張鵬強(qiáng)，盛 佳，陳國舉，李向東，趙國亮，王亞軍

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大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術(shù)研究

張鵬強(qiáng)1，盛 佳2, 3, 4，陳國舉1，李向東2,4，趙國亮1，王亞軍2,4

(1.鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 金昌市 471435；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；3.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭市 411201；4.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410012)

針對金川公司低品位礦石由高成本的下向進(jìn)路充填采礦法轉(zhuǎn)化為低成本的崩落采礦法的開采工藝難題，分析了崩落覆蓋層的必要性，采用理論分析以及3DEC數(shù)值模擬研究方法，開展了大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術(shù)研究。結(jié)果表明：首采分層出30%崩礦量，第二層出80%崩礦量的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合大面積充填體的破壞誘導(dǎo)機(jī)制與模式，可以成功形成覆蓋層。

充填法；崩落法；3DEC數(shù)值模擬；崩落覆蓋層

0 引 言

金川公司多年來采取“采富保貧”的政策，富礦資源已急劇下降，由于礦石開采一直沿用下向進(jìn)路充填采礦法，開采成本居高不下，為了礦山的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，貧礦資源經(jīng)濟(jì)高效回收已迫在眉睫。礦山聯(lián)合科研單位開展攻關(guān)研究，綜合分析討論后決定將貧礦資源采礦方法由高成本的充填法轉(zhuǎn)化為低成本的崩 落法。

龍首礦西二采區(qū)礦體經(jīng)過數(shù)年的生產(chǎn)經(jīng)營，開采技術(shù)條件發(fā)生了很大變化，尤其是頂板膠結(jié)充填體的存在，使得采用崩落采礦法開采時(shí)不能像新建礦山那樣直接崩落圍巖形成覆蓋層。一般來說，崩落采礦法開采地壓管理通過崩落圍巖和頂板巖石，在崩落礦石上部形成一定厚度可以隨崩落礦石下降而下降的覆蓋層控制地壓，然而，機(jī)械化下向分層六角形高進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法改崩落采礦法開采的覆蓋層[1?4]形成方法有其自身的特點(diǎn)，30 m厚的充填體增加了覆蓋層形成、安全生產(chǎn)及處理采空區(qū)的難度。

1 覆蓋層必要性及其形成原則

1.1 覆蓋層形成必要性

無底柱分段崩落采礦法要求崩落礦石在覆蓋巖層下進(jìn)行出礦，因此必須首先形成覆蓋巖層。其原因是：

(1) 沒有覆蓋巖層就不能形成擠壓爆破條件，爆下的礦石崩入空場，在本分段大部分放不出來。

(2) 沒有覆蓋巖層做緩沖層時(shí)，如圍巖大量崩落將造成嚴(yán)重安全事故。在開采中，若沒有覆蓋層作緩沖，頂板失穩(wěn)將直接對地下開采造成沖擊，影響作業(yè)安全。

(3) 有足夠厚度的覆蓋巖層[5?6]，在一定程度上，延緩了大氣降雨迅速涌入井下的時(shí)間，給井下排水較為寬裕的時(shí)間準(zhǔn)備。

1.2 覆蓋層形成基本原則

(1) 充分利用好采場現(xiàn)有的條件。

(2) 初期進(jìn)行強(qiáng)制放頂，使覆蓋層厚度滿足安全規(guī)范要求。

(3) 對于初期的強(qiáng)制落頂，應(yīng)針對礦體開采的具體情況，裝備及技術(shù)力量，生產(chǎn)持續(xù)與銜接等因素，因地制宜、具體對待。

2 大面積充填體下崩落覆蓋層形成思路

覆蓋層形成的方法和思路主要有3種：

(1) 上部已經(jīng)采用空場采礦法開采的礦山，可在回采頂?shù)字鶗r(shí)，利用藥室或中深孔崩落采空區(qū)上下盤巖石，形成覆蓋巖層；

(2) 對于礦體圍巖不穩(wěn)固的新建礦山，覆蓋層是在進(jìn)行礦石回采時(shí)，由自然崩落的圍巖形成；

(3) 對于礦體圍巖穩(wěn)固的新建礦山，可以采用異步造層法或同步造層法形成覆蓋層。

結(jié)合國內(nèi)外崩落覆蓋層形成技術(shù)，根據(jù)金川公司多年來崩落法試驗(yàn)研究相關(guān)成果，針對龍首礦西采二區(qū)上覆大面積充填體的具體情況。利用離散元3DEC數(shù)值模擬手段，結(jié)合充填體的具體處理方案以及對大面積充填體破壞誘導(dǎo)機(jī)制和模式的具體研究，采用控制出礦的手段，不留護(hù)頂?shù)V，首層分層出礦崩礦量的30%，第二分層出礦崩礦量的80%，進(jìn)行典型斷面模擬分析[7]，隨著分層開采的進(jìn)行，動態(tài)觀察覆蓋層的形成過程，并提取每一斷面分層開采中充填體沉降數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)曲線定量分析覆蓋層能否成功形成。

3 大面積充填體下崩落法覆蓋層形成技術(shù)分析

3.1 數(shù)值模擬

根據(jù)崩落法開采覆蓋層形成思路，基于開挖步驟編寫3DEC命令流[8]，對龍首礦西二采區(qū)1610~1544 m(高66 m)、5~7行(寬100 m)礦體的開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分析研究大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術(shù)，并提取各分段充填體沉降數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)曲線具體分析覆蓋層的形成。通過數(shù)值模擬得到的5~7行典型剖面不同開采分段各個(gè)水平高度充填體沉降位移如圖1~圖3所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

5~7行典型剖面數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示，首采切割后，上覆充填體就發(fā)生了松動，在首采分段放出30%礦體后，上覆充填體發(fā)生冒落，說明上覆充填體的穩(wěn)定性不強(qiáng)，伴隨著開采的進(jìn)行，從沉降位移變化中可以看出上覆充填體發(fā)生了較大冒落，形成了一定厚度的覆蓋層。各行典型剖面不同開采分段各個(gè)水平高度充填體沉降最大位移如下表1所示。

圖1 5行典型剖面不同開采分段各個(gè)水平高度充填體沉降位移

圖2 6行典型剖面不同開采分段各個(gè)水平高度充填體沉降位移

圖3 7行典型剖面不同開采分段各個(gè)水平高度充填體沉降位移

3.3 大面積充填體下崩落采礦法覆蓋層形成技術(shù)

龍首礦西采二區(qū)4萬m2的充填體在足夠大暴露面積下必然發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，充填體的冒落是隨著首采分層以礦石的開采逐步完成的，對冒落過程的定量出礦控制是形成整體下移層的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)采用暫留礦石，結(jié)合頂板圍巖自然冒落[9]及充填體整體下移形成覆蓋層，首采分層出30%崩礦量，第二層出80%崩礦量的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合大面積充填體的破壞誘導(dǎo)機(jī)制與模式，可以成功形成覆蓋層[10]。

4 結(jié) 論

(1) 覆蓋層形成技術(shù)的要點(diǎn)是首采分層出礦量達(dá)到崩落礦量的30%~45%，剩余礦石殘留在采場之內(nèi)；第二分層開采時(shí)，出礦量取決于上部頂板巖層冒落情況，當(dāng)其已經(jīng)大量冒落時(shí)，其出礦量也可以增大。其原則是保證冒落的充填體巖石加崩落的礦石是分層高度的兩倍，該覆蓋層在冒落的巖石不足時(shí)由礦石暫時(shí)代替。

(2) 金川龍首礦西二采區(qū)采用首采分層出30%崩礦量，第二層出80%崩礦量的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合大面積充填體的破壞誘導(dǎo)機(jī)制與模式，可以成功形成充填體覆蓋層。

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(2018?11?20)

張鵬強(qiáng)(1984—)，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，工程師，主要從事金屬礦床開采技術(shù)研究工作，Email：455969199@qq.com。