代型铁矿床，共分布大小100个矿体;其中Ⅰ和Ⅱ号矿体规模较大，占矿床探明储量的90%以上。Ⅰ号矿体隐伏于地下，矿体形态较简单规则，呈似层状，其厚度为20～80 m;Ⅱ号矿体位于Ⅰ号矿体下盘，相距10～120 m，矿体厚度为10～150 m。

1.2 生产现状

1.2.1 开拓系统

张福山矿区采用竖井开拓，主要井筒有新主井、中央主井、中央副井、东副井、西副井、西风井。新主井承担整个矿区的矿石提升任务，中央主井现改为进风井，中央副井提升人员、材料、下放设备，东、西副井分别作为东区回风井和西区进风井。

1.2.2 采矿现状

1.2.3 运输提升系统现状

矿山采用环行运输方式，矿、废石由溜井经振动放矿机装入底侧卸式矿车，经电机车牵引到卸矿硐室，分别翻入矿、废主溜井，经重型板式给矿机放入－480 m水平的颚式破碎机，溜入下部矿仓，再经重型板式给矿机放到－520 m水平的胶带输送机上，最后装入新主井箕斗提升到地表。

1.3 目前遇到的问题

为缓解西区采场压力和尾矿库库容不足的压力以及减少地表搬迁费用，欲在东区－410 m水平以上采用充填法和崩落法联合开采的采矿方法，具体方案是－312 m以上仍维持原有的采矿方法不变，即无底柱分段崩落法;－312 m以下至－410 m采用上向水平分层块石胶结充填法，见图1所示。但是该方案是否可行，如何优化布置采场，控制地表下陷的效果如何以及如何确定2种采矿方法之间衔接层的安全厚度都是需要在方案实施前解决的问题。

图1 上向水平分层充填示意

2 采场布置

2.1 采场要素

图1所示，矿块沿矿体走向布置，阶段高度70 m，矿块长度为50 m，宽度为矿体厚度，分层尺寸为3.5 m×6 m(高×宽)。

2.2 采准方式

根据矿山现有的开拓系统，采用下盘采准方式。阶段内设置阶段溜井，溜井底部设置振动出矿机，矿石经阶段平巷及主井运往地表。

2.3 主要采准工程

(1)斜坡道。－340 m至－410 m斜坡道现已设计，并与各已建分段相通，－270 m水平到－340 m水平采用新增斜坡道与各分段联通。

(2)阶段沿脉运输巷。矿车在－340 m水平阶段沿脉运输巷溜井口装矿，经阶段运输平巷及主井运至地表。

(3)分段联络道。分段联络道沿矿体走向布置，服务于整个水平采场，断面规格为3.8 m×3.5 m，距矿体下盘距离为33 m;分段联络道与采场联络道连接的转弯半径为6 m。

从仿真结果可以看出，在仿真时间为2s时，负载越大，流经液压缸的流量越小，说明泄漏量越大，越影响活塞速度的大小。

(4)采场联络道。每个分层均布置1条采场联络道，沟通采场和分段联络道。其中，下向采场联络道坡度为8°，上向采场联络道坡度为12°。

(5)充填回风天井。在采场中央位置，沿矿体布置充填回风天井，以改善采场的通风与充填效果，断面规格为1.0 m×1.0 m。充填回风天井联通充填回风巷道和分层采场，污风经该井排至充填回风巷道。

(6)卸矿溜井及卸矿横巷。整个阶段共用1个卸矿溜井，断面直径尺寸为3 m，根据铲运机的有效运距，选择溜井间距为100～120 m。卸矿横巷为卸矿溜井与分层联络道连接的通道，断面尺寸为3.8 m×3.3 m。

(7)切割工程布置。在底部的上部掘进拉底巷道(3.8 m×3.3 m)，并以此为自由面扩大至矿块边界，形成拉底空间，并将崩下的矿石用铲运机运走。形成一定高的拉底空间后，即可向上分层回采、分层充填。

3 确定地表陷落、移动范围

3.1 地表陷落、移动范围的绘制步骤

(1)选择25#、32#、34#、39#勘探线的剖面作为二维有限元数值分析的计算剖面。

(2)针对各个剖面分布确定开采引起的地下松动区。这个松动区的范围包括采空区以及采空区周围的破损区，在破损区内将会发生塌落或较大的位移，而在松动区外的岩体则有自成平衡的稳定趋势。

(3)从松动区南北边界最宽的位置M和N作铅垂线，它们与地表交点A、B之间的部位确定为陷落区，如图2所示。

图2 地表陷落、移动范围的确定

(4)在从M、N向地表作铅垂线时与－252 m的水平线相交于P、Q点。从P、Q向矿体外作2条射线PC、QD，它们与水平线的交角分别取用金山店西区－270 m开采高程时上盘的移动角58°和下盘的移动角70°，这2条射线与地面的交点C、D之间的部位确定为移动区。

(5)在上述25#，32#，34#，39#4个剖面上点C、D(对应于移动区)，A、B(对应于陷落区)以及基于矿体走向范围的基础上，可以圈定出一直采用崩落法开采和采用崩落法和充填法联合开采地表陷落范围和移动范围。

3.2 结果分析

采用崩落法和充填法联合开采法地表陷落、移动范围见图3，全部采用崩落法地表陷落、移动范围见图4所示。

图3 崩落法和充填法联合开采法地表陷落、移动范围

(1)由图3可以看出，采用崩落法和充填法联合开采，只有火车站一半和铁路的一段在地表陷落、移动区内，需要搬迁;而张福山村和水库都在地表陷落、移动范围之外，几乎不受地表沉陷的影响，因此不需要搬迁。

图4 崩落法地表陷落、移动范围

(2)由图4可以看出，若一直采用无底柱分段崩落法，地表陷落、移动范围向北扩展很小，主要向南、向东扩展，不仅火车站的大部，铁路仍在地表陷落、移动范围之内，而且张福山村和水库大部分也进入地表陷落、移动范围，安全得不到保障，不得不进行搬迁。因此，崩落法和充填法联合开采对于保护张福山村和水库，减少征地搬迁费用具有重要意义。

4 确定衔接层安全厚度

由于上部实施崩落法开采，下部实施充填法开采，2个开采区域必然存在一个衔接层，此衔接层主要是在下部充填法开采时作为矿房顶板存在，该衔接层不仅要承受自重荷载，还要承载上部逐步崩落围岩的重力。因此，衔接层必须有合适的厚度以保证它自身的稳定性。根据采场布置可知充填法形成空区(也就是矿房)的跨度为60 m，高度为14 m。而空区顶板的稳定性主要取决于空区的跨度，根据以往大量的经验，跨度60 m的空区，上部覆岩厚度在50 m左右为安全的，但这跟围岩的性质有很大的关系，因此，选取了30、40、50、60 m厚度衔接层进行数值模拟，以寻找不产生破坏的最小衔接层厚度。

4.1 数值模拟［4］

根据地质资料及开拓纵投影图，模型中部有60 m宽的空区，模型宽度为300 m(满足圣维南原理)。衔接层上部至地表由于崩落法开采会塌陷至地表，模拟中把上部预计的塌陷体按照集中荷载的方式加到衔接层上。此外，模型网格大小为3 m×3 m，数值模拟结果如图5、图6所示。

4.2 结果分析

图5 不同厚度衔接层塑性区分布

图6 不同厚度衔接层z方向位移图

(1)从图5中可以看出，30 m厚度的衔接层上部和下部都产生了较大的拉应力，超出了岩体的抗拉强度，并且较大的应力基本上存在于整个衔接层中，这说明衔接层极不稳定。当衔接层厚度加大到40 m时，其上下部应力分布明显减小，产生的拉应力小于岩体的抗拉强度，说明此时的衔接层是稳定的。当衔接层厚度继续加大到50 m和60 m时，应力的数值和分布范围都进一步减小，说明衔接层在大于40 m厚度的情况下都是稳定的。

(2)从图6中可以看出，30 m厚度衔接层z方向的位移相对较大，40 m厚时位移有所减小，但50 m和60 m厚时位移又增大，这可以解释为30 m厚时衔接层因受到严重破坏而位移量较大，40 m厚时衔接层破坏程度较轻因而位移量减小，而到50 m、60 m厚时，衔接层虽破坏程度进一步减小，但由于自身重力的增加致使衔接层两帮的支撑位置会产生较大的压应力，从而有较大的竖向位移。从衔接层模拟z方向位移图中也可以看出，40 m是最佳厚度

(3)综上所述，40 m厚的衔接层不仅是稳定的，而且z方向上的位移也最小，因此，将衔接层的安全厚度确定为40 m是合适的。

5 结论

(1)通过研究表明，在金山店铁矿东采区采用崩落法和充填法联合开采是可行的，采用上向水平分层块石胶结充填法进行充填，可有效控制地表下陷，保护地表建(构)筑物和水体，节省征地搬迁的费用。

(2)通过数值模拟的方法得出崩落法和充填法之间衔接层的安全厚度为40 m，不仅可保证开采的安全性，而且可以获得最大采出率，减少资源的浪费。

(3)随着国家对安全和环境的日益重视，科技矿山、无废矿山、绿色矿山已成为大势所趋，作为一种安全、环保的采矿方法，崩落法和充填法联合开采将会在越来越多的矿山企业得到应用，本研究能为类似矿山提供一些有益借鉴。

［1］ 刘晓云，熊绵国.金属矿崩落法改充填法开采可行性评价指标及权重研究［J］.现代矿业，2011(5):10-13.

［2］ 王湘桂，唐开元.矿山充填采矿法综述［J］.矿业快报，2008(12):1-5.

［3］ 徐文彬，宋卫东，杜建华，等.崩落法转阶段嗣后充填法采场稳定性分析［J］.北京科技大学学报，2013，35(4):415-422.

［4］ 杜国栋，李 晓，韩现民，等.充填采矿法引起的地表变形数值模拟研究［J］.金属矿山，2008(1):39-43.