溫海民 陳 超 劉艷東

(1．河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司黑山鐵礦，河北承德 067400; 2．河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山 063009;3．寬城滿族自治縣冶金建材工業(yè)公司，河北寬城 067600)

0 引言

我國(guó)的大中型露天金屬礦山大多都始建于20世紀(jì)50年代～60年代，經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)采，已有80%的鐵礦山進(jìn)入了中晚期開(kāi)采階段，大部分礦山已在高陡邊坡下進(jìn)行深凹露天開(kāi)采。隨著開(kāi)采深度的增加，技術(shù)難度加大，而且經(jīng)濟(jì)上不再可行，因此露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采勢(shì)在必行。對(duì)于采用崩落采礦法進(jìn)行轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山，要求在地下開(kāi)采區(qū)域的上部留有安全緩沖墊層——覆蓋層，其對(duì)露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的礦山生產(chǎn)安全及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)現(xiàn)露天開(kāi)采方式向地下開(kāi)采方式的轉(zhuǎn)變，有許多問(wèn)題需要解決。其中覆蓋層的問(wèn)題是其中之一。隨著覆蓋層下面礦石的放出，散體不斷的下移補(bǔ)充，覆蓋層界面將不斷的發(fā)生變化，很可能出現(xiàn)凹坑，造成“V”形凹坑，可能使雨水匯聚，造成雨水下滲速度太快，從而對(duì)礦山的開(kāi)采造成危害。為此研究覆蓋層界面移動(dòng)規(guī)律迫在眉睫。

1 露天轉(zhuǎn)地下覆蓋層移動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

1．1 覆蓋層界面移動(dòng)物理模擬試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬采用無(wú)底柱崩落法的露天轉(zhuǎn)地下礦山首采中段放礦過(guò)程中，覆蓋層移動(dòng)變化的規(guī)律，以及覆蓋層表層界面變化，確定其變化規(guī)律。

礦石崩落后，形成覆蓋層—礦石層雙層結(jié)構(gòu)，隨著放礦過(guò)程中礦石不斷被放出，礦石層和覆蓋層不斷相互侵蝕，結(jié)果導(dǎo)致礦石層的貧化和覆蓋層散體材料下移流動(dòng)過(guò)程中不斷損失。再次放礦過(guò)程中，隨著覆蓋層整體的不斷向下移動(dòng)，覆蓋層表層界面將不斷的發(fā)生變化，將逐漸出現(xiàn)“V”形塌陷凹坑。覆蓋層表層界面的“V”形塌陷，不但造成礦石的損失貧化，而且會(huì)影響到覆蓋層的安全功能，甚至導(dǎo)致覆蓋層安全機(jī)能的失效。故在覆蓋層形成和維護(hù)過(guò)程中，必須考慮后期覆蓋層的損失，保持覆蓋層的結(jié)構(gòu)和厚度大體維持穩(wěn)定和平衡，保證其安全機(jī)能充分發(fā)揮。揭示放礦擾動(dòng)下覆蓋層表層界面的變化規(guī)律，是完善露天轉(zhuǎn)地下礦山覆蓋層設(shè)計(jì)和形成技術(shù)急需解決的問(wèn)題。

本文將通過(guò)覆蓋層移動(dòng)規(guī)律的物理模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察放礦過(guò)程中覆蓋層和礦石層的相互侵蝕，分析覆蓋層表層界面的移動(dòng)規(guī)律。

1．2 覆蓋層界面移動(dòng)物理模擬試驗(yàn)內(nèi)容

利用自制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)相似比例實(shí)驗(yàn)，觀察不同覆蓋層表層界面在不同放礦制度下的移動(dòng)變化規(guī)律，采用數(shù)值擬合方法，構(gòu)建覆蓋層表層界面移動(dòng)規(guī)律描述模型。

1．3 覆蓋層界面移動(dòng)物理模擬試驗(yàn)

采用自制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，相似比?∶200，礦體垂直厚度18 cm，礦體傾角65°，礦體上盤(pán)邊坡角取50°，下盤(pán)邊坡角取55°，模型長(zhǎng)80 cm，寬70 cm，高120 cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。

實(shí)驗(yàn)用的散體實(shí)驗(yàn)介質(zhì)取自石人溝鐵礦，經(jīng)破碎篩分，其粒度構(gòu)成見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)中散體實(shí)驗(yàn)介質(zhì)配比

實(shí)驗(yàn)中所用的材料如圖2所示。

圖1 覆蓋層界面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 滲透實(shí)驗(yàn)所用物料

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3，圖4可知，隨著礦石層放出礦石量的增加，覆蓋層和礦石層相互侵蝕，覆蓋層表層界面形態(tài)在移動(dòng)過(guò)程中不斷變化。隨著礦石的放出，覆蓋層界面不斷移動(dòng)下降，覆蓋層表層界面將由原來(lái)的拋物線形慢慢轉(zhuǎn)化成為直線形或反拋物線形。以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，測(cè)得覆蓋層界面曲線的6個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 覆蓋層界面曲線坐標(biāo)點(diǎn) cm

作圖如圖5，圖6所示。

圖3 放礦前的覆蓋層表層界面

圖4 充分放礦后的覆蓋層表層界面

圖5 放礦前覆蓋層表層界面形態(tài)曲線圖

圖6 放礦后覆蓋層表層界面形態(tài)曲線圖

在圖6中，短虛線表示原覆蓋層界面曲線，長(zhǎng)虛線表示二階拋物線擬合曲線，實(shí)線表示三階拋物線擬合曲線。運(yùn)用數(shù)學(xué)公式，求得:

三階拋物線模擬公式:

二階拋物線模擬公式:

由圖6可知實(shí)線比較接近覆蓋層界面曲線，所以應(yīng)該用三階拋物線模擬公式:

3 結(jié)語(yǔ)

該模型在由露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采的過(guò)程中，由露天邊幫爆破形成覆蓋層時(shí)，應(yīng)該爆破成拋物線形y=－0．000 7x3+0．012 4x2+0．351 1x+42．482。具體到某一個(gè)礦時(shí)，應(yīng)該做成一個(gè)比例模型，仿照上述步驟尋得拋物線界面曲線，為露天邊幫爆破提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

［1] 徐長(zhǎng)佑．露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采［M］．武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1990．

［2] 解世俊．金屬礦床地下開(kāi)采［M］．第2版．北京:冶金工業(yè)出版社，1986:224-228．

［3] 李寶祥．金屬礦床露天開(kāi)采［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1992．

［4] Tovey N K，Krinslry D H．Mapping of the orientation of finegrained mineral in solid and sediments［J］．Bulletin of IAEG，1992(5):19-20．