高速公路压覆矿体协同开采设计

李洁慧

(湖南有色金属研究院， 湖南 长沙 410100)

高速公路压覆矿体协同开采设计

李洁慧

(湖南有色金属研究院， 湖南 长沙 410100)

协调好资源节约与综合利用、安全之间的矛盾，是实现高速公路压覆矿体协同开采的重要途径。以湖南某大型铅锌矿为例，分析了矿山开采沉陷的影响因素，根据确定的开采移动角和安全保护带宽度等，圈定了高速公路压覆矿体范围，并开展高速公路压覆矿体协同开采设计。结果表明：在采用机械化上向水平分层充填采矿法和自下而上开采顺序的前提下，根据 “三带”基础理论确定最高回采标高，留设合理安全隔离矿柱，既能保证井下开采的安全，又大大减少了压覆资源量，推动了企业可持续发展。

压覆矿体；开采沉陷；协同开采;“三下”开采

0 引 言

随着我国经济的快速发展，近年来，高速公路穿过矿区上部的现象也越来越普遍。一方面，为保证高速公路运行及井下开采安全，需压覆矿产资源；另一方面，压覆资源量太大，造成了国家宝贵的矿产资源浪费和制约了矿山企业的可持续发展[1]。因此，在资源节约与综合利用，以及安全成为当代主题的今天，如何协调好这两者的矛盾，实现压覆矿体的协同开采，是高速公路压覆矿体开采要解决的首要问题[2]。

我国对高速公路压覆矿体的开采研究和应用较多，且获得了宝贵经验[1-5]。目前，为控制地表岩移和实现协同开采，高速公路压覆矿体安全开采一般采取两大保护措施：一是根据 “三带”基础理论[6]，留设一定厚度的安全隔离矿柱；二是采用合理、可行的开采工艺。

以湖南省某铅锌矿为例，开展高速公路压覆矿体协同开采设计。该铅锌矿为一个生产矿山，矿区新探明丰富的铅锌深部资源，矿床规模为大型，矿体埋藏深度超过800 m。同时，一条省内高速公路线路以几乎平行勘探线方向从该矿山新探明区域通过，给矿山的安全和资源开发利用均造成了影响。

1 工程概述

矿山设计生产能力为5000 t/d(1650 kt/a)，开采方式为地下开采，开拓系统为主、副竖井，中段运输采用电机车方式，充填采用分级尾砂胶结系统。

矿体类型为铅锌原生矿，形态为层状、似层状，赋存标高+86～-1104 m，平均倾角76.5°，平均厚度12.3 m，走向长度1.82 km，平均品位：Pb 3.21%，Zn 4.95%，伴生Ag 86.5 g/t。

矿体及围岩均为白云岩，岩性组合单一，岩层产状陡，质地坚硬，抗压强度大(f系数为8～12)，抗剪强度高，遇水不软化，稳定性好，断层构造和大的节理裂隙不甚发育，总体工程地质条件有利，矿床属于碳酸盐岩为主、层状可溶盐岩类、工程地质条件中等类型的矿床。

矿区外围有一条河流，该河流是矿坑的主要补给源。同时，矿内构造断裂破碎带和岩溶较发育，地下水埋藏浅，矿体位于当地侵蚀基准面以下；主要充水含水层在浅部岩溶较发育，富水性中等，深部岩溶弱发育，富水性较差；但岩溶水具有较高水压、水文地质边界条件较复杂，且可能产生岩溶地面塌陷、地面沉降变形等问题，水文地质条件为中等偏复杂类型。

2 开采沉陷影响分析

(1) 覆岩力学性质的影响。该矿覆岩主要为白云岩，属坚硬岩石，稳固性好，开采时岩层及地表移动影响特征为：随着采空区悬挂面积增大，地表易产生非连续性变形；岩层及地表下沉量小，拐点平移距大；在急倾斜矿层开采条件下地表易出现塌陷坑或塌陷漏斗。

(2) 矿体倾角的影响。矿体倾角为急倾斜，下沉盆地的非对称性十分明显，下山方向影响范围远远大于上山方向影响范围。随着矿体倾角增大，最大下沉点位置逐渐移向矿体上山方向，倾斜剖面形状由对称的碗形逐渐变为非对称的瓢形，急倾斜矿体开采时不出现充分采动情况，最大下沉值随回采阶段垂高的增加而增大。

(3) 开采厚度/深度的影响[6]。一般来讲，地表移动变形值即与开采厚度成正比，与开采深度成反比。常用深厚比作为衡量开采条件对地表沉陷影响的粗略估计指标，深厚比较大，地表移动变形值越小，移动和变形就越平缓：深厚比较小，地表移动与变形就越剧烈。

(4) 采矿方法的影响。对于高速公路下矿体的安全回采，必须采用充填采矿法。充填法开采对覆岩破坏较小，一般只引起开裂性破坏而无冒落性破坏，能够减小地表移动量，并使地表移动和变形更为均匀。地表移动量大小与所采用的充填方法、充填材料、充填体压缩率以及顶板岩层发育程度有关。高浓度分级尾砂胶结充填体压缩率最小，废石充填或废石与尾砂混合充填体压缩率较大。

(5) 疏干排水的影响。结合矿山实际，随着深部采矿巷道的开拓，形成的降落漏斗在不断扩大，原来位于第四系中的地下水位将下降至基岩顶面以下，从而疏干第四系中的地下水。故随着地下水位的降低，第四系土层就开始了压缩沉降。目前，压覆矿体第四系土层大部分已经疏干，第四系粘土层已经开始排水固结，随着时间的增长，这种固结最终将趋于稳定，地面沉降量也将逐渐减小，预计深部采矿排水所引起的第四系土层排水固结沉降量不会太大。

3 高速公路压覆矿体圈定

3.1 开采移动角

根据矿体的赋存形态、工程地质和水文地质条件，地表地形、构造及地表建筑构造物等情况，考虑到所选用的采矿方法，采用工程类比法，参照类似矿山地表岩移实测资料，最终确定矿山开采移动角为：上盘68°，下盘72°，两翼68°。

3.2 安全保护带宽度

根据《有色金属采矿设计规范》(GB50771)和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定，高速公路保护等级为Ⅰ级，保护带宽度取20 m。同时，根据《公路安全保护条例》的有关规定“禁止在公路用地外缘起向外100 m、中型以上公路桥梁周围200 m范围内，从事采矿、采石、取土、爆破作业等危及公路、公路桥梁、公路隧道、公路渡口安全的活动”。

对于上述不同的规定，根据取“最大值”原则，高速公路安全保护带宽度取100 m。

3.3 压覆矿体的圈定

根据确定的开采移动角、安全保护带宽度和高速公路线路布置情况(高速公路几乎平行0号勘探线穿过矿区)等来圈定压覆矿体的范围，见图1。

图1 高速公路压覆矿体立面范围

高速公路压覆矿产资源储量估算常用的方法有地质块段法、剖面法、垂线法、数字标高投影法等[7-8]，根据矿体赋存特征、工程类型和开采方式等，该铅锌矿区采用地质块段法估算资源储量，在垂直纵投影图上划分块段，能较客观地反映矿体形态。

一般情况下，为保护高速公路的安全，高速公路压覆范围内的矿体须留作保安矿柱，不能回采。通过计算，总的压覆地质矿量为1486.5万t，Pb金属量477166 t，Zn金属量735817 t，Ag金属量1286 t。

但是，考虑到压覆资源量太大，必须开展协同开采设计，即在采用充填采矿法等技术前提下，借鉴煤矿“三下”开采经验，以最大限度回收宝贵矿产资源，同时确保井下安全回采。

4 协同开采设计

4.1 采矿方法

矿区为公路下开采，对开采安全要求较高，同时，矿石品位较高，宜采用充填采矿法。根据矿体的形态及赋存条件、矿体及其顶底板围岩情况，确定采矿方法及其采场结构参数如下：

(1) 沿走向布置的机械化上向水平分层充填法。适用于矿岩稳固，急倾斜，矿体厚度<15 m的矿体。矿块沿走向布置，长40～50 m，宽为矿体水平厚度，高为40 m(中段高度)，分层高4.0 m，分段高12.0 m，一个盘区由2～3个采场组成，走向长80～150 m，不留间柱和顶柱，留底柱6.0 m。

(2) 垂直走向布置的机械化上向水平分层充填法。适用于矿岩稳固，急倾斜，矿体厚度≥15 m的矿体。矿块由一个矿房和一个矿柱组成。矿块垂直矿体走向布置，长为矿体水平厚，宽30 m，高为40 m(中段高度)，矿房、矿柱宽均为15 m，分段高度12.0 m，分层高4.0 m，一个盘区由4个矿块组成，长120 m，不留顶柱，留底柱6.0 m。

4.2 开采顺序

根据开采沉陷影响因素分析结果，地表移动和变形与开采深度关系密切，随着开采深度的增加，地表各项移动变形值减小，这是由于采深增加，地表移动范围增加，但下沉值变化不大，地表移动盆地变得平缓，各项变形值减小，因此，在其它条件相同的情况下，地表各项变形值与采深成反比。

因此，如果采用从下而上的开采顺序，先开采深部矿体，可以使地表移动盆地变缓，延长岩移时间，减小地表因岩移速度过快而产生不均匀下沉的可能。同时考虑到矿体矿量分布情况，设计采用从下而上的开采顺序。

4.3 最高回采标高

从最大限度回收资源角度出发，需采用高成本的高强度胶结充填采矿法开采高速公路压覆矿体。另外，通过疏干排水的影响分析，地采引起的冒落带、裂缝带不与矿区强含水层沟通，尽量做到井下疏干排水经弱含水层平缓进行，减少地采对地表高速公路的影响，特别是岩溶塌陷引起的地表塌陷。

目前，最高回采标高通过计算冒落带和裂隙带高度来确定，煤炭系统广泛采用的冒落带和裂隙带计算公式为：

式中，Ha为安全开采深度，m；hb为保护层厚度，m，取20 m；hm为冒落带高度，m；hd为导水裂隙带高度，m；m为矿体厚度，m；h为采幅垂直厚度，m，充填法金属矿山可取未接顶高度，考虑充填接顶、充填体压缩沉降等因素，取1.5 m，；α为矿体倾角，(°)；k为冒落矿岩自由松脱的松散系数，取1.4。

根据上述公式计算的安全开采深度和最高回采标高见表1。依据计算的最高回采标高，以及中段布置情况，确定-210 m中段标高以上矿体作为永久保安矿柱，不进行开采；-210 m标高以下的矿体可以回采，但必须进行试采，并在试采中查明垮落带和导水裂缝带的高度以及水文地质条件变化、观测地表移动与变形等情况，作为矿山高速公路下开采的科学依据。

表1 最高回采标高计算

据此计算的压覆地质矿量为270.5万t(仅占总的压覆矿体的18.2%)，Pb金属量86844 t，Zn金属量133919 t，Ag金属量234 t。

5 结 论

(1) 在采用充填法开采和优化回采顺序等前提下，根据 “三带”基础理论，计算最高回采标高，留设合理安全隔离矿柱，可实现资源节约与综合利用、安全的协同开采。

(2) 以某铅锌矿为例，通过高速公路压覆矿体的协同开采设计，可多回收地质资源量1216.0万t，Pb金属量390322 t，Zn金属量601899 t，Ag金属量1052 t，推动了企业的可持续发展。

(3) 为进一步确保高速公路下矿体的安全开采，矿山在今后生产管理要加强监测、充填和探水等安全管理工作。

[1]方文会.高速公路压覆煤炭资源开采的可行性分析[J].矿山测量，2014(4)：72-75.

[2]张玉法,王大刚,王昌念,等.高速公路压覆煤炭资源节约与综合利用探讨[J].中国矿业,2012,21(4):41-44,67.

[3]侯春来，吴爱祥，王贻明.高速公路下开采的地表沉降控制与预测[J].矿业研究与开发，2016，36(5)：23-26.

[4]许宏凯，毕振东，申燕元.某铜矿压覆区内资源回采调整方案的可行性验证[J].黄金，2017，38(3)：44-48.

[5]江鹏飞，汪为平.黄梅山矿区压覆铁矿资源安全利用技术[J].金属矿山，2007(8)：62-63.

[6]张士虎.岩层移动角在压覆矿产资源评价中的应用[J].资源环境与工程,2014(3):326-329.

[7]李再兴，徐 伟，彭 妮，等.关于压覆矿产资源储量估算方法的探讨-以三门峡至淅川高速公路某段拟压覆矿产资源为例[J].地下水,2014(3):148-149.

[8]岳雪波，帅志鹏，王吉祥.建设项目压覆矿产资源评估方法探讨[J].人民长江，2013，44(6)：44-46.

2017-05-19)

李洁慧(1985-)，女，湖南衡阳人，硕士，工程师，主要研究方向为采矿工艺和矿山安全，Email：99376196@qq.com。