小汪沟铁矿露天转地下分区高效开采技术

李 楠 常 帅 任凤玉

(1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

小汪沟铁矿露天转地下分区高效开采技术

李 楠1常 帅2任凤玉3

(1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

针对小汪沟铁矿上部矿体规模较小、露天转地下自由作业空间小、首采矿段的回采工作面不够充足、难以实现设计产能的问题，在分析矿岩可冒性以及矿体赋存条件的基础上，提出了基于岩体持续冒落面积的3分区开采方案，并依据顶板围岩冒落范围以及岩移影响范围分析了分区开采的安全条件。该方案在确保生产安全的前提下，将小汪沟铁矿的地采产能由设计的100万t/a提高到280万t/a。生产实践表明，利用顶板围岩的冒落特性提出的多分区开采技术，扩展了露天和地下同时开采的作业空间，不仅实现了小汪沟铁矿露天转地下产能的大幅度提高，也实现了安全高效的开采目标，同时也为类似铁矿山实现高强度开采提供了有效途径。

露天转地下 冒落 分区开采 无底柱分段崩落法

小汪沟铁矿矿体+300 m水平以上采用露天开采，+300 m以下转入地下开采。地下开采设计应用无底柱分段崩落法，几经优化，最终取阶段高度60 m，分段高度12 m，从上向下逐阶段开采，设计生产能力100万t/a。但由于上部矿体规模较小，露天转地下的自由作业空间小，首采矿段的回采工作面较少，实现这一产能的难度较大。因此，为实现在有效转产衔接的同时又能够增大产能[1-2]，需针对矿床条件，研发适宜的高效开采工艺。

1 开采分区方法

小汪沟铁矿地质储量较大(6 477万t)，制约产能的主要因素是分段内矿体的面积较小(水平面积仅1.48～1.52万m2)，由此限制了常规开采方法的回采工作线的长度。经现场调查分析，小汪沟铁矿上盘围岩节理裂隙比较发育而节理面密闭，当暴露面积较小时具有较好的稳固性，当暴露面积足够大时具有良好的可冒性。为此，考虑利用岩体的冒落特性[3]。结合小汪沟铁矿矿岩可冒性分析以及矿体赋存条件，提出了基于岩体持续冒落面积的分区开采方案。

大体说来，随采空区顶板暴露面积的增大，上覆岩层逐渐发生自然冒落。发生冒落的面积与冒落的高度随空区顶板暴露面积的增大而不断增大。当空区顶板暴露面积达到一定数值后，即使不再增大暴露面积，随着时间的推移，冒落高度也不断增大，顶板围岩不再形成长时间稳定的应力平衡拱，这时的空区顶板面积称之为持续冒落面积[4]。而顶板围岩发生持续冒落时的最小暴露面积称之为临界持续冒落面积。具体内容包括以下3个方面。

(1)每一区域的回采面积需大于持续冒落面积，靠自身采空区的回采面积能够诱导顶板围岩自然冒透地表。

(2)分区之间临时矿柱的尺寸不小于采动压力的影响范围，不因分区开采影响相邻采区采动压力峰值，或者引起峰值应力的变化，在岩体强度允许范围之内，确保各分区之间矿体得到正常开采。

(3)下分区冒透地表的时间在上分区采至下分区的影响范围之前，当上位分区采至下位分区影响范围之内时，下位采空区早已冒透地表，且散体早已沉实，并对临时矿柱形成稳定的散体侧压力条件，保护临时矿柱在开采过程中不发生明显的沉陷位移。

2 分区开采方案

根据岩体结构面调查与岩体稳定性分级结果，顶板围岩一般节理裂隙中等发育，点荷载强度多在3～5 MPa，属于整体中等稳定、局部稳定的级别，这一稳定性条件与西石门铁矿中区的顶板围岩类似[5]。运用工程类比法分析得出，小汪沟铁矿顶板围岩的完整性不如西石门中区，临界持续冒落面积不应超过6 000 m2。

根据临界持续冒落面积初步分析结果，结合矿体条件，首先提出了以12.66线为界分为上、下2区同时开采的双工作面平行推进方案(见图1)。下位分区第1分段进路回采结束时，上位分区将回采到第3～第4分段，即当+60 m分段回采结束时，上位分区将回采到+276 m或+264 m分段，此时下位分区的岩移范围至上位分区回采工作面的水平距离约为320 m，也就是说，分区之间临时矿柱的尺寸可达320 m。工程实践表明，对于中等稳定的岩体条件，采动压力显著影响范围一般不超过30 m[6]。因此，厚度320 m的临时矿柱足可保证上、下2分区生产工作面互不影响。

图1 上、下分区开采方案Fig.1 Scheme of top and bottom mining divisions

但由于下位分区的回采时间不能满足露天转地下稳产或增产衔接的需要，为此，设计将上部分区进一步分为2个采区。根据夏甸金矿的经验，对于节理裂隙发育、结构面密闭的岩体，采空区顶板冒落引起空区边缘的应力集中范围一般不超过25 m[7-8]，考虑1.2的保险系数，取临时矿柱的尺寸不小于30 m。按此要求，结合矿体形态，从+240 m水平矿体厚度较大的第9勘探线入手，以240 m水平为界，将其分为上、中2个分区。因此，整个矿体沿延深方向分为上、中、下3个分区同时开采。

上部分区从露采境界向下逐分段回采；中部分区与下部分区的首采位置，根据顶板围岩临界持续冒落面积的评估值，同时考虑冒落过程中分区之间受矿山压力的影响范围，选择在适宜的阶段运输水平的标高位置。由于+240 m水平设置2条平硐，构成环形运输系统，因此，经优选确定为：中部分区从+240 m分段开始向下开采，下部分区从+60 m分段开始向下开采。3分区的水平投影关系见图2。

图2 3分区位置的水平投影关系Fig.2 Horizontal projection of three mining divisions

上位分区的首采分段设置在+300 m水平，下位分区的首采分段设置在+60 m水平，前者矿体水平面积为8 336 m2，后者矿体的水平面积为17 500 m2，两者都大于6 000 m2。因此，两者都可用首采分段的回采面积诱导顶板围岩自然冒落。中位分区的首采分段的回采面积与采空区跨度不足以诱导顶板围岩自然冒落，为使顶板围岩自然冒落，需连续回采+240 m、+228 m、+216 m与+204 m 共4个分段，即用这4个分段的回采面积诱导顶板围岩自然冒落。

3 分区开采安全及其实施效果

分区开采的首要原则是不破坏每一工作面的生产安全条件，即每一工作面都不能遭受因分区开采带来的采动地压的破坏作用与空区冒落危害[9]。小汪沟矿体赋存在阳起磁铁石英岩和透闪磁铁石英岩中，稳定性较好，而且矿体侧伏角较小、延深较大，沿倾斜方向有足够的分区空间，可使分区之间避开采动压力叠加，加之应用无底柱分段崩落法开采，采准工程承受采动压力的能力较强，因此，分区开采引起的采动压力容易控制到不对生产造成较大影响的程度。

按照临时矿柱的尺寸不小于30 m的要求，在上位分区的+276 m分段回采结束之前，中位分区的顶板围岩能够自然冒落或强制崩落，使其冒落或崩落的高度超过+276 m，即可保证中位空区不影响上位分区的回采工作面的生产安全。下位采空区向上冒落过程中，在冒落空区边缘引起的应力集中带的宽度，有可能超过中位空区。为安全起见，取2倍的保险系数，按60 m宽临时矿岩柱的要求确定2分区的回采顺序。按此要求，在中位分区+120 m分段回采结束之前，下位分区的顶板围岩能够自然冒落或强制崩落，并使其冒落或崩落的高度超过+120 m，即可保证下位空区不影响上位分区回采工作面的生产安全。

总之，按顶板持续冒落面积沿矿体延深方向划分3区开采，按上述关系安排回采顺序，以此保证分区之间临时矿柱的宽度，即可保正3工作面同时回采方案正常生产的安全条件。

在实施过程中，上、中、下3分区的顶板围岩随着其下矿石的回采而自然冒落，截止到2011年底，中部分区已经冒透地表，下部分区在第1分段进路的回采过程中已形成足够厚度的覆盖层，各分区的回采工作均得以顺利进行。经过对矿山实际生产数据的统计分析，在3个分段的回采区域，取得了矿石回采率85.2%、贫化率12.6%的良好效果。同时，在基建投资几乎没有增加的条件下，将小汪沟铁矿的地采产能由设计的100万t/a提高到2011年的280万t/a。

3分区开采技术扩展了露天、地下同时开采的作业空间，不仅实现了露天转地下过渡期的增产衔接，也实现了安全高效的开采目标。同时，分区开采技术也为类似铁矿山提供了实现高强度开采的有效途径。

4 结 论

(1)基于顶板围岩的冒落特性提出的上、中、下3分区同时开采方案有效扩展了回采工作面的作业范围，显著增大了矿山的生产能力。

(2)合理分区布置以及合理的回采顺序有效保证了各分区之间的回采安全，避免了各分区回采岩移的互相影响。

(3)基于岩体持续冒落面积的分区开采技术不仅保证了小汪沟铁矿露天转地下过渡期间地采产能的大幅度提高，也实现了安全高效的开采目标。

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(责任编辑 徐志宏)

High Efficient Divisional Mining Technology during Transition from Open-pit to Underground Mining in Xiaowanggou Iron Mine

Li Nan1Chang Shuai2Ren Fengyu3

(1.CCTEGShenyangEngineeringCo.，Ltd.，Shenyang110015，China; 2.SchoolofMiningEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China;3.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

There are some problems in Xiaowanggou Iron Mine，such as small-scale upper ore-body，narrow working space from open pit to underground mining，and deficient stopes in the first mining section，and hard to reach the expected productivity etc.In view of these problems，and on the basis of analyzing the caving possibility of ore rocks and the occurence conditions of orebody，a new scheme of three dividions based on the continuous caving of rocks was proposed.And then，according to the ranges of roof surrouding rock caving and rock movement，the safety of mining were analyzed.On the premise of keeping safety in mining，this scheme makes the productivity of underground mining in Xiaowanggou Iron Mine increase from 1 million t/a in original to 2.8 million t/a.Finally，the production practice showed that the multi-division mining technology based on the characteristics of roof surrounding rock caving expanded the work space as the simultaneous mining of open pit and underground.It not only greatly improves the productivity from open pit to underground in Xiaowanggou Iron Mine，but also achieves the exploration target with safety and efficiency.Meanwhile，it provides an effective way for high efficient exploitation of similar iron mines.

Transition from open-pit to underground，Caving，Sectional mining，Pillarless sublevel caving method

2013-12-11

李 楠(1981—)，女，工程师，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-05-021-03