桑园铁矿露天转地下开采方法的选择

徐兴华

(北京建昌矿业有限责任公司，北京 密云 101504)

桑园铁矿露天转地下开采方法的选择

徐兴华

(北京建昌矿业有限责任公司，北京 密云 101504)

露天转地采矿山一般选用基建周期短和采矿成本低的地下采矿方法，如崩落法。然而，随着环保和土地保护的要求，矿山的开采一般不允许产生新的地表塌陷，转而采用充填法，对露天转地下矿山过渡时期的经营不利产生不利影响。由于露天开采已经对露天境界内地表造成了破坏，允许二次破坏，桑园铁矿提出了上部采用崩落法，下部采用充填法技术方案。为此，采用工程类比法和Laubscher法初步选定崩落法开采的高度，采用离散元的数值计算方法，开展了崩落采矿高度和碎石覆盖层厚度联合选择研究，最终确定崩落法采矿的深度为108 m、碎石覆盖层的厚度为40 m。经济分析表明，桑园铁矿采用上部崩落法下部充填法联合开采，不仅可推迟充填站建设时间，而且节省约1亿元采矿成本。

露天转地下 崩落法 充填法 碎石覆盖层 联合开采

对于地表浅部的矿体，当矿床赋存条件对开采方式不限时，应首先采用露天开采[1]。这主要因为露天开采相对于地下开采有着较多的优点，如建设投产快、矿石产量高、劳动效率高、开采成本低、矿石贫化损失低、劳动条件好且作业安全等。但随着露天开采的深度增大，剥采比也逐渐加大，因此，当达到一定的深度时，露天开采将不再有利。

当矿体从地表延伸较深时，矿山必然存在露天转地下开采这一过渡时期。随着露天矿山产量的逐渐下降，生产能力的衔接等问题直接影响整个矿山的正常生产[2]。因此，很多矿山在寻求露天边缘矿的同时[3]，也在提前加快地下开采的基建进度。

目前露天转地下矿山的开采方式主要有3类[4]：第一类是空场法，主要有房柱法、留矿法等；第二类是崩落采矿法，包括分段崩落法和阶段崩落法；第三类是联合采矿法，其实质就是房柱法和崩落法的相结合的方法。相较于其他地下采矿方法，以上几种方法具有采矿成本低、产能大尤其是基建时间比较短，比较容易达产等优点，适合露天转地下矿山采用。然而，崩落法则会引起地表塌陷，空场法留下大量的矿柱和采空区，若要回采矿柱同样引起围岩的崩落和采空区的塌陷。

随着国家对环境保护和可持续发展的越来越重视，矿山的开采要求不允许引起地表塌陷。因此，越来越多的矿山采用充填法开采。目前普遍采用的上向充填法，其基建周期长、投资大且见效慢，对矿山过渡时期的经营不利，在露天转地下矿山中首采阶段目前没有采用充填法的应用实例[5]。

1 工程概况

京建昌矿业桑园铁矿位于密云县城北东35°方位。矿区为低山丘陵地貌，海拔标高为160～260 m，相对高差一般为50 m左右。如图1所示，多条矿体在空间上密集成带分布，矿体总体走向NE，倾向NW，倾角一般为50°～70°。矿体从空间上被划分Ⅰ和Ⅱ 2个带，Ⅰ矿带位于Ⅱ矿带之下，两者的保有铁矿石储量分别约为2 200万t和600万t。

图1 桑园铁矿矿体分布

桑园铁矿的采矿权标高范围为+190～-100 m。Ⅰ矿带+100 m水平以上采用露天开采，而后转地下开采，与此同时Ⅱ矿带也实施地下开采，如图2所示。该矿地表为基本农田和小树林，由于环境和耕地保护越来越受重视，环评要求桑园铁矿地下开采不能引起表造成塌陷。因此，在可行性设计阶段，选用水平上向分段空场嗣后充填法，对Ⅰ矿带的+100～-80 m以及Ⅱ矿带+160～-80 m的矿体实施开采，以期控制地表变形。然而，①采用上向充填开采，井巷需直接施工至最低水平，周期长且投资大；②矿体从上往下逐渐变薄使得达产慢；③增加了开采成本。因此，上向分段空场嗣后充填对矿山过渡时期的经营不利。

图2 130 剖面开采示意

矿山在实施地下开采时，露天采场已经闭坑。而露天开采已经对地表产生了破坏，在既定的露天采场境界范围内充许地表的二次破坏。此外Ⅱ矿带必须采用充填法开采，那么矿山需要建设充填设施。Ⅰ矿带上部矿体采用上向崩落法开采，下部矿体采用向上充填法开采，既可顺序开采，又可联合开采。上述开采方式不仅克服了过渡期的充填法的相关问题，又给矿山日后产量调节带来很大的便利。但在进行开采初步设计之前，还需要解决崩落法开采深度的问题。在将陷落区控制在露天采场境界内的前提下，显然崩落法开采深度越大，对开采成本的节约越有利。

2 崩落法开采陷落角、深度的初步确定

2.1 工程类比确定陷落角

层状矿体的岩体移动参数可根据前苏联矿山测量和岩石力学研究院推荐的方法[6]，该方法是总结多个矿山经验获得。对于覆盖岩层的普氏系数f大于8，岩层倾角在46°～60°，且矿体完全采空的情况下，上盘上山(下山)的移动角γ(β)与普氏系数f和岩层倾角α的关系分别为

(1)

(2)

该矿上盘岩层的普氏系数f综合可取12，岩层的倾角平均α为55°，可得出其上盘的上山和下山的移动角分别为73°和50°。由于该矿地表高差较小，因此移动角可取上山和下山移动角的均值为62°，一般情况下陷落角比移动角大5°[7]，因此按此方法，桑园铁矿崩落法开采的陷落角可取67°。

2.2 Laubscher经验方法确定陷落角

Laubscher建立了与岩体分级和覆盖层厚度相关的崩落角经验估计方法[8-9]。如图3所示的技术路线，将矿体覆盖层划分为若干的层，每层根据覆盖岩层的MRMR值和崩落因子F，由文献[10]可查得该层的崩落角，各层的崩落角和厚度总体上决定了整个盖岩的崩落区范围。这其中崩落因子F为

(3)

式中，ρc为崩落体的密度，其余变量见图3。

图3 Laubscher法崩落区经验估计示意

在崩落区的临近区域为破坏损伤区，即节理岩体达到极限强度，但位移值较小。每个层的厚度是MRMR的函数，根据MRMR范围可经验获得开裂区的厚度：MRMR为0～10时取100 m，11～20时取70 m，21～30时取 50 m，31～40时取40 m，41～50时取30 m，51～60时取20 m，>61时取10 m。

桑园铁矿上盘岩体主要为黑云斜长片麻岩和黑云二长片麻岩，两者经节理和地应力调整后得到的MRMR值为60，计算崩落角时取60，以24 m 1层进行分析。由于桑园铁矿矿体很薄，因此计算中假定崩落区仍然维持着原地形的顶部几何形状。如图1所示，140剖面以南，Ⅰ矿带矿体较密集，以此选定130剖面和160剖面根据Laubscher方法进行崩落区计算。按公式(3)计算每层的崩落因子F，并对应文献[10]中MRMR=60的曲线获得覆盖层的崩落角，由此获得130和160剖面的崩落区范围如图4和图5所示。开裂区取20 m。

图4 130剖面根据Laubscher法估算的崩落区

130剖面由于矿体比较密集，那么崩落区的最小跨度保守取所有Ⅰ矿带矿体的上下盘边界宽度。当崩落法开采深度为84 m，崩落区基本未超过露天采场边缘。开采至108 m时，超过露天采场边界23 m，加上开裂区20 m，则超过露天采场43 m，此时总体崩落角约为69.5°，外延20 m后，陷落角约为66°。

图5 160剖面根据Laubscher法估算的崩落区

160剖面的矿体厚度较薄，崩落法开采108 m时，崩落边界刚好在露天采场边缘，那么开裂区则超过露天采场20 m，此时对应的崩落角和陷落角为77°和72°。

2.3 崩落法开采深度初步确定

经过上述的2种方法对桑园铁矿的剖面进行分析可知，桑园铁矿Ⅰ矿带采用崩落开采首阶段即60 m，其陷落区不会超出露天境界以外，而开采第2阶段(最后1个分段为运输水平，为永久矿柱，实际崩落法开采深度108 m)则陷落界限超出露天采场境界50 m范围以内。

这里有2点需要商榷：

(1)桑园铁矿Ⅰ矿带为多条薄矿体组成，矿体间的夹岩并不会开采，因此按上述2种方法对Ⅰ矿带整体进行陷落角的估算显然是保守的。

(2)露天转地下开采前，会在露天底部铺设一定厚度的碎石覆盖层，用于压矿、防漏风以及延消洪峰等[11]。碎石覆盖层跟随开采移动，回填采空区，同时也起到支撑采空区的作用，大冶铁矿则是通过不断回填碎石覆盖层下移形成的空间，保持碎石覆盖层的标高不变，用来控制地表塌陷和保护边坡[12]。

基于以上2点，桑园铁矿Ⅰ矿带的崩落法开采深度为108 m，并适当的提高覆盖层的厚度。

3 崩落法开采过程数值模拟

计算分析采用块体离散元和颗粒离散元分别模拟矿岩介质和碎石覆盖层。

层面的产状为316°∠56°，除层面外，矿区主要发育有3组节理，分别为216°∠75°、119°∠75°和288°∠79°，其中第2组节理与层面倾向相差近200°，呈反倾，从地质结构分析来看，该组节理可能控制该区的错动范围。此外，由于矿体的倾角为56°，那么简化了下盘岩体的离散元建模。以130剖面为例，其块体离散元和颗粒离散元模型分别见图6和图7，块体离散元和颗粒离散元之间每步进行位移和力的传递，从而保证随覆盖层和岩体之间的相互作用。

图6中，矿体开采设计按12 m水平进行划分，露天采场底标高+100 m。Ⅰ矿带从坑底崩落法开采至-8 m水平，-20～-8 m不开采，下部-80～-20 m采用充填法开采；Ⅱ矿带从+160～-80 m采用上向分段充填法进行开采。图6模型左右两侧均为对称边界条件，底部为约束边界条件。

图6 160剖面块体离散元模型

图7 160剖面颗粒离散元模型

岩体和充填体采用的物理力学参数见表1。

表1 矿岩和充填体物理力学参数

对碎石覆盖层取样进行粗粒土大三轴试验，而后利用颗粒离散元建立双轴数值试验，采用不同的几何和物理参数去匹配大三轴试验数据，最终选定表2所示的参数，匹配的结果见图8。由图8可知，数值试验模拟结果在围压0.3 MPa时和大三轴试验的结果吻合得很好；0.6和0.9 MPa围压时数值试验结果偏低，但差距不明显；而当围压为1.2 MPa时则明显偏小，但若按曲线趋势，后续差距应该变小，这个主要是三轴试验在1.2 MPa围压时切线模量明显增大。每个围压的数值双轴试验结果普遍略低于粗粒土三轴试验曲线，符合工程上保守的原则，说明模拟碎石覆盖层的相关参数选择合理。

表2 颗粒离散元的计算参数

图8 采用数值双轴试验与室内三轴试验结果对比

在计算过程模拟了碎石覆盖层厚度为20 m和30 m时矿体开采过程，崩落法开采至-8 m水平，露天境界之外均出现地表陷落区。

当覆盖层厚度提高至40 m时，计算了图1所示的所有剖面。仍然以130剖面为例，崩落法开采结束后围岩的位移情况见图9，可见其最大位移为0.25 m，而露天境界外地表的最大位移约为0.2 m。根据130剖面地表的垂直位移和水平位移(沿剖面走向)计算了地表的水平变形、倾斜以及曲率(相关图件从略)。所有的开采均结束后，露天境界外Ⅰ矿带上盘的地表最大水平变形、倾斜以及曲率分别约为5.4 mm/m、5.0 mm/m和0.33 mm/m2，小于陷落界限的指标(分别为6 mm/m、10 mm/m和0.6 mm/m2)[13]，由此可见露天境界以外不会产生陷落区。

图9 130剖面崩落法开采至-8 m水平岩体位移云图

由此可见，桑园铁矿采用40 m厚覆盖层，可以进行Ⅰ矿带上2个阶段的崩落法开采。

4 结 语

对于桑园铁矿这座即将转地下的矿山，缩短基建周期快速达产和保护地表耕地存在着一定的矛盾。为了使矿山平稳过渡和减少先期投资，提出了上部崩落法、下部充填法相结合的采矿方法，并将陷落区控制在露天采场境界内。

通过经验类比法，获得桑园铁矿的陷落角为67°，可完成第一阶段崩落法开采而使陷落区控制在露天采场境界内。但是，桑园铁矿为薄矿体，矿体间的夹岩不作开采，显然采用经验类比获得的陷落角是保守的，此外露天坑底铺设的碎石覆盖层，也能一定程度减少岩体移动。数值计算表明，铺设40 m厚覆盖层，桑园铁矿可采用崩落法开采2个阶段。

相对原先的上向充填法开采，2个阶段的崩落法开采不仅使得地下开采快速达产，减少先期投资，经经济比较，Ⅰ矿带2个阶段崩落法开采节约开采成本约1.0亿元。

由此可见，桑园铁矿结合自身特点，为转地下开采选定合理的采矿方法适应矿山过渡时期的需求，也节约了开采成本，并且符合密云地区建立生态矿山的精神。

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(责任编辑 徐志宏)

Selection of Mining Method of Transforming from Open-pit to Underground for Sangyuan Iron Mine

Xu Xinghua

(BeijingJiangchangMiningCo.，Ltd.，Miyun101504，China)

Some mining methods such as caving method, which have short construction period and low mining cost, are often selected for mines changing from open-pit to underground. However, as ecological and environmental protection getting more and more attention, surface collapse induced by underground mining is not permitted so that upward backfilling method with relative longer construction period and larger investment tend to be adopted by mine, which is harmful to mine management in transition period. Open-pit mining has already caused damage to the surface, so collapse is permitted inside the open-pit limit, therefore Sangyuan mine decide to combine caving and backfilling method for its transition to underground mining. Firstly, the engineering characteristic of Sangyuan Mine is introduced. Then, engineering analogy method and Laubscher method are used for preliminary choosing the depth of cave mining. Finally, based on the coupling analysis of block distinct element method (DEM) and particle DEM, the depth of cave mining and the thickness of covering layer are determined. Economic analysis showed that, with the combined mining method Sangyuan mine can not only overcome difficulties in transition period, but also save mining cost up to nearly 100 million Yuan.

Transition from open-pit to underground，Caving method，Backfilling method，Gravel covering layer，Combined mining method

2014-05-24

徐兴华(1968—)，男，副总经理，总工程师。

TU 804

A

1001-1250(2014)-09-021-06