李潔慧

(湖南有色金屬研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

高速公路壓覆礦體協(xié)同開(kāi)采設(shè)計(jì)

李潔慧

(湖南有色金屬研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

協(xié)調(diào)好資源節(jié)約與綜合利用、安全之間的矛盾，是實(shí)現(xiàn)高速公路壓覆礦體協(xié)同開(kāi)采的重要途徑。以湖南某大型鉛鋅礦為例，分析了礦山開(kāi)采沉陷的影響因素，根據(jù)確定的開(kāi)采移動(dòng)角和安全保護(hù)帶寬度等，圈定了高速公路壓覆礦體范圍，并開(kāi)展高速公路壓覆礦體協(xié)同開(kāi)采設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：在采用機(jī)械化上向水平分層充填采礦法和自下而上開(kāi)采順序的前提下，根據(jù) “三帶”基礎(chǔ)理論確定最高回采標(biāo)高，留設(shè)合理安全隔離礦柱，既能保證井下開(kāi)采的安全，又大大減少了壓覆資源量，推動(dòng)了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

壓覆礦體；開(kāi)采沉陷；協(xié)同開(kāi)采;“三下”開(kāi)采

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近年來(lái)，高速公路穿過(guò)礦區(qū)上部的現(xiàn)象也越來(lái)越普遍。一方面，為保證高速公路運(yùn)行及井下開(kāi)采安全，需壓覆礦產(chǎn)資源；另一方面，壓覆資源量太大，造成了國(guó)家寶貴的礦產(chǎn)資源浪費(fèi)和制約了礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，在資源節(jié)約與綜合利用，以及安全成為當(dāng)代主題的今天，如何協(xié)調(diào)好這兩者的矛盾，實(shí)現(xiàn)壓覆礦體的協(xié)同開(kāi)采，是高速公路壓覆礦體開(kāi)采要解決的首要問(wèn)題[2]。

我國(guó)對(duì)高速公路壓覆礦體的開(kāi)采研究和應(yīng)用較多，且獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)[1-5]。目前，為控制地表巖移和實(shí)現(xiàn)協(xié)同開(kāi)采，高速公路壓覆礦體安全開(kāi)采一般采取兩大保護(hù)措施：一是根據(jù) “三帶”基礎(chǔ)理論[6]，留設(shè)一定厚度的安全隔離礦柱；二是采用合理、可行的開(kāi)采工藝。

以湖南省某鉛鋅礦為例，開(kāi)展高速公路壓覆礦體協(xié)同開(kāi)采設(shè)計(jì)。該鉛鋅礦為一個(gè)生產(chǎn)礦山，礦區(qū)新探明豐富的鉛鋅深部資源，礦床規(guī)模為大型，礦體埋藏深度超過(guò)800 m。同時(shí)，一條省內(nèi)高速公路線路以幾乎平行勘探線方向從該礦山新探明區(qū)域通過(guò)，給礦山的安全和資源開(kāi)發(fā)利用均造成了影響。

1 工程概述

礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5000 t/d(1650 kt/a)，開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，開(kāi)拓系統(tǒng)為主、副豎井，中段運(yùn)輸采用電機(jī)車(chē)方式，充填采用分級(jí)尾砂膠結(jié)系統(tǒng)。

礦體類(lèi)型為鉛鋅原生礦，形態(tài)為層狀、似層狀，賦存標(biāo)高+86～-1104 m，平均傾角76.5°，平均厚度12.3 m，走向長(zhǎng)度1.82 km，平均品位：Pb 3.21%，Zn 4.95%，伴生Ag 86.5 g/t。

礦體及圍巖均為白云巖，巖性組合單一，巖層產(chǎn)狀陡，質(zhì)地堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度大(f系數(shù)為8～12)，抗剪強(qiáng)度高，遇水不軟化，穩(wěn)定性好，斷層構(gòu)造和大的節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，總體工程地質(zhì)條件有利，礦床屬于碳酸鹽巖為主、層狀可溶鹽巖類(lèi)、工程地質(zhì)條件中等類(lèi)型的礦床。

礦區(qū)外圍有一條河流，該河流是礦坑的主要補(bǔ)給源。同時(shí)，礦內(nèi)構(gòu)造斷裂破碎帶和巖溶較發(fā)育，地下水埋藏淺，礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下；主要充水含水層在淺部巖溶較發(fā)育，富水性中等，深部巖溶弱發(fā)育，富水性較差；但巖溶水具有較高水壓、水文地質(zhì)邊界條件較復(fù)雜，且可能產(chǎn)生巖溶地面塌陷、地面沉降變形等問(wèn)題，水文地質(zhì)條件為中等偏復(fù)雜類(lèi)型。

2 開(kāi)采沉陷影響分析

(1) 覆巖力學(xué)性質(zhì)的影響。該礦覆巖主要為白云巖，屬堅(jiān)硬巖石，穩(wěn)固性好，開(kāi)采時(shí)巖層及地表移動(dòng)影響特征為：隨著采空區(qū)懸掛面積增大，地表易產(chǎn)生非連續(xù)性變形；巖層及地表下沉量小，拐點(diǎn)平移距大；在急傾斜礦層開(kāi)采條件下地表易出現(xiàn)塌陷坑或塌陷漏斗。

(2) 礦體傾角的影響。礦體傾角為急傾斜，下沉盆地的非對(duì)稱(chēng)性十分明顯，下山方向影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山方向影響范圍。隨著礦體傾角增大，最大下沉點(diǎn)位置逐漸移向礦體上山方向，傾斜剖面形狀由對(duì)稱(chēng)的碗形逐漸變?yōu)榉菍?duì)稱(chēng)的瓢形，急傾斜礦體開(kāi)采時(shí)不出現(xiàn)充分采動(dòng)情況，最大下沉值隨回采階段垂高的增加而增大。

(3) 開(kāi)采厚度/深度的影響[6]。一般來(lái)講，地表移動(dòng)變形值即與開(kāi)采厚度成正比，與開(kāi)采深度成反比。常用深厚比作為衡量開(kāi)采條件對(duì)地表沉陷影響的粗略估計(jì)指標(biāo)，深厚比較大，地表移動(dòng)變形值越小，移動(dòng)和變形就越平緩：深厚比較小，地表移動(dòng)與變形就越劇烈。

(4) 采礦方法的影響。對(duì)于高速公路下礦體的安全回采，必須采用充填采礦法。充填法開(kāi)采對(duì)覆巖破壞較小，一般只引起開(kāi)裂性破壞而無(wú)冒落性破壞，能夠減小地表移動(dòng)量，并使地表移動(dòng)和變形更為均勻。地表移動(dòng)量大小與所采用的充填方法、充填材料、充填體壓縮率以及頂板巖層發(fā)育程度有關(guān)。高濃度分級(jí)尾砂膠結(jié)充填體壓縮率最小，廢石充填或廢石與尾砂混合充填體壓縮率較大。

(5) 疏干排水的影響。結(jié)合礦山實(shí)際，隨著深部采礦巷道的開(kāi)拓，形成的降落漏斗在不斷擴(kuò)大，原來(lái)位于第四系中的地下水位將下降至基巖頂面以下，從而疏干第四系中的地下水。故隨著地下水位的降低，第四系土層就開(kāi)始了壓縮沉降。目前，壓覆礦體第四系土層大部分已經(jīng)疏干，第四系粘土層已經(jīng)開(kāi)始排水固結(jié)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，這種固結(jié)最終將趨于穩(wěn)定，地面沉降量也將逐漸減小，預(yù)計(jì)深部采礦排水所引起的第四系土層排水固結(jié)沉降量不會(huì)太大。

3 高速公路壓覆礦體圈定

3.1 開(kāi)采移動(dòng)角

根據(jù)礦體的賦存形態(tài)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，地表地形、構(gòu)造及地表建筑構(gòu)造物等情況，考慮到所選用的采礦方法，采用工程類(lèi)比法，參照類(lèi)似礦山地表巖移實(shí)測(cè)資料，最終確定礦山開(kāi)采移動(dòng)角為：上盤(pán)68°，下盤(pán)72°，兩翼68°。

3.2 安全保護(hù)帶寬度

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50771)和《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》的規(guī)定，高速公路保護(hù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，保護(hù)帶寬度取20 m。同時(shí)，根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》的有關(guān)規(guī)定“禁止在公路用地外緣起向外100 m、中型以上公路橋梁周?chē)?00 m范圍內(nèi)，從事采礦、采石、取土、爆破作業(yè)等危及公路、公路橋梁、公路隧道、公路渡口安全的活動(dòng)”。

對(duì)于上述不同的規(guī)定，根據(jù)取“最大值”原則，高速公路安全保護(hù)帶寬度取100 m。

3.3 壓覆礦體的圈定

根據(jù)確定的開(kāi)采移動(dòng)角、安全保護(hù)帶寬度和高速公路線路布置情況(高速公路幾乎平行0號(hào)勘探線穿過(guò)礦區(qū))等來(lái)圈定壓覆礦體的范圍，見(jiàn)圖1。

圖1 高速公路壓覆礦體立面范圍

高速公路壓覆礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量估算常用的方法有地質(zhì)塊段法、剖面法、垂線法、數(shù)字標(biāo)高投影法等[7-8]，根據(jù)礦體賦存特征、工程類(lèi)型和開(kāi)采方式等，該鉛鋅礦區(qū)采用地質(zhì)塊段法估算資源儲(chǔ)量，在垂直縱投影圖上劃分塊段，能較客觀地反映礦體形態(tài)。

一般情況下，為保護(hù)高速公路的安全，高速公路壓覆范圍內(nèi)的礦體須留作保安礦柱，不能回采。通過(guò)計(jì)算，總的壓覆地質(zhì)礦量為1486.5萬(wàn)t，Pb金屬量477166 t，Zn金屬量735817 t，Ag金屬量1286 t。

但是，考慮到壓覆資源量太大，必須開(kāi)展協(xié)同開(kāi)采設(shè)計(jì)，即在采用充填采礦法等技術(shù)前提下，借鑒煤礦“三下”開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，以最大限度回收寶貴礦產(chǎn)資源，同時(shí)確保井下安全回采。

4 協(xié)同開(kāi)采設(shè)計(jì)

4.1 采礦方法

礦區(qū)為公路下開(kāi)采，對(duì)開(kāi)采安全要求較高，同時(shí)，礦石品位較高，宜采用充填采礦法。根據(jù)礦體的形態(tài)及賦存條件、礦體及其頂?shù)装鍑鷰r情況，確定采礦方法及其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

(1) 沿走向布置的機(jī)械化上向水平分層充填法。適用于礦巖穩(wěn)固，急傾斜，礦體厚度<15 m的礦體。礦塊沿走向布置，長(zhǎng)40～50 m，寬為礦體水平厚度，高為40 m(中段高度)，分層高4.0 m，分段高12.0 m，一個(gè)盤(pán)區(qū)由2～3個(gè)采場(chǎng)組成，走向長(zhǎng)80～150 m，不留間柱和頂柱，留底柱6.0 m。

(2) 垂直走向布置的機(jī)械化上向水平分層充填法。適用于礦巖穩(wěn)固，急傾斜，礦體厚度≥15 m的礦體。礦塊由一個(gè)礦房和一個(gè)礦柱組成。礦塊垂直礦體走向布置，長(zhǎng)為礦體水平厚，寬30 m，高為40 m(中段高度)，礦房、礦柱寬均為15 m，分段高度12.0 m，分層高4.0 m，一個(gè)盤(pán)區(qū)由4個(gè)礦塊組成，長(zhǎng)120 m，不留頂柱，留底柱6.0 m。

4.2 開(kāi)采順序

根據(jù)開(kāi)采沉陷影響因素分析結(jié)果，地表移動(dòng)和變形與開(kāi)采深度關(guān)系密切，隨著開(kāi)采深度的增加，地表各項(xiàng)移動(dòng)變形值減小，這是由于采深增加，地表移動(dòng)范圍增加，但下沉值變化不大，地表移動(dòng)盆地變得平緩，各項(xiàng)變形值減小，因此，在其它條件相同的情況下，地表各項(xiàng)變形值與采深成反比。

因此，如果采用從下而上的開(kāi)采順序，先開(kāi)采深部礦體，可以使地表移動(dòng)盆地變緩，延長(zhǎng)巖移時(shí)間，減小地表因巖移速度過(guò)快而產(chǎn)生不均勻下沉的可能。同時(shí)考慮到礦體礦量分布情況，設(shè)計(jì)采用從下而上的開(kāi)采順序。

4.3 最高回采標(biāo)高

從最大限度回收資源角度出發(fā)，需采用高成本的高強(qiáng)度膠結(jié)充填采礦法開(kāi)采高速公路壓覆礦體。另外，通過(guò)疏干排水的影響分析，地采引起的冒落帶、裂縫帶不與礦區(qū)強(qiáng)含水層溝通，盡量做到井下疏干排水經(jīng)弱含水層平緩進(jìn)行，減少地采對(duì)地表高速公路的影響，特別是巖溶塌陷引起的地表塌陷。

目前，最高回采標(biāo)高通過(guò)計(jì)算冒落帶和裂隙帶高度來(lái)確定，煤炭系統(tǒng)廣泛采用的冒落帶和裂隙帶計(jì)算公式為：

式中，Ha為安全開(kāi)采深度，m；hb為保護(hù)層厚度，m，取20 m；hm為冒落帶高度，m；hd為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；m為礦體厚度，m；h為采幅垂直厚度，m，充填法金屬礦山可取未接頂高度，考慮充填接頂、充填體壓縮沉降等因素，取1.5 m，；α為礦體傾角，(°)；k為冒落礦巖自由松脫的松散系數(shù)，取1.4。

根據(jù)上述公式計(jì)算的安全開(kāi)采深度和最高回采標(biāo)高見(jiàn)表1。依據(jù)計(jì)算的最高回采標(biāo)高，以及中段布置情況，確定-210 m中段標(biāo)高以上礦體作為永久保安礦柱，不進(jìn)行開(kāi)采；-210 m標(biāo)高以下的礦體可以回采，但必須進(jìn)行試采，并在試采中查明垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶的高度以及水文地質(zhì)條件變化、觀測(cè)地表移動(dòng)與變形等情況，作為礦山高速公路下開(kāi)采的科學(xué)依據(jù)。

表1 最高回采標(biāo)高計(jì)算

據(jù)此計(jì)算的壓覆地質(zhì)礦量為270.5萬(wàn)t(僅占總的壓覆礦體的18.2%)，Pb金屬量86844 t，Zn金屬量133919 t，Ag金屬量234 t。

5 結(jié) 論

(1) 在采用充填法開(kāi)采和優(yōu)化回采順序等前提下，根據(jù) “三帶”基礎(chǔ)理論，計(jì)算最高回采標(biāo)高，留設(shè)合理安全隔離礦柱，可實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約與綜合利用、安全的協(xié)同開(kāi)采。

(2) 以某鉛鋅礦為例，通過(guò)高速公路壓覆礦體的協(xié)同開(kāi)采設(shè)計(jì)，可多回收地質(zhì)資源量1216.0萬(wàn)t，Pb金屬量390322 t，Zn金屬量601899 t，Ag金屬量1052 t，推動(dòng)了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

(3) 為進(jìn)一步確保高速公路下礦體的安全開(kāi)采，礦山在今后生產(chǎn)管理要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、充填和探水等安全管理工作。

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2017-05-19)

李潔慧(1985-)，女，湖南衡陽(yáng)人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴傻V工藝和礦山安全，Email：99376196@qq.com。