锡林浩特萤石矿竖井保安矿柱优化方法

张东杰，任凤玉，曹建立，何荣兴

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

近年来，随着萤石矿产资源需求的不断增加，萤石矿山企业的经济效益有了显著提升，而安全高效的开采能力是矿山收益的根本保证。锡林浩特萤石矿位于广阔的锡林郭勒草原之中，矿体倾角为80～90°，水平厚度2.5～10 m，矿体沿走长约450 m，萤石平均品位达到73.21%，属于典型的急倾斜薄到中厚高品位矿床，采用浅孔留矿法开采[1-2]。矿山按照传统65°错动角进行竖井保安矿柱的圈定[3-4]，随着开采不断向深部发展，发现深部萤石矿产资源越来越多的位于原保安矿柱圈定范围内，导致可采资源量大大降低，严重影响矿山的正常生产运营。因此，如何合理地确定竖井保安矿柱的尺寸，在保障矿山竖井安全运行的前提下，避免不必要的资源浪费成为了矿山亟待解决的难题。

本文结合锡林浩特萤石矿地质与开采条件，首先对地表塌陷范围及塌落角进行了详细测确，根据测确结果，提出利用临界散体柱作用机理来优化保安矿柱新思路，有效解决了传统保安矿柱存在的过度圈定问题，释放了大量可采资源，并且在现场应用中取得了良好效果。

1 地表塌陷范围与塌落角测确

1.1 地表塌陷范围调查

锡林浩特萤石矿采用浅孔留矿法开采，不可避免会在井下形成大规模采空区，一旦空区冒透地表，将形成明显的塌陷坑[5-8]。经过现场调研，目前在地表共形成4个不同规模的塌陷坑，呈“一”字形沿矿体走向由副井向主井方向依次排列。塌陷坑位置分布见图1。

图1 地表塌陷坑分布图Fig.1 The distribution map of surface collapse pits

根据现场实测结果(图2)，1#塌陷坑长约55 m，宽约20 m，目前正在利用废石充填；2#塌陷坑整体近似圆形，直径约20 m，由于该塌陷坑规模较小且上面为第四系黄土层，塌陷坑表面略有下沉，尚未进行充填；3#塌陷坑，呈椭圆形，长轴约12.5 m，短轴约8 m，从塌陷坑边缘可观察到一中段的采场的顶板；4#塌陷坑呈长方形，长约10 m，宽约3.5 m。塌陷坑的周边均设置了安全防护网。

结合现场实测结果，发现四个塌陷坑距离主井均比较远，对主井暂构不成威胁，而1#塌陷坑距离副井最近，构成的威胁也最大。因此，在后续塌落角测确分析中，将重点计算分析1#塌陷坑的塌落角，为后续保安矿柱优化提供依据。

图2 塌陷坑赋存状态Fig.2 Occurrence status of collapse pits

1.2 塌落角测确

为获取准确的塌落角，需要探明地表塌陷范围与井下废石充填散体流动边界，实现井下与地表协同对照测确。目前一中段与二中段经多年开发巷道已废弃，无法观测废石散体流动情况，故将三中段作为重点调查地点，研究发现1#塌陷坑边缘对应的三中段穿脉巷道均已被冒落散体封堵(图3)。

图3 巷道被散体封堵部位与地表塌陷边界投影图Fig.3 Projection diagram of the roadway being blocked by the bulk and the surface collapse boundary

根据地表1#塌陷坑实测塌陷范围，结合三中段水平所测得冒落散体塌落边界及覆盖层散体的塌落特性，得出沿矿体走向方向的塌落界限，见图4。利用作图法得出，1#塌陷坑沿走向方向的塌落角约85°。

1#塌陷坑沿倾向方向的分布形态见图5，测得塌落角较缓一侧为83°，较陡一侧为88°。最终确定1#塌陷坑沿走向塌落角为85°，沿倾向塌落角取为83°。综合安全设计考虑，在后续研究中将选用83°塌落角作为保安矿柱优化的主要依据。

图4 1#塌陷坑沿走向塌落界限分布图Fig.4 Distribution of the collapse boundary along the along the strike of the 1# collapse pit

图5 1#塌陷坑沿倾向塌落界限分布图Fig.5 Distribution of the collapse boundary along the along the inclination of the 1# collapse pit

2 临界散体柱作用机理

根据现场调查结果，1#塌陷坑正在利用废石散体填实，这些散体向塌陷坑边壁施加主动侧应力，同时又承受边壁岩体变形挤压的被动侧应力。两种应力共同作用对边壁岩体形成较大的侧向承载力，增强边壁岩体的稳定性。研究发现塌陷坑内散体对边壁岩体的侧向支撑力，会随散体堆高度的增大而增加。当充填散体堆积到一定程度，其顶部散体柱的承载能力能够使底部散体的变形刚度足以克服边壁岩体碎胀，以此来限制边壁岩体的塌冒，这一高度的散体柱称之为临界散体柱[9-11]。

随着井下开采深度的增加，塌陷坑散体不断向下移动，而散体在下移的过程中保持连续流动。井下放矿时，从放矿口开始散体由近及远发生松动，松动体内散体的密度减小，对倾斜边壁侧压力减小。但在松动体之上，散体缓慢向下移动沉实的过程中，散体的移动迹线几乎与斜壁平行，平行流动的散体同样对边壁施加侧压力，而且散体高度越大，密度越大，侧压力越大。当平行流动的散体柱达到一定高度时，其下散体同样会对侧壁形成足够大的支撑力，使塌陷坑侧壁围岩不再发生侧向片落，同时由片落引发的地表塌陷相应终止。因此，对于移动散体，同样存在临界散体柱，可以阻止边壁片落，使地表塌陷范围不会再增大。

由上述分析可知，塌陷坑内临界散体柱控制着边壁岩体的片落范围。如果在开采中能够满足临界散体柱的高度与变形刚度不变，即可保证地表塌陷范围不会发生大的变化。基于此，研究采用塌落角作为岩体陷落范围大小的主要因素，将临界散体柱与其上陷落坑的高度之和称为临界深度(图6)，由几何关系分析得出塌落角与采深的关系式，见式(1)。

(1)

式中：β为塌落角；α为矿体倾角；β0为岩移角；H为开采深度；h0为临界深度。

当临界深度一定时，开采深度越大，塌落角也越大；当采深一定时，临界深度越小，塌落角越大。说明塌陷坑的高度越小，陷落角越大。这一关系表明，如果向塌陷坑充填散体，使临界散体柱的位置上移，可有效增强地表塌陷区边界岩体的稳定性，该作用机理已经成功应用于弓长岭铁矿的地表塌陷范围控制[12]。

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图6 塌陷角与采深关系Fig.6 Relationship between collapse angle and mining depth

综合分析，当临界散体柱存在时，散体柱下方边壁岩体的片落及岩移发展可受到有效限制，而实际可能发生片落或者岩移的边壁岩体只是位于临界散体柱所在高度范围内的部分岩体，只要保持塌陷坑内临界散体柱高度不变，地表边壁岩体片落与岩移必将受到限制。而传统的保安矿柱圈定方法忽略了塌陷坑内散体的支撑作用，往往导致过大的保安矿柱圈定范围。因此，保安矿柱合理尺寸的选择需充分考虑塌陷坑内散体的塌陷角与临界散体柱的高度，最终由两者来共同确定。

3 保安矿柱优化方法

根据前述调查分析结果，用于保安矿柱优化的塌落角选为83°，考虑到井筒位置与矿体的关系和生产安全需要，最终确定按81°的塌落角来确定保安矿柱，矿体倾角取85°，开采深度为195 m。由临界散体柱的高度与空区边壁倾角的关系式计算得出1#塌陷坑临界散体柱的高度，见式(2)。

(2)

近地表岩层受地质与环境条件影响，其稳定性往往较深部原生岩体有所降低，导致地表岩移范围会相应增加，从安全角度考虑，将计算散体柱的高度乘以1.2的安全系数作为初始设计值，最终还将根据现场应用情况进行调整。由此安全系数确定出临界散体柱的高度为105 m，优化后竖井保安矿柱范围见图7，界限2代表距离竖井20 m的安全距离，即按照81°陷落角所圈定的新保安矿柱范围(从地表距离竖井20 m距离，以竖井为中心按照81°陷落角向下延伸，达到临界散体柱所需的安全高度后，垂直向下延伸，最终确定出新的保安矿柱范围(以竖井为中心、半径为40 m的圆柱区域))。

根据各中段的回采界限，并结合矿体开采的剖面图，发现优化后位于各中段保安矿柱范围以外的原留矿柱均可以进行回采。其中，二中段约有80 m长的矿体可以回采，三中段约有100 m长的矿体可以回采，四中段约有20 m长的矿体可以回采，五中段约有15 m长的矿体可以回采，萤石密度取3.18 g/cm3，矿体的平均厚度取3.0 m，可回采的矿石质量按照式(3)进行计算，计算结果见式(4)。

M萤石=V萤石·ρ萤石

(3)

M萤石=215×30×2.5×3.18×103=

0.51×108kg

(4)

式中：M萤石为萤石质量，kg；V萤石为萤石体积，m3；ρ萤石为萤石密度，取3.18 g/cm3。

经计算，按照优化后保安矿柱圈定后，多回收矿石约5.1万t，给矿山带来显著经济效益。

4 方案实施效果

经过近一年时间的充填作业，各个塌陷坑已被均匀充填，塌陷范围得到有效控制，也没有向竖井方向发生扩张，其中1#塌陷坑充填效果见图8。

图7 优化后竖井保安矿柱圈定范围Fig.7 The delineation range of optimized shaft security pillar

图8 1#塌陷坑充填效果图Fig.8 The filling effect diagram of the 1# collapse pit

从图8可以看出，1#塌陷坑完全被填实，在其上面形成了约4 m高的充填散体堆，塌陷坑两侧没有出现明显的断裂线，塌陷范围也没有大的变化，只是在塌陷坑边缘存在轻微的沉降，说明随着采矿的不断进行，塌陷坑内废石散体仍然处于活动状态。因此，矿山应根据塌陷坑散体下沉情况进行适时补充充填，以保证临界散体柱的高度不向下移动。

5 结 论

1) 通过对地表塌陷情况调查分析，得出1#塌陷坑对竖井威胁最大，在保安矿柱优化中，应作为重点考虑对象。同时，研究提出了地表与井下协同测确的塌落角确定方法，获得了更为准确的塌落角值。

2) 研究提出了利用临界散体柱作用机理优化保安矿柱的新思路，有效解决了传统保安矿柱存在的过度圈定问题。保安矿柱优化后，释放矿量约5.1万t，经济效益显著。

3) 随着井下采矿的进行，塌陷坑内临界散体柱的高度受散体流动影响，可能会下移，通过对塌陷坑进行实时补充充填，可有效解决这一问题，通过现场实施，已取得良好效果。该优化方法可为类似情况的矿山保安矿柱圈定提供借鉴。