杨家湾铁锌矿“三下”保护性开采安全措施研究

肖利民，刘晓亮，王 宇，窛向宇

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

杨家湾铁锌矿“三下”保护性开采安全措施研究

肖利民，刘晓亮，王 宇，窛向宇

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

针对杨家湾铁锌矿现状及面临的问题，通过采矿方法技术经济比较得出适合本矿山的最优采矿方法；结合矿山现状，合理划分出崩落法和充填法开采区域；通过模拟计算，确定出崩落法采场与下部充填法采场之间隔离层的厚度；最后根据矿山现状及未采动矿体分布情况，编制出安全、合理的回采顺序。在采取上述保护性开采安全措施后，将可保护矿区地表公路、河流、民房不被破坏。

“三下”开采；充填采矿法；安全；隔离层

“三下”开采是指在地表水体、建筑物、构筑物及铁路下进行矿体开采[1]。近年来，随着矿产资源的消耗迅猛增长，在国内，开采条件好、品位高的矿基本上都已经开采，而矿石品位低、上部有水体(流砂)、建筑物、主要运输干线等(统称“三下”矿床)、主体矿开采后的残留体(包括民采后空区间矿体、境界外矿体)、露天矿山深部矿体等复杂难采矿床逐步被开发利用[2]。

根据杨家湾铁锌矿实际情况，结合国内外矿山“三下”开采实践经验，对杨家湾铁锌矿”三下”保护性开采安全技术措施进行了研究。

1 矿山概况

杨家湾铁锌矿矿体顶板主要为正长斑岩，底板为透辉矽卡岩、黑云大理岩或透辉大理岩。正长斑岩较坚硬、性脆，受后期构造影响，裂隙发育，岩石较破碎，沿裂隙多发育粘土岩化，使岩石坚固性大大降低。岩石抗压强度571.0～1412.3 kg/cm2，抗拉强度20.1～67.0 kg/cm2，抗剪强度102.2～160.4 kg/cm2。透辉矽卡岩极易风化，吸水膨胀，较破碎，稳固性极差，对矿体开采不利。

矿区地表主要水体洛河自南而北横穿矿体。河水与第四纪砂砾石层地下水水力联系极为密切，是砂砾石含水层地下水的主要补给来源。2011年矿区地表已出现3个塌陷坑，塌陷面积共约2000 m2，据调查，汛期地面大气降水已有少量渗到井下。矿床水文地质条件属中等类型。

矿区西侧有洛河和磨徐公路。洛河是黄河支流之一，发源于陕西省蓝田县境华山南麓，流经洛南、卢氏、洛阳，于巩县境入黄河，是中国原始农业起源最早地区之一。洛河具有重要的历史、文化意义，而矿区位于洛河上游，开采时保护洛河不受破坏尤为重要。矿区西侧洛河沿岸的磨徐公路为附近的主要交通道路，矿区范围内沿磨徐公路两侧间隔分布有民房，公路及民房均不能破坏。

杨家湾铁锌矿采用分期开采。该矿山于2003年开始基建，2005年末投产，2006年达产。矿山采用地下开采方式，主竖井+斜井开拓，采矿方法为无底柱分段崩落法。一期开采范围为145～160线之间300 m以上保安矿柱以外的矿体。截至2012年底，350 m中段已基本回采结束，矿山开采现已造成地表3处塌陷，地表移动边界距矿区西侧公路42 m。若继续使用无底柱分段崩落法开采，地表岩石移动范围将进一步扩大，将对公路、河流、建(构)筑物造成破坏；而矿区范围内尚有丰富的矿石储量未采动，且深部矿岩稳固性未见好转。

2 “三下”保护性开采安全技术措施研究

2.1 选择安全、可行的采矿方法

目前杨家湾铁锌矿正在使用的无底柱分段崩落法已不能满足开采要求。矿山须采用能有效控制岩石移动的采矿方法替代崩落法，以满足安全环保、经济的需求。结合国内外矿山“三下”开采实践经验，国内外地下矿山保护地表唯一行之有效的措施就是采用充填法甚至胶结充填法，采用充填法可防止围岩崩落，减缓岩移。

为保护矿体上部的公路和河流，回采须选用充填采矿法。可选的采矿方法有：上向分层充填采矿法、上向进路充填采矿法、下向进路充填采矿法、点柱充填采矿法。上述采矿方法共同特点是充填采空区，能够有效控制岩石移动，由于回采工艺不同，适用条件不同。

表1 采矿方法技术经济比较

根据矿体围岩条件，井下最大安全跨度仅为4 m。因此，可排除上向分层充填采矿法和点柱充填采矿法。上向进路与下向进路回采的技术经济比较见表1。考虑到生产成本及工艺要求等因素，推荐采用上向进路充填采矿法作为矿山今后主要的采矿方法。

充填材料采用全尾砂，经对杨家湾铁锌矿选矿厂尾砂进行物理化学性质试验。试验结果表明，杨家湾铁锌矿的全尾砂物理化学性质可满足充填要求。采用选矿厂尾砂作为井下充填材料，可解决了充填材料问题，还大量减少了尾砂的外排量。

由于350 m中段回采引起的地表移动界线距离公路约42 m，300 m中段须尽快改为充填法开采，以防止地面塌陷、地面设施的破坏。

2.2 合理划分过渡中段开采区域

结合矿山开采现状，选择300 m中段作为充填法的首采中段和采矿方法过渡中段。在过渡中段，充填法回采和崩落法回采同时存在。将300 m中段划分出相应的开采区域以保证生产安全有序的进行。开采区域的划分满足以下原则：

(1) 充分考虑对地表公路、河流的保护，避免崩落法开采后，地表岩石移动对地表公路、河流造成破坏；

(2) 两种不同采矿方法之间应留适当的隔离矿柱，以保证生产安全；

(3) 崩落法开采区域内矿石量及生产能力应能满足充填采矿法达产之前的20×104t/a的产量需求。

为减少崩落法开采导致地表岩石移动对矿区西侧公路河流的影响，将崩落法开采采场布置在远离公路、河流的矿体东翼。区域内矿石储量按设计生产能力可采4.4 a计算。崩落法采场由东向西布置。在能满足生产能力的情况下，尽量缩小崩落开采范围，以避免地表移动界线扩大。在充填采矿法应用之后，尽快停止崩落法回采。

采用FLAC3D对崩落法开采区域开采后的模型进行数值模拟分析。分析表明，划定区域内采用崩落法回采后，对地表岩石移动影响较小，不会大幅增大地表岩石移动范围，能避免地表公路、河流、建(构)筑物遭到破坏。

因300 m中段同时进行崩落法和充填法开采，崩落法开采时会造成附近矿岩的破坏，因此需要在崩落与充填法之间留隔离矿柱。隔离矿柱的宽度B=H/tanα=50/tan70°=18.2 m，考虑一定的安全余量，隔离矿柱安全宽度取20 m。

充填法开采区域位于隔离矿柱以西，此区域作为充填采矿法的试验采场，在采矿方法试验结束后，逐渐增加充填法采场，完成崩落法向充填法的过渡。

2.3 确定安全、经济的隔离层厚度

为避免300 m中段隔离矿柱以西的崩落法开采区域回采后对下部充填法回采造成影响，保证下部生产安全，300 m中段崩落法采场与下部充填法采场之间要留有一定厚度的矿体作为隔离层。

为确定出安全、经济的隔离层厚度，采用有限元差分方法，并应用FLAC3D软件对矿山上向进路充填法中的单进路开挖和全分层多进路同时开挖的稳定性进行模拟计算。稳定性模拟计算成果见表2。

表2 稳定性模拟计算结果

根据计算不同隔离层厚度情况下竖向位移及应力分布结果，隔离层厚度大于8 m时，隔离层下部矿柱及进路开采趋于安全状态，12 m时已经处于稳定状态。

因本次分析为标准采区最大宽度，而实际开采过程中，采区会随矿体产状发生变化，宽度变小，同一分层进路数、同时开挖产生空区均会相应减少，则进路和矿柱产生的位移和应力都会适当变小。故按标准采区规格来分析，得出的隔离层厚度安全余量足够，完全可以保障因矿体产状变化而造成采区宽度变化所需要的隔离层安全厚度。考虑到矿山实际开采中仍有地层、断层及充填体强度等外在因素，综合确定隔离层安全、经济厚度取值10～12 m及以上。

2.4 编制安全、合理的回采顺序

目前矿山未采动的矿体分布在200～440 m标高之间，根据矿床开采技术条件，并为保护地表公路、河流、建(构)筑物不被破坏,以及考虑到崩落法转充填法开采的需要，本次研究编制出矿山未采动矿体的总体回采顺序及各阶段回采顺序，以保证矿山能安全、有序的生产。

矿山未采动矿体的总体回采顺序为：首先回采过渡阶段矿体，再进行矿山二期回采，最后回采矿柱。

(1) 过渡阶段回采顺序。过渡阶段即回采300 m过渡中段时期。杨家湾铁锌矿现有开拓系统已开拓至300 m中段，300 m中段矿石储量较大，矿体形态较好，350 m中段崩落法回采结束后即转入300 m中段开采。在300 m过渡中段完成崩落法向充填法的转换。300 m中段以隔离矿柱为界，隔离矿柱以东的崩落法开采区域其回采顺序为自东向西、自上而下回采。隔离矿柱以西的充填法开采区域其回采顺序为自东向西、自下而上回采。采用上述回采顺序，可减少和延缓崩落法开采对地表设施、充填法回采区域的影响。

(2) 矿山二期回采顺序。在300 m过渡中段回采结束后，即开始二期开采。对于充填采矿法来说，最理想的开采方式是不留顶底柱、不做人工假顶，则中段内采用自下而上一次回采顺序，达到较高矿石回收率。杨家湾铅锌矿的矿石价值并不高，矿体自上而下变小逐渐尖灭，下部矿量不多，故上下中段间采用自上而下的回采顺序，即先采250 m中段，再采200 m中段。

(3) 矿柱回采顺序。二期回采结束之后，整个矿山的主要矿体开采已结束，将转入矿柱回采阶段。此阶段主要回采采场底柱、隔离层、隔离矿柱、350 m以上崩落法回采剩下的矿体等。矿柱回采仍使用上向进路充填采矿法，采用自下而上的回采顺序，即先回采200 m中段底柱、250 m中段隔离层、底柱，再采300 m中段隔离矿柱，最后回采350 m以上崩落法回采剩下的矿体。

3 预期效果

杨家湾铁锌矿在过渡回采阶段如能完成崩落法转充填法，并按划定的回采区域及编制的回采顺序开采矿山未采动矿体，同时留设好隔离层、隔离矿柱。预期采用上向进路充填采矿法开采对围岩应力扰动小，能保证采区稳定，基本不变形，研究所确定的隔离层厚度、隔离矿柱宽度能够满足矿山安全开采需要，通过采取上述保护性开采安全技术措施后能达到保护矿区地表公路、河流、民房不被破坏的目的，并使该矿山矿产资源得到最大化的开采利用。

4 研究意义

(1) 本研究属于“三下”开采，矿体上方有磨徐公路和洛河，且井下矿岩稳固性差，开采技术条件复杂。本次研究成果对类似矿山安全、高效生产具有借鉴和指导意义。

(2) 充填采矿法可防止围岩崩落，减缓岩移，是保护地表的行之有效的措施。通过研究，选择合适的开采方案，避免开采造成地表破坏，对环境保护具有重要意义。将选矿产生的尾砂作为充填料充入井下，减少尾砂在地表的排放，减轻尾矿库的负担，减少了对环境的破坏。

(3) 充填采矿法具有较高的回收率，适应矿体形态变化的能力强，灵活性大，对于提高资源回收率有重要的意义。

(4) 通过实施本研究方案，能保证矿山持续、稳定的生产，保护区域生态环境，促进区域经济发展，创造劳动就业条件，具有较高的社会经济效益。

[1] 张富民，潘 燮，等.采矿设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

[2] 郭金峰.我国复杂难采矿床开采的问题与对策[J].金属矿山，2005(12)：10.

[3] 张德明，李少磊，徐恩华，等.新编矿山采矿设计手册[M].北京，中国矿业大学出版社，2007：1330-1336.

2013-12-13)

肖利民(1982-)，男，湖南衡阳人，硕士，工程师，主要从事矿山安全设计研究工作，Email:26363515@qq.com。