露天矿山转井下开采覆盖岩层形成技术的研究与应用

谢道雄，王小琼，张洪杰

（河钢集团矿业公司，唐山钢铁股份有限公司，河北 唐山 063000）

1 矿山概况

黑山铁矿隶属于河北钢铁集团矿业有限公司，矿区位于河北承德市北侧31km，行政区划由承德高寺台镇王营村、龙潭沟村管辖。海拔750m～1213m，切割深度463m，地形陡峻，沟谷发育，属中低山区。矿区采用露天开采方式，目前已采至722m水平，根据露天开采设计，最终将采至650m水平。随着露天开采标高不断下降，可采矿体平面范围逐年小，在露天采场每布置开采设备的数量受到严重限制，铁精粉产量逐渐下降，铁精粉成本不断升高。但深部仍有大量矿体尚未开采，因此在露天开采结束之前，对露天底部最终标高以下和边邦最终境界之外的部分矿石，计划采用露天转地下的方法进行开采，采矿方法使用无底柱分段崩落法，沿矿体倾向方向选择自上而下的开采顺序。地下开采范围内，厚大矿体主要分布在8号～28号勘探线之间，走向长度250m，垂直走向方向长度100m，垂直深度668m。

黑山铁矿属于晚期岩浆侵入型钒钛磁铁矿，地质条件复杂，矿体变化大，夹层多。矿床成因为晚期岩浆——热液过渡类型。矿床中的侵染状矿体直接与造矿母岩（辉长岩）的侵入形成有关，属于晚期岩浆成因；而似管状、脉状和团块状矿体，则其主要矿化期发生在侵入体形成之后，有明显的热液作用，属于热液成因。矿体的形态、规模都受不同节理构造所控制，一般多呈透镜状、似管状或不规则的团块状，贯入于斜长岩或侵染于辉长岩、苏长岩中。

2 研究背景

露天转地下过程中，每个矿块均在覆盖岩层下放矿，因此首先必须形成覆盖岩层，才能保证在矿过程中各项工作安全顺行。岩石覆盖层的形成一般有两种方式，第一种是利用将矿体上部的岩石、露天矿边帮的岩石爆破崩落后形成岩石覆盖层，这样的方式不会积压矿石，对提高初期矿石产量有利，存在不足是会引起矿石发生较大贫化。第二种是预留开采范围内的一部分矿石作为覆盖层，将矿体上部的矿石进行松动爆破，爆破后矿石不完全出尽，而只出爆破矿量的三分之一，留一部分松散矿石作为覆盖层，当松散矿石形成的覆盖层达到设计分段高度两倍之后再采用正常放矿方式，这样的方式会造成部分矿石积压，对迁改初期矿石产量不利，但优点是不会引起矿石的贫化，积压矿石将来采取措施后还能够回收[1]。为了保证开采过程安全顺利进行，当开采过程中围岩无法自行崩落时，需采用强制崩落的方法进行处理，以避免发生大范围围岩崩塌。黑山铁矿露天转井下过程中，需要解决的首要问题就是覆盖岩层如何形成，如何在保证节约投资的前提下，安全快速地形成覆盖层具有十分重要的意义。

3 覆盖岩层技术研究

3.1 覆盖岩层的作用

挤压爆破作用。覆盖岩层形成后，可以防止爆破后矿石抛散在采空区影响正常出矿，提供挤压爆破条件。如果覆盖岩层缺失，则爆破时不能够形成有效的挤压条件，每次爆破后的矿石进入空场，这样无法在出矿分段正常出矿。

爆破缓冲作用。覆盖岩层介于露天矿底部与地下开采顶部，起着缓冲爆破冲击和降低围岩冒落时冲击气浪的危害作用。若覆盖层未形成，在爆破作用的强力冲击情况下，很可能造成露天矿边坡失稳，一旦失稳将会对地下开采设备设施造成毁灭性冲击，严重影响露天转地下采矿安全。

延缓排水作用。覆盖岩层形成后，大气降雨时雨水流入覆盖层，覆盖岩层能够储蓄一部分雨水，还能起到延缓雨水涌入井下的时间，为井下采取提高排水能力相关工作赢得时间，有更多的时间对井下排水系统进行调节。

3.2 覆盖岩层形成原则

一是充分利用好采场现有的条件，充分利用露天开采原有的地质地形及辅助设施，减少对原有系统的破坏，降低覆盖岩层在形成过程中的新增投入。二是初期进行强制放顶，使覆盖层厚度满足安全规范要求。

3.3 覆盖层厚度要求

覆盖岩层的厚度，既与回采工作的安全性有关，还与放出体形态及大小有关。安全规程规定中明确要求，矿块回采工作面的上方，必须有大于采矿分段高度的覆盖岩层，以保证井下开采安全顺利进行，若上部无法自行冒落或冒落的岩石量达不到规定厚度，必须及时采取强制放顶措施，使覆盖岩层厚度达到分段高度的二倍左右[2]。

4 黑山铁矿覆盖层技术方案

4.1 安全技术要点

覆盖岩层的厚度，既与回采工作的安全性有关，还与放出体形态及大小有关。当采场围岩较稳固，可以采用完全自行冒落的方式形成盖层[3]。若采场围岩不够稳固时，由于边坡垮塌一般具有突发性特点，极有可能对地下开采设备设施造成严重的冲击危害，因此形成覆盖岩层不允许完全采用自行冒落方式。若采用强制放顶的方式，放顶所需准备的井巷工程和深孔量，相对较大、费用相对较高。

在覆盖岩层技术分析与研究中，可以根据岩石断层及节理裂隙发育的特点，采用强制崩落围岩的方法和自然帽落方法有机结合的方式，即在矿山生产前期采用强制放顶的方法将边坡围岩崩落形成一定厚度的覆盖岩层，之后利用已经施工的采切工程，通过药室爆破或在巷道内深孔爆破的方法，将上部矿体进行诱导崩落，进一步增加覆盖层的厚度。

4.2 覆盖层的应用实例

为了缩小露天转地下衔接期间矿山铁精粉产量波动幅度，实现平稳过渡，自2008年初至露天开采结束，黑山在露天开采的采剥计划中将一部分低品位矿石从露天采场采出后储存到采场以外的适当场地，用来地下开采投产后补充地下矿开采初期生产能力不足。这些低品位矿石主要产自矿岩交界处，含有一部分废石和矿石三级品。地下开采初期，将这些矿石经过采场干选厂干选后运输到纪营选矿厂加工。

利用好这段时间，可对露天转地下工程进行充分技术论证，进行安全、环境的评价及相关审批，使工程在技术、安全、节能、环保和法律等层面符合相关要求；用提前储备的矿石弥补因地下矿投产后初期生产能力低，选厂供应矿石量不足的矛盾。

回采露天最终边坡内矿体形成覆盖层。设计露天矿底部标高为650m水平，底部以上边坡矿的最上一个分段为698m。根据698m分段矿体规模小的特点，为减小矿体回采中的贫化率，经研究决定首个采准分段定为688m。通过加大688m分段的中深孔长度，来增加688m以上崩落的矿岩量，这样又可节省一个分段的采准工程量。通过688m、676m两个分段的矿岩崩落和1/3的出矿量，可满足设计和安全规程规定的覆盖层厚度要求。在露天底以下开采之前，首先开采露天边坡内矿体。将露天边坡688m、676m、664m、652m分段的采准工程掘进和回采中产生的废石均充填到露天坑底，作为岩石覆盖层。

原初步设计中露天底部以下首个采准分段标高为640m，为加快覆盖层的形成，节省基建投资，研究分析后决定首个采准分段定为628m。通过从采取该措施，进一步增大了露天底距离首个采准分段的高度，增加了中深孔长度，从而增加一次崩落的覆盖岩层厚度，减少采准工程量和基建投资，还缩短了基建工期。

投产后，露天底以下640m、628m、616m等各分段采准掘进和回采中产生的废石利用无轨运输车通过斜坡道运输到664m标高，向露天底进一步充填废石，增加覆盖层厚度。井下二期工程掘进产生的废石，用箕斗分别提升到830m、810m标高，转载后利用无轨运输车从露天采坑下盘方向的最终边坡倒入采坑，进一步增加覆盖层厚度。

5 结语

通过研究分析与优化论证，黑山露天转地下工程采用了无底柱分段崩落法边邦矿体开采和露天底以下矿体开采，快速形成覆盖层，覆盖岩层厚度达到分段高度的二倍以上，达到设计和安全规程要求，在安全设施设计验收过程中一次通过，为露天转地下开采顺利衔接创造了有力条件，对同类矿山覆盖层形成具有借鉴意义。