金属矿山“三下”矿体开采

卢央泽

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

金属矿山“三下”矿体开采

卢央泽

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

总结了国内“三下”金属矿山的开采经验,以某金属矿“三下”开采为例，通过理论分析、监测等技术手段，提出了该矿“三下”保护性开采的安全措施。

金属矿山 “三下”矿体开采 安全措施

“三下”矿体开采始于19 世纪，成功实例很多，其理论各成体系，总体体现在以下3个方面[1]：①只要存在地下采空区，就会改变地应力状态，上覆岩层就会发生改变，地表和岩体移动的形式和剧烈程度取决于岩体的力学性质、矿体的埋藏条件和所用的采矿方法等，而岩体内的软弱结构面如大的断裂构造对岩体的稳定性起着控制作用；②均质稳固的岩层、埋深大，只发生上覆岩层局部变形，岩移不会波及到地表，即存在一个安全的临界深度，但这一“安全深度”难以界定；③控制采动程度和开采跨度能维持岩层与地表的稳定与变形，采空区放顶或充填可以阻止或延缓岩层与地表变形。金属矿“三下”开采，尤其是有色金属矿山，大多处于山区，且埋藏条件复杂，故有其独有的特殊性，目前尚无通用开采理论与方法借鉴。通过类比国内金属矿山“三下”开采经验，制定某金矿“三下”保护性开采安全技术方案和措施。

1 国内金属矿山“三下”开采

1.1 金属矿山“三下”开采实例

(1)某铁矿。安徽某铁矿主矿体均厚22 m，倾角大于50°，覆盖层厚度70～90 m。围岩一般为花岗岩、片麻岩，坚固系数f=8～12，属坚固岩石。矿石极稳固，上部与第四系地层接触处发育17.12～76.90 m厚度的古风化层，强风化带一般呈碎块和短柱状；下部为中～弱风化带，裂隙发育，岩石较不稳定～不稳定。地表为农田和村庄，不允许塌陷。采用垂直走向分段矿房充填采矿法：长为矿体厚，宽为15～20 m，-150 m中段矿房高50 m，-200 m中段矿房高78 m，分段高为10～13 m。为保护地表农田和村庄，控制第四系含水层的岩层移动，在矿体上部与第四系接触处留20 m厚的矿体作为隔离层。实践证明，20 m厚的隔离层能够保证矿体的安全开采，能控制导水裂隙发育。

(2)某镍矿。甘肃某镍矿赋存于辉橄榄岩、纯橄榄岩和二辉橄榄岩中，呈层状产出。走向长1 600 m，均厚98 m，倾角60°～75°，矿石抗压强度高，但节裂隙发育，裂隙面光滑。因部分地段有多种后期沿脉穿插，致使矿体整体稳固性差。盘区沿走向布置，长为100 m，宽为富矿和下盘贫矿厚度，阶段高50 m，分段高12 m，分层高4 m，进路宽5 m。矿山为了两个中段同时开采，1 150 m中段共5个分段，第一、第二分段已回采结束，第三个分段正在回采，中段还剩1 178 m和 1 158 m 两个分段，在1 150～1 000 m已经形成一个较大规模的水平矿柱，厚度20 m，水平面积达到10万m2。出于安全考虑，1 000 m 中段回采过程中，在16行处沿矿体的走向设置了30 m宽的连续矿柱。目前，矿山计划采用下向分层充填采矿法回收水平矿柱和垂直矿柱。

(3)某锡矿。广西某大型有色金属矿山，以锡为主，主要开采细脉带矿体，倾角15°～20°，走向长1 066 m，斜长480 m，最大厚50 m，均厚15 m，赋存标高490～335 m。91#矿体和其上方的细脉带矿体交织在一起，两者类似于船身和帆的关系。92#矿体位于91#矿体下方，相隔较近，其产状与91#矿体相似，矿体规模巨大，走向长1 130 m，平均厚27 m，倾斜延深700 m，赋存标高570～270 m。矿山开采历史悠久，经历了多次采矿方法变革。目前，开采深度已达600 m，由于开采面积大，矿山在矿体中央留有一大十字形的永久矿柱，矿柱宽26～36 m，大大减缓了矿山的地压显现。

1.2 金属矿山“三下”开采经验分析

①矿床开采会引起地表移动与变形，但从采矿方法、回采顺序、采矿规模上加以控制，确保地表的沉降与变形控制到最小限度；②为了确保地表不产生较大变形与塌陷，必须保留一定的连续矿柱支撑上下盘围岩；③为了减少矿石损失，充填采矿法不失为一有效的方法[2-5]。

2 某金矿“三下”开采

2.1 基本条件

(1)开采技术条件。某金矿走向南北，倾向280°～290°，倾角27°～30°。断层下盘矿体由北向南逐渐变陡，矿体厚5.8～7.5 m，南薄北厚，厚度变化不大，平均约6.0 m。矿层由呈粒状结构、致密块状、条带状构造的磷块岩构成。磷块岩菱形节理发育，沿节理面有泥质充填，易冒落，不稳固，f=6.2～22.2。直接顶板为棕褐色，黄褐色泥质页岩，呈强风化状态，遇水易膨胀冒落，极不稳固，f=2～3。底板为灰绿色细砂岩，局部属中粒砂岩，呈中厚层状产出，致密坚硬，普氏系数f=7.3～15.9。水文地质属中等～简单型，涌水量不大，大气降雨为主要补给源。

(2)地表条件。公路海拔高度1 200～1 350 m，为保护公路留设的保安矿柱占总矿量的50%，公路所在矿区地质构造属复杂的构造变形区，断裂、褶皱构造发育，出露地层岩性软硬相间，差异较大，地形切割剧烈，谷深坡陡，雨水交替强烈，形成了特殊的地理环境，加大了保护公路的难度。

(3)井下条件。公路保安矿(岩)柱为采动影响范围，为明确该范围内与矿体位置关系、地质弱面分布和对公路的影响程度，对公路范围内的剖面图和平面图进行了分析，见表1。

表1 公路下井下条件分析

通过对各剖面的系统分析,可以看出对裂隙的影响主要在1 100～1 220 m标高段,与井下开采情况吻合，故该范围内矿体回采工艺和充填措施是决定地表公路不产生非均匀沉降、裂缝和塌陷的关键。

2.2 采矿方法

(1)采场结构参数。采用分矿房矿柱中深孔落矿嗣后充填采矿法，即盘区长600～800 m，高度50 m，分段高度8 m，分段之间与脉外斜坡道相连，一个盘区可布置5个分段。采场回采顺序为：先采矿房，之后胶结充填，后采矿柱，矿柱采后非胶结充填。采场长度16 m，为保护公路，采场与采场间内留4 m矿柱，采场垂直高度8 m。

(2)矿柱布置形式。矿柱有沿水平方向和沿矿体倾向两种条带状布置，利用有限元分析，见表2。经综合比较，推荐垂直条带状矿柱形式。

表2 矿柱布置形式最大应力、位移对比

(3)回采工艺及指标。采场用YGZ-90钻凿上向扇形中深孔，孔径60～65 mm，排距1.4 m，孔底距2.2～2.4 m，炮孔崩矿量为4.3 t/m，分次爆破，每次爆破3～4排，后退式回采，炸药单耗0.443 kg/t，采用铲运机出矿。多年的开采试验表明，保安矿柱开采回采率超过79%，贫化率仅4.5%，技术指标良好。

(4)充填工艺。采场充填料浆配比：采场底部2 m 及浇面层按1∶1∶4充填，采场中央根据需要填充采掘废石，其充填料浆配比按1∶1∶6充填，终期强度可达到1.3～2 MPa。

2.3 岩移观测结果

2004年11月—2007年9月进行了位移监测，结果见表3。

表3 采场顶板沉降观测[1]mm

序号观测时间1#点位移2#点位移3#点位移4#点位移12004-11-0.26383-0.42618-0.56238-0.5889122005-07-0.61982-0.71784-0.86164-0.9994732005-10-0.67911-0.77921-0.91861-1.1020342006-03-0.72357-0.84057-0.96133-1.1752652006-04-0.73839-0.85590-0.98980-1.1899062006-05-0.76803-0.87124-1.00404-1.2191972006-06-0.78284-0.88657-1.01827-1.2338382006-07-0.79766-0.90191-1.03251-1.2631292006-08-0.81248-0.91724-1.03251-1.27776102006-09-0.82729-0.93257-1.04674-1.30703112007-01-0.82729-0.93257-1.04674-1.30703122007-09-0.82729-0.93257-1.04674-1.30703

监测结果表明:①采场整体稳定性好，下沉量很小，未发生较大变形；②充填体稳定及顶板的变形是个较长时间的过程，需要长时间监测；③原岩矿柱支撑和提高充填接顶率是确保采场稳定的主要因素。

公路沿钱也布置了大量的测点，多年监测结果表明，公路基本没有位移变形，公路全程路面未见裂隙与裂缝，说明了采动影响控制效果好，岩移并未波及到地表。

3 结 语

①明确受保护建(构)筑物、路基和水体的性质及重要程度，慎重对待人员集中建(构)筑物和重要水体下开采的安全性和可行性，并通过分析地表地形、矿体的埋藏条件、水文地质和工程地质条件(尤其是岩体内的软弱结构面)，充分估计充填法开采的保护程度和控制效果，以确定保安矿柱留设方式；②在开采顺序、采矿方法、结构参数、爆破和充填工艺等方面，分中段依次分析对地表建(构)筑物、路基和水体的影响程度；③加强管理，严格实行“强采、强出和强充”制度，并通过加强充填质量管理，实行多点下料、二次充填和强制接顶等措施，提高充填接顶率和结实率；④对大型矿山，尤其是水文地质条件复杂矿山，应运用有限元或流固耦合等数值模拟软件，结合类似矿山开采经验对水平矿柱、垂直矿柱或框架结构矿柱等留设方式进行分析比较，在确保安全的前提下减少永久矿柱量，提高回收率；⑤岩石移动和地表变形是一个复杂的四维问题，应运用监测手段加强受保护对象的后期管理，并制定应急预案，确保生产安全。

[1] 中南大学，贵州开磷集团.公路下复杂矿体开采综合技术研究阶段总结报告[R].长沙：中南大学，2004.

[2] 彭 康.海底下框架式分层充填法开采中矿岩稳定性分析[J].中南大学学报：自然科学版，2011(11)：26-29.

[3] 杜绍伦.充填开采过程中岩体能量释放规律研究[J].金属矿山，2010(5)：10-15.

[4] 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)：52-55.

[5] 张德明.新编矿山采矿设计手册[M].北京：中国矿业大学出版社，2007.

2014-11-21)

卢央泽(1981—)，男，工程师，硕士，410011 湖南省长沙市解放中路199号。