徐興華

(北京建昌礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京 密云 101504)

桑園鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采方法的選擇

徐興華

(北京建昌礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京 密云 101504)

露天轉(zhuǎn)地采礦山一般選用基建周期短和采礦成本低的地下采礦方法，如崩落法。然而，隨著環(huán)保和土地保護(hù)的要求，礦山的開采一般不允許產(chǎn)生新的地表塌陷，轉(zhuǎn)而采用充填法，對(duì)露天轉(zhuǎn)地下礦山過渡時(shí)期的經(jīng)營(yíng)不利產(chǎn)生不利影響。由于露天開采已經(jīng)對(duì)露天境界內(nèi)地表造成了破壞，允許二次破壞，桑園鐵礦提出了上部采用崩落法，下部采用充填法技術(shù)方案。為此，采用工程類比法和Laubscher法初步選定崩落法開采的高度，采用離散元的數(shù)值計(jì)算方法，開展了崩落采礦高度和碎石覆蓋層厚度聯(lián)合選擇研究，最終確定崩落法采礦的深度為108 m、碎石覆蓋層的厚度為40 m。經(jīng)濟(jì)分析表明，桑園鐵礦采用上部崩落法下部充填法聯(lián)合開采，不僅可推遲充填站建設(shè)時(shí)間，而且節(jié)省約1億元采礦成本。

露天轉(zhuǎn)地下 崩落法 充填法 碎石覆蓋層 聯(lián)合開采

對(duì)于地表淺部的礦體，當(dāng)?shù)V床賦存條件對(duì)開采方式不限時(shí)，應(yīng)首先采用露天開采[1]。這主要因?yàn)槁短扉_采相對(duì)于地下開采有著較多的優(yōu)點(diǎn)，如建設(shè)投產(chǎn)快、礦石產(chǎn)量高、勞動(dòng)效率高、開采成本低、礦石貧化損失低、勞動(dòng)條件好且作業(yè)安全等。但隨著露天開采的深度增大，剝采比也逐漸加大，因此，當(dāng)達(dá)到一定的深度時(shí)，露天開采將不再有利。

當(dāng)?shù)V體從地表延伸較深時(shí)，礦山必然存在露天轉(zhuǎn)地下開采這一過渡時(shí)期。隨著露天礦山產(chǎn)量的逐漸下降，生產(chǎn)能力的銜接等問題直接影響整個(gè)礦山的正常生產(chǎn)[2]。因此，很多礦山在尋求露天邊緣礦的同時(shí)[3]，也在提前加快地下開采的基建進(jìn)度。

目前露天轉(zhuǎn)地下礦山的開采方式主要有3類[4]：第一類是空?qǐng)龇?，主要有房柱法、留礦法等；第二類是崩落采礦法，包括分段崩落法和階段崩落法；第三類是聯(lián)合采礦法，其實(shí)質(zhì)就是房柱法和崩落法的相結(jié)合的方法。相較于其他地下采礦方法，以上幾種方法具有采礦成本低、產(chǎn)能大尤其是基建時(shí)間比較短，比較容易達(dá)產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適合露天轉(zhuǎn)地下礦山采用。然而，崩落法則會(huì)引起地表塌陷，空?qǐng)龇粝麓罅康牡V柱和采空區(qū)，若要回采礦柱同樣引起圍巖的崩落和采空區(qū)的塌陷。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的越來越重視，礦山的開采要求不允許引起地表塌陷。因此，越來越多的礦山采用充填法開采。目前普遍采用的上向充填法，其基建周期長(zhǎng)、投資大且見效慢，對(duì)礦山過渡時(shí)期的經(jīng)營(yíng)不利，在露天轉(zhuǎn)地下礦山中首采階段目前沒有采用充填法的應(yīng)用實(shí)例[5]。

1 工程概況

京建昌礦業(yè)桑園鐵礦位于密云縣城北東35°方位。礦區(qū)為低山丘陵地貌，海拔標(biāo)高為160～260 m，相對(duì)高差一般為50 m左右。如圖1所示，多條礦體在空間上密集成帶分布，礦體總體走向NE，傾向NW，傾角一般為50°～70°。礦體從空間上被劃分Ⅰ和Ⅱ 2個(gè)帶，Ⅰ礦帶位于Ⅱ礦帶之下，兩者的保有鐵礦石儲(chǔ)量分別約為2 200萬t和600萬t。

圖1 桑園鐵礦礦體分布

桑園鐵礦的采礦權(quán)標(biāo)高范圍為+190～-100 m。Ⅰ礦帶+100 m水平以上采用露天開采，而后轉(zhuǎn)地下開采，與此同時(shí)Ⅱ礦帶也實(shí)施地下開采，如圖2所示。該礦地表為基本農(nóng)田和小樹林，由于環(huán)境和耕地保護(hù)越來越受重視，環(huán)評(píng)要求桑園鐵礦地下開采不能引起表造成塌陷。因此，在可行性設(shè)計(jì)階段，選用水平上向分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，?duì)Ⅰ礦帶的+100～-80 m以及Ⅱ礦帶+160～-80 m的礦體實(shí)施開采，以期控制地表變形。然而，①采用上向充填開采，井巷需直接施工至最低水平，周期長(zhǎng)且投資大；②礦體從上往下逐漸變薄使得達(dá)產(chǎn)慢；③增加了開采成本。因此，上向分段空?qǐng)鏊煤蟪涮顚?duì)礦山過渡時(shí)期的經(jīng)營(yíng)不利。

圖2 130 剖面開采示意

礦山在實(shí)施地下開采時(shí)，露天采場(chǎng)已經(jīng)閉坑。而露天開采已經(jīng)對(duì)地表產(chǎn)生了破壞，在既定的露天采場(chǎng)境界范圍內(nèi)充許地表的二次破壞。此外Ⅱ礦帶必須采用充填法開采，那么礦山需要建設(shè)充填設(shè)施。Ⅰ礦帶上部礦體采用上向崩落法開采，下部礦體采用向上充填法開采，既可順序開采，又可聯(lián)合開采。上述開采方式不僅克服了過渡期的充填法的相關(guān)問題，又給礦山日后產(chǎn)量調(diào)節(jié)帶來很大的便利。但在進(jìn)行開采初步設(shè)計(jì)之前，還需要解決崩落法開采深度的問題。在將陷落區(qū)控制在露天采場(chǎng)境界內(nèi)的前提下，顯然崩落法開采深度越大，對(duì)開采成本的節(jié)約越有利。

2 崩落法開采陷落角、深度的初步確定

2.1 工程類比確定陷落角

層狀礦體的巖體移動(dòng)參數(shù)可根據(jù)前蘇聯(lián)礦山測(cè)量和巖石力學(xué)研究院推薦的方法[6]，該方法是總結(jié)多個(gè)礦山經(jīng)驗(yàn)獲得。對(duì)于覆蓋巖層的普氏系數(shù)f大于8，巖層傾角在46°～60°，且礦體完全采空的情況下，上盤上山(下山)的移動(dòng)角γ(β)與普氏系數(shù)f和巖層傾角α的關(guān)系分別為

(1)

(2)

該礦上盤巖層的普氏系數(shù)f綜合可取12，巖層的傾角平均α為55°，可得出其上盤的上山和下山的移動(dòng)角分別為73°和50°。由于該礦地表高差較小，因此移動(dòng)角可取上山和下山移動(dòng)角的均值為62°，一般情況下陷落角比移動(dòng)角大5°[7]，因此按此方法，桑園鐵礦崩落法開采的陷落角可取67°。

2.2 Laubscher經(jīng)驗(yàn)方法確定陷落角

Laubscher建立了與巖體分級(jí)和覆蓋層厚度相關(guān)的崩落角經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法[8-9]。如圖3所示的技術(shù)路線，將礦體覆蓋層劃分為若干的層，每層根據(jù)覆蓋巖層的MRMR值和崩落因子F，由文獻(xiàn)[10]可查得該層的崩落角，各層的崩落角和厚度總體上決定了整個(gè)蓋巖的崩落區(qū)范圍。這其中崩落因子F為

(3)

式中，ρc為崩落體的密度，其余變量見圖3。

圖3 Laubscher法崩落區(qū)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)示意

在崩落區(qū)的臨近區(qū)域?yàn)槠茐膿p傷區(qū)，即節(jié)理巖體達(dá)到極限強(qiáng)度，但位移值較小。每個(gè)層的厚度是MRMR的函數(shù)，根據(jù)MRMR范圍可經(jīng)驗(yàn)獲得開裂區(qū)的厚度：MRMR為0～10時(shí)取100 m，11～20時(shí)取70 m，21～30時(shí)取 50 m，31～40時(shí)取40 m，41～50時(shí)取30 m，51～60時(shí)取20 m，>61時(shí)取10 m。

桑園鐵礦上盤巖體主要為黑云斜長(zhǎng)片麻巖和黑云二長(zhǎng)片麻巖，兩者經(jīng)節(jié)理和地應(yīng)力調(diào)整后得到的MRMR值為60，計(jì)算崩落角時(shí)取60，以24 m 1層進(jìn)行分析。由于桑園鐵礦礦體很薄，因此計(jì)算中假定崩落區(qū)仍然維持著原地形的頂部幾何形狀。如圖1所示，140剖面以南，Ⅰ礦帶礦體較密集，以此選定130剖面和160剖面根據(jù)Laubscher方法進(jìn)行崩落區(qū)計(jì)算。按公式(3)計(jì)算每層的崩落因子F，并對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)[10]中MRMR=60的曲線獲得覆蓋層的崩落角，由此獲得130和160剖面的崩落區(qū)范圍如圖4和圖5所示。開裂區(qū)取20 m。

圖4 130剖面根據(jù)Laubscher法估算的崩落區(qū)

130剖面由于礦體比較密集，那么崩落區(qū)的最小跨度保守取所有Ⅰ礦帶礦體的上下盤邊界寬度。當(dāng)崩落法開采深度為84 m，崩落區(qū)基本未超過露天采場(chǎng)邊緣。開采至108 m時(shí)，超過露天采場(chǎng)邊界23 m，加上開裂區(qū)20 m，則超過露天采場(chǎng)43 m，此時(shí)總體崩落角約為69.5°，外延20 m后，陷落角約為66°。

圖5 160剖面根據(jù)Laubscher法估算的崩落區(qū)

160剖面的礦體厚度較薄，崩落法開采108 m時(shí)，崩落邊界剛好在露天采場(chǎng)邊緣，那么開裂區(qū)則超過露天采場(chǎng)20 m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的崩落角和陷落角為77°和72°。

2.3 崩落法開采深度初步確定

經(jīng)過上述的2種方法對(duì)桑園鐵礦的剖面進(jìn)行分析可知，桑園鐵礦Ⅰ礦帶采用崩落開采首階段即60 m，其陷落區(qū)不會(huì)超出露天境界以外，而開采第2階段(最后1個(gè)分段為運(yùn)輸水平，為永久礦柱，實(shí)際崩落法開采深度108 m)則陷落界限超出露天采場(chǎng)境界50 m范圍以內(nèi)。

這里有2點(diǎn)需要商榷：

(1)桑園鐵礦Ⅰ礦帶為多條薄礦體組成，礦體間的夾巖并不會(huì)開采，因此按上述2種方法對(duì)Ⅰ礦帶整體進(jìn)行陷落角的估算顯然是保守的。

(2)露天轉(zhuǎn)地下開采前，會(huì)在露天底部鋪設(shè)一定厚度的碎石覆蓋層，用于壓礦、防漏風(fēng)以及延消洪峰等[11]。碎石覆蓋層跟隨開采移動(dòng)，回填采空區(qū)，同時(shí)也起到支撐采空區(qū)的作用，大冶鐵礦則是通過不斷回填碎石覆蓋層下移形成的空間，保持碎石覆蓋層的標(biāo)高不變，用來控制地表塌陷和保護(hù)邊坡[12]。

基于以上2點(diǎn)，桑園鐵礦Ⅰ礦帶的崩落法開采深度為108 m，并適當(dāng)?shù)奶岣吒采w層的厚度。

3 崩落法開采過程數(shù)值模擬

計(jì)算分析采用塊體離散元和顆粒離散元分別模擬礦巖介質(zhì)和碎石覆蓋層。

層面的產(chǎn)狀為316°∠56°，除層面外，礦區(qū)主要發(fā)育有3組節(jié)理，分別為216°∠75°、119°∠75°和288°∠79°，其中第2組節(jié)理與層面傾向相差近200°，呈反傾，從地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析來看，該組節(jié)理可能控制該區(qū)的錯(cuò)動(dòng)范圍。此外，由于礦體的傾角為56°，那么簡(jiǎn)化了下盤巖體的離散元建模。以130剖面為例，其塊體離散元和顆粒離散元模型分別見圖6和圖7，塊體離散元和顆粒離散元之間每步進(jìn)行位移和力的傳遞，從而保證隨覆蓋層和巖體之間的相互作用。

圖6中，礦體開采設(shè)計(jì)按12 m水平進(jìn)行劃分，露天采場(chǎng)底標(biāo)高+100 m。Ⅰ礦帶從坑底崩落法開采至-8 m水平，-20～-8 m不開采，下部-80～-20 m采用充填法開采；Ⅱ礦帶從+160～-80 m采用上向分段充填法進(jìn)行開采。圖6模型左右兩側(cè)均為對(duì)稱邊界條件，底部為約束邊界條件。

圖6 160剖面塊體離散元模型

圖7 160剖面顆粒離散元模型

巖體和充填體采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖和充填體物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)碎石覆蓋層取樣進(jìn)行粗粒土大三軸試驗(yàn)，而后利用顆粒離散元建立雙軸數(shù)值試驗(yàn)，采用不同的幾何和物理參數(shù)去匹配大三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終選定表2所示的參數(shù)，匹配的結(jié)果見圖8。由圖8可知，數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果在圍壓0.3 MPa時(shí)和大三軸試驗(yàn)的結(jié)果吻合得很好；0.6和0.9 MPa圍壓時(shí)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果偏低，但差距不明顯；而當(dāng)圍壓為1.2 MPa時(shí)則明顯偏小，但若按曲線趨勢(shì)，后續(xù)差距應(yīng)該變小，這個(gè)主要是三軸試驗(yàn)在1.2 MPa圍壓時(shí)切線模量明顯增大。每個(gè)圍壓的數(shù)值雙軸試驗(yàn)結(jié)果普遍略低于粗粒土三軸試驗(yàn)曲線，符合工程上保守的原則，說明模擬碎石覆蓋層的相關(guān)參數(shù)選擇合理。

表2 顆粒離散元的計(jì)算參數(shù)

圖8 采用數(shù)值雙軸試驗(yàn)與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在計(jì)算過程模擬了碎石覆蓋層厚度為20 m和30 m時(shí)礦體開采過程，崩落法開采至-8 m水平，露天境界之外均出現(xiàn)地表陷落區(qū)。

當(dāng)覆蓋層厚度提高至40 m時(shí)，計(jì)算了圖1所示的所有剖面。仍然以130剖面為例，崩落法開采結(jié)束后圍巖的位移情況見圖9，可見其最大位移為0.25 m，而露天境界外地表的最大位移約為0.2 m。根據(jù)130剖面地表的垂直位移和水平位移(沿剖面走向)計(jì)算了地表的水平變形、傾斜以及曲率(相關(guān)圖件從略)。所有的開采均結(jié)束后，露天境界外Ⅰ礦帶上盤的地表最大水平變形、傾斜以及曲率分別約為5.4 mm/m、5.0 mm/m和0.33 mm/m2，小于陷落界限的指標(biāo)(分別為6 mm/m、10 mm/m和0.6 mm/m2)[13]，由此可見露天境界以外不會(huì)產(chǎn)生陷落區(qū)。

圖9 130剖面崩落法開采至-8 m水平巖體位移云圖

由此可見，桑園鐵礦采用40 m厚覆蓋層，可以進(jìn)行Ⅰ礦帶上2個(gè)階段的崩落法開采。

4 結(jié) 語

對(duì)于桑園鐵礦這座即將轉(zhuǎn)地下的礦山，縮短基建周期快速達(dá)產(chǎn)和保護(hù)地表耕地存在著一定的矛盾。為了使礦山平穩(wěn)過渡和減少先期投資，提出了上部崩落法、下部充填法相結(jié)合的采礦方法，并將陷落區(qū)控制在露天采場(chǎng)境界內(nèi)。

通過經(jīng)驗(yàn)類比法，獲得桑園鐵礦的陷落角為67°，可完成第一階段崩落法開采而使陷落區(qū)控制在露天采場(chǎng)境界內(nèi)。但是，桑園鐵礦為薄礦體，礦體間的夾巖不作開采，顯然采用經(jīng)驗(yàn)類比獲得的陷落角是保守的，此外露天坑底鋪設(shè)的碎石覆蓋層，也能一定程度減少巖體移動(dòng)。數(shù)值計(jì)算表明，鋪設(shè)40 m厚覆蓋層，桑園鐵礦可采用崩落法開采2個(gè)階段。

相對(duì)原先的上向充填法開采，2個(gè)階段的崩落法開采不僅使得地下開采快速達(dá)產(chǎn)，減少先期投資，經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較，Ⅰ礦帶2個(gè)階段崩落法開采節(jié)約開采成本約1.0億元。

由此可見，桑園鐵礦結(jié)合自身特點(diǎn)，為轉(zhuǎn)地下開采選定合理的采礦方法適應(yīng)礦山過渡時(shí)期的需求，也節(jié)約了開采成本，并且符合密云地區(qū)建立生態(tài)礦山的精神。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Selection of Mining Method of Transforming from Open-pit to Underground for Sangyuan Iron Mine

Xu Xinghua

(BeijingJiangchangMiningCo.，Ltd.，Miyun101504，China)

Some mining methods such as caving method, which have short construction period and low mining cost, are often selected for mines changing from open-pit to underground. However, as ecological and environmental protection getting more and more attention, surface collapse induced by underground mining is not permitted so that upward backfilling method with relative longer construction period and larger investment tend to be adopted by mine, which is harmful to mine management in transition period. Open-pit mining has already caused damage to the surface, so collapse is permitted inside the open-pit limit, therefore Sangyuan mine decide to combine caving and backfilling method for its transition to underground mining. Firstly, the engineering characteristic of Sangyuan Mine is introduced. Then, engineering analogy method and Laubscher method are used for preliminary choosing the depth of cave mining. Finally, based on the coupling analysis of block distinct element method (DEM) and particle DEM, the depth of cave mining and the thickness of covering layer are determined. Economic analysis showed that, with the combined mining method Sangyuan mine can not only overcome difficulties in transition period, but also save mining cost up to nearly 100 million Yuan.

Transition from open-pit to underground，Caving method，Backfilling method，Gravel covering layer，Combined mining method

2014-05-24

徐興華(1968—)，男，副總經(jīng)理，總工程師。

TU 804

A

1001-1250(2014)-09-021-06