梨树沟铁矿多空区残矿安全回采技术研究

任凤玉 张 晶 刘 洋 张臻良

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.本溪矿业有限责任公司，辽宁本溪117000）

利用空场采矿法回采矿石时，受矿体条件、采切现状及生产进度等影响，易残留部分矿体［1］。残矿的安全回采一直是采矿工程领域的研究热点，既可以避免资源浪费，又能延长矿山的服务年限，对于提高矿山经济效益意义重大［2］。残矿一般分布在采空区内部及其周边，其回采方法常与空区危害的处理方法相关［3-4］。目前，常用的空区处理方法大致可归纳为两类：一是借助注浆与充填等进行强化或支撑围岩，如高峰矿采用注浆局部固结技术回收民采破坏的富矿石［5］，但随着充填工艺的发展，充填空区回采残矿的方法应用更为普遍［6-10］；二是利用诱导冒落技术［11-12］，诱导多空区矿体自然冒落，开掘底部结构或利用下部工程回收冒落矿石［13-16］。

梨树沟铁矿南部采区为倾斜中厚矿体，应用浅孔留矿法开采，因矿体倾角变化大，在矿体倾角较小区域，残留的矿石无法在下部采场回采中回收，且残矿附近存在多个大小不等的小型采空区。对于倾斜中厚矿体开采形成的小型多空区残矿，上述两类空区处理方法均不能直接应用，需要寻求协同生产的回收技术，以达到安全、经济的生产目的。本研究以此为背景，提出一种诱导冒落与分段崩落相结合的残矿回收方法，在矿山应用中取得了显著成效。

1 矿山工程概况

梨树沟铁矿南部采区为倾斜中厚矿体，矿岩中等稳定到稳定，应用浅孔留矿法开采，阶段高50～60 m，矿房宽40～42 m，间距宽8～10 m，由于矿体倾角变化大，矿房开采高度不一，形成24个大小不等的采空区（图1）。这些采空区沿矿体走向分布，总分布长度达400 m。其中+150 m 中段的采空区高度较低、离地面较近，矿山采用露天开采方法，回采顶部矿量与处理采空区。150 m 水平以下采空区高度较大，且埋深逐渐增大，考虑经济合理性，不适合再用露天开采方式回收残矿。且因矿体倾角较小，残留的矿石无法在下部采场回采中回收，同时部分矿房采空区已经冒落，多数处于亚稳定状态，空区的存在也威胁到下部矿体的生产安全，为此，需要研究适宜的残矿回采方法，以使多空区残矿得到合理回收，并使采空区得到安全有效治理。

在图1 中，按回采界线圈定的残留矿体的剖面形态如图2 所示，每一剖面的矿石残留量均较大，外加间柱矿量，浅孔留矿法开采范围内的残留矿量超过矿体储量的。这些残矿体厚度最小3.6 m，最大13.7 m，矿体倾角为33°～51°，具有良好的回收价值。

2 采空区顶板矿岩可冒落性分析

图2 所示的采空区顶板岩石主要为石榴石英黑云阳起岩和含石榴石英黑云片岩，属于中等以上坚硬岩石，岩体节理裂隙发育，稳定性为中等稳定—稳定，局部不稳定。基于平衡拱理论［17-18］，简化后的空区顶板冒落拱如图3所示，通过分析冒落拱力系平衡关系，可得式中，T 为采空区承载拱所受的水平压力，N；h 为采空区高度，m，H 为采空区顶板埋深，m；γ 为上覆岩体平均密度，t/m2（平面问题）；l为采空区半跨度，m。

由式（1）可见，T 与l 的平方成正比，即随着采空区跨度值的增大，承载拱所受水平力T急剧增大。当T 超过顶板临空面围岩的抗压强度时，顶板围岩便会被破坏而发生自然冒落。

假设采空区上覆岩体为连续介质，其抗压强度为σc，令T=σcd，L=2l，代入式（1），扩展为空间问题，可得：

式中：L 为临界冒落跨度，m；γ 为采空区上覆岩体平均密度，t/m3；d 为承压拱顶部围岩承受水平压力的等价厚度，m。

式（2）中γ、σc与H 取实测值，d 取经验值，由式（2）计算各地质剖面的采空区临界冒落跨度，计算结果如表1 所示。由表1 可知：40 m 中段各采空区的长度均能达到临界冒落跨度值，此时采空区是否发生冒落，主要取决于矿房的回采高度，当矿房回采高度足够大，使之沿倾斜方向的水平投影长度达到临界冒落跨度值时，采空区便会发生自然冒落；而100 m中段的采空区长度部分达到、部分接近临界冒落跨度值，需要适当崩落间柱，才能诱导全部空区自然冒落。

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3 残矿回收方案

按矿房回采高度可将图1采空区分为两类，其一为高位采空区，如100 m 和40 m 两个中段的1～5号矿房，其特点是采空区高度较大，间柱的宽高比较小，容易向两侧矿房一次性崩落间柱；其二为低位采空区，如100 m 中段的6～7 号矿房和40 m 中段的6～8 号矿房，其特点是回采高度小，采空区整体处于稳定状态。前者需先崩落间柱，消除顶板围岩冒落能量的集聚条件，增大采空区冒落形式与冒落进程的可控性；后者则可在残矿回采中直接处理采空区。

根据工程施工类比法，取临界持续冒落跨度为表1 中临界冒落跨度的1.25～1.65 倍。高位采空区和低位采空区顶板围岩自然冒落进程主要受矿房回采高度的限制，按图2 所示的采空区剖面形态分析，将标高100 m 水平附近的矿块顶底柱回采，使100 m 中段与40 m 中段采空区相通，可诱导各采空区自然冒落。为保证空区达到持续冒落条件，将各中段的间柱崩落，同时回采150 m 水平的顶柱，使各采空区联成一片，并与露天采场联通，此时采空区的总跨度可达99 m，远大于临界持续冒落跨度，满足空区顶板持续冒落条件。

将高位采空区的间柱崩落后，按分段从上往下回采空区周围的残矿。每一分段布置一条堑沟巷道与一条分段运输巷道，两条巷道均布置在下盘围岩中（图4）。首采分段设置在130 m 水平，该分段没有覆盖岩层，在堑沟巷道与运输巷道之间设置出矿横穿，堑沟巷道落矿时，只放出松散矿量，其余崩落矿量从出矿横穿放出，保持不出空端部口，防止采空区冒落气浪冲击。从115 m 分段开始，对于已经形成覆盖层的部位，不设置出矿横穿，只用堑沟崩落及放出矿石；在空区下部矿体厚度较大部位，再设置出矿横穿，用堑沟崩落下盘侧矿石，诱导上盘侧矿石自然冒落，冒落的矿石由出矿横穿放出。由此形成了分段空场、分段崩落与诱导冒落相结合的残矿回采方案。

在残矿回采与空区协同处理中，高位采空区对残矿回采安全的影响较大，空区处理工作分4 步进行：

（1）崩落100 m 中段1～5号矿房之间的4个间柱。从每一间柱内的通风行人天井进入联络横穿，打浅孔向两侧矿房崩落矿柱，崩落的矿石在采空区诱导冒落后，从矿块底部结构与下盘分段回收工程放出。

（2）从高位空区中部向两侧退采130 m 分段堑沟，该分段的回采可完整崩落1～4号矿房的顶柱（图1与图2（c）），将引起空区顶板围岩自然冒落。

（3）在100 m 中段下盘残故回收工程回采结束后，崩落40 m中段的4个间柱。

（4）回采40 m 中段的顶柱，促使空区被冒落散体完整充填。

在残矿回采中，须采取如下安全措施，严防空区冒落危害。

（1）用散体隔离回采工作面与空区的空间联系。对于梨树沟铁矿Fe1矿体的南部采空区，堑沟巷道回采长度不足临界冒落跨度时，空区不会发生大规模冒落，但考虑顶板围岩的零星冒落滚石影响采场作业安全，在空场出矿分段，每一堑沟巷道出矿口应出矿到端部口微露空区为止，严禁端部口敞空，防止滚石伤人。当堑沟回采长度达到临界冒落跨度之后，空区随时可能发生大规模冒落，需在堑沟端部口上方留下一定厚度的散体安全垫层（根据文献［19］，散体安全垫层应不小于2 m），并需堵塞工作面与采空区的一切通口，以严防冒落气浪冲击，留于采场内的崩落矿石，待空区冒落形成足够厚度的覆盖层后再放出。

（2）监测冒落进程与严防大冒落危害。根据空区体积与埋深估算，图1 采空区冒透地表时，将会形成地表塌陷坑。运用工程类比法，按临界冒落跨度的1.25～1.65 倍估算持续冒落跨度，预测得出的采空区首次冒透地表的范围应在100 m 中段4 号矿房与5号矿房之间。为此，在两矿房的间柱崩落之前，设计每一矿房从地表各施工1个监测钻孔，用于监测可能最先冒透地表部位的采空区冒落进程，确定冒透地表的时间与地表陷落范围［20-21］。在地表及时隔离陷落区，严防行人遭受陷落危害。在井下及时确认散体防护措施的落实程度，确保生产安全。

4 方案实施效果

上述残矿回收方案于2019 年2 月开始实施，100 m 中段1～5 号矿房之间4 个间柱的崩落，以及-130 m分段的回采，均严格按方案要求施工，只是地表钻孔监测方案因故未能实施。截至2019 年9 月底，-130 m 分段已经回采结束，共采出9.8 万t 矿石，1～4 号矿房采空区于2019 年8 月中旬安全冒透地表，形成的深度不足1.0 m 的陷坑随即被矿山排弃的废石充填。空区顶板围岩的如期塌落，标志着残采工程的空区冒落威胁已基本解除，残采方案的上述安全措施可确保生产安全。

5 结 论

（1）生产实践表明，本研究提出的分段空区、崩落与诱导冒落相结合的残矿回采方法，能够高度适应梨树沟铁矿南区小型多空区残矿的回采条件。对于倾斜中厚矿体开采形成的小型多空区残矿，该方法相较于目前常用的空区处理方法而言，能保障残矿安全回收与空区经济处理协同进行，对于同类型矿山具有一定的借鉴意义。

（2）梨树沟铁矿实践经验表明，对于倾斜中厚矿体小型多空区内部与周围的残矿，可根据空区冒落特性制定残矿回采方案，在残矿回采中协同处理空区。在残矿回采中，先消除空区内的矿柱，及时释放顶板围岩的冒落能量，再用散体隔离工作面与空区的空间联系，可保障回采过程不受空区冒落冲击危害。