張 毅

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

覆巖層是無底柱分段崩落法地采中必不可少的部分，但有別于一般地下開采，露天轉地下存在過渡期，同時有露天坑影響，其覆巖厚度的確定相對復雜，一要保證生產(chǎn)安全，二要避免浪費，兩者兼顧方能彰顯合理。通過實地調研，本研究以放礦試驗、滲透試驗、竄風試驗等為基礎，結合采礦工藝對首云鐵礦露天轉地下開采覆巖厚度進行優(yōu)化確定，達到預期效果。

1 覆巖作用機理

為形成無底柱分段崩落法正常回采條件和防止圍巖突然大量崩落造成安全事故，在崩落礦石層上必須覆以巖石層，其基本作用是防止沖擊地壓、形成擠壓爆破端部放礦條件、滯水、防風漏風、防寒保暖、預防泥石流等［1-3］。

覆巖的形成方法主要取決于礦體頂板圍巖的穩(wěn)定性，圍巖不穩(wěn)固或穩(wěn)固性較差時，依靠自然冒落形成覆巖層;若穩(wěn)固性較好，則需要人工強制崩落。如梅山鐵礦采用的邊回采邊落頂、集中放頂法，就是集自然冒落與人工崩落于一體，保證安全的同時提高了效率［4］。

覆巖厚度不合理，如覆巖過薄，導致礦石永久損失或高度貧化，尤其分段崩落法放礦結束時，兩條進路間存在一條較大的礦石脊部殘留體，覆巖保有厚度應大于分段高度［5］;如覆巖過厚，可能形成壓力平衡拱，導致礦石不能正常放出，同時還使礦山成本增加，造成浪費。

2 模擬放礦試驗

采用與現(xiàn)場放礦系統(tǒng)幾何及力學相似的物理模擬試驗，以此研究崩落礦巖在放礦過程中的運動、損失和貧化規(guī)律。試驗所采用的礦石粒級配比應與現(xiàn)場原型幾何相似，相似比例為1∶50，當巖石和礦石的質量比達到2.43時截止放礦，模型參數(shù)與現(xiàn)場參數(shù)對比如表1所示。

表1 現(xiàn)場參數(shù)與模型參數(shù)

覆巖厚度小于分段高度15～20 m時，端壁面下半部為廢石，上半部為空場，崩落礦石部分散落于覆巖之上，造成礦巖混雜，采出礦石品位下降。試驗覆巖厚度從20 m開始遞增，由圖1可以看出，礦石回收率隨覆巖厚度增加而相應增大，當覆巖厚度從20 m變化到40 m時，礦石回收率從62.09%提高到72.1%，但存在一定的邊際效應，即單位厚度的覆巖對回收率影響越來越小，甚至出現(xiàn)負增長現(xiàn)象?？梢?，相對較厚的覆巖可減少廢石混入，提高采出品位，從而提高經(jīng)濟效益。事實上，覆巖厚度還與貧化率成反相關，覆巖越厚，貧化率越低，覆巖厚度30 m時，實際貧化率(廢石混入率)已下降到27%，而回收率增大到70.37%。

圖1 某分段礦石回收率與覆巖厚度變化

放出橢球體形態(tài)如圖2所示，其隨覆巖厚度的增加而逐漸變“瘦”，這是由覆巖越厚平衡壓力越大，導致顆粒之間的摩擦力越大，相互混合的阻力越大，流動越趨于整體性。覆巖厚度為30 m時，放出體漏斗角接近60°，與無底柱分段崩落法菱形網(wǎng)格的上下內角一致，基本可將上部崩落的礦石放出，避免因放出橢球體過大而將圍巖提前放出造成礦巖混雜，導致貧化;或因放出橢球體過小而造成礦石的永久損失［6-10］。

3 散體滲透試驗

露天轉地下開采由于露天坑的存在極易形成井下泥石流，其中覆巖的影響和邊坡御載裂隙帶的存在是主要因素。根據(jù)水力相似基本原理，采用垂直厚度為20、25、30、35、40 m的介質模型，選用表2所示淺孔爆破巖塊尺寸配比，模擬降雨量250 mm/h，相似比1∶20做滲透試驗以確定合理覆巖厚度，為預防井下泥石流及排水爭取時間。

圖2 放出體形狀與覆巖厚度變化

表2 淺孔爆破巖塊粒級組成

試驗表明，滲漏時間隨覆巖厚度增大而增大，隨顆粒粒度的增大而減小，不同厚度的覆巖，滲漏系數(shù)不同;不同降雨強度，滲透時間不同。覆巖厚度從20 m變化到40 m時，滲透時間從2.28 min延長到2.95 min。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合后得滲透時間T與覆巖厚度H及降雨強度Q的關系式為

如圖3所示，取無窮小厚度覆巖ΔH，由上述關系式兩邊分別對H積分，得到滲透時間隨覆巖厚度變化的關系式

式中，T為滲透時間，min;H為覆巖厚度，m;L為露天坑積水面長度，m，取200 m;Q為降雨強度，mm/h;S0為露天坑匯水面積，m2，取10 hm2;B為回采巷道寬度，m，取4 m。

圖3 無底柱回采漏斗示意

圖4所示為降雨強度為250 mm/h時實際覆巖厚度與滲透時間的關系，由此看出，覆巖厚度為25 m時，能為井下排水至少爭取1.2 h。事實上，這里考慮的是特大暴雨情況，若適當增加覆巖厚度，且降雨強度減小，則雨水到達井下的時間將長達2～4 h，甚至更久，不會對井下排水造成負擔及形成泥石流等災害。研究還發(fā)現(xiàn)，雨水在其滲透過程中經(jīng)過覆巖層的不同截面，任意截面上滲透系數(shù)不相等，越靠近覆巖底部其值越小。這是由于覆巖顆粒間存在間隙，滲透過程中上層小顆粒隨流下沉，充填及壓實下層覆巖所導致。

圖4 覆巖厚度與滲透時間關系

4 竄風特性試驗

試驗按滲透試驗巖塊粒級配比，相似比1∶10，以此探討滿足井下通風風量的覆巖厚度?；夭蓴嗝婷娣e為14.6 m2，得漏風量與覆巖厚度關系如圖5所示;按表2配比時得漏風量與孔隙率關系如圖6所示?？梢?，隨著覆蓋層厚度的增加礦井漏風量逐漸減小，尤其覆巖厚度超過30 m時，曲線下降的速度加快，即漏風量隨厚度增加將大幅減少。這是因為覆巖由上部整體移動層及其下伏流動層組成，防漏風及滯水主要是整體移動層起作用，覆巖越厚則整體移動層越厚，防漏風效果當然也越好。若要使漏風量接近為零，則理論上覆巖厚度將達60 m以上，顯然這一厚度不為礦山所接受，所以覆巖保有厚度可允許少量漏風。

圖5 漏風量與覆巖厚度關系

試驗還得出漏風量隨孔隙率的降低而逐漸減小，結合圖5，對于現(xiàn)場來說，覆巖上層應盡量使用較小粒徑巖塊回填，而下層使用較大粒徑巖塊，在達到同樣防漏風效果前提下，避免了礦石提前貧化。這可通過控制崩落方式等實現(xiàn)，下層覆巖可采用深孔或大爆破崩落，而上層采用淺孔爆破或適度增大炸藥量。

圖6 漏風量與孔隙率關系

5 工程實例

以首云鐵礦露天轉地下開采為工程背景，采用本研究試驗得出的放出體流動規(guī)律、損失及貧化規(guī)律、雨水下滲推導公式和防風減壓要求等，對首云鐵礦現(xiàn)行的覆巖厚度進行優(yōu)化設計。

5.1 采礦工藝

松動體影響的覆巖厚度

式中，hj為放出體高度，15 m;hd為階段高度，15 m;k取1.2。可得覆巖厚度Ht=27 m;放礦試驗中按邊際規(guī)律在30 m左右時礦石回收率及損失率都基本達到最優(yōu);同時放出體漏斗角為58°，采用無底柱分段崩落法回采時礦石具有最佳放出效果。

5.2 礦井防水

基于滲透試驗的結果，若取該地區(qū)最大降雨180 mm/h，覆巖厚度25～30 m，雨水下滲到回采巷道時間為1.56～2.37 h。根據(jù)設計，井下允許的雨季最大涌水量為60 431 m3/d，覆巖厚25 m以上即可保證礦井安全。

5.3 防風減壓

礦井巷道人員可承受的壓力為0.003 MPa，風速限度為12 m/s。據(jù)經(jīng)驗公式即可得滿足極限壓力和風速的覆巖厚度為9 m。該礦+44 m水平以下所需總風量200 m3/s，覆巖厚30 m以上其漏風量大幅減小，多條進路同時回采時漏風也不超過10 m3/s，損失風量可通過調節(jié)通風機等措施小幅度補充。

可見首云鐵礦在30 m左右時滿足了以上基本要求，達到覆巖厚度合理優(yōu)化效果。

6 結論

(1)隨覆巖厚度增大，礦石回收率呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，而貧化率則是先變小后變大。在回采過程中覆巖下沉時出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且厚度在30 m左右時，其放出體形態(tài)與回采工藝要求達到最優(yōu)組合。

(2)雨水下滲時間與覆巖厚度及降雨強度有關，關系式如文中所示，不同截面上滲透系數(shù)不相等，其滯水層相對位置隨回采進行不斷下移。

(3)巷道斷面一定，覆巖15 m以上且為淺孔崩落或人工回填時，其孔隙率一般在40%左右，對井下通風影響較小，回填時適當增加小顆粒巖塊或控制風機即能補償，可不予考慮。

(4)滿足首云鐵礦采礦工藝、井下安全、經(jīng)濟合理等條件的最佳覆巖厚度為30 m，厚度小于25 m時應及時補充。

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