張良兵，冷建勇，李 翠，陳 濤，羅少琛

（攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究院,四川 攀枝花 617063）

0 引言

露天礦山轉(zhuǎn)入地下開采過程中，一方面因露天采場和地下采場間特殊的空間位置關(guān)系，露天采空區(qū)內(nèi)的匯水容易灌入井下造成淹井事故，一般露天轉(zhuǎn)地下礦山要在地下采空區(qū)和露天采空區(qū)之間構(gòu)筑層狀覆蓋物，以起到遲滯水滲流的作用[1-2]；另一方面無底柱分段崩落法是最典型的覆巖下放礦，覆巖下放礦的重要特征是其應(yīng)用底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定點(diǎn)放礦，覆蓋層厚度與放礦橢球體不適應(yīng)，會對礦石損失、廢石混入、礦石貧化產(chǎn)生重要的影響[3-6]。因此覆蓋巖層的形成方式及厚度將直接影響采礦指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益，并威脅到井下回采作業(yè)的安全。

攀西某鐵礦崩落法開采及境界頂柱回收過程中，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的覆蓋層。覆蓋層一般采用廢石回填或邊幫削坡的方式形成，針對該礦山，推薦采用內(nèi)排的方式協(xié)同形成覆蓋層，可解決廢石排棄難題，且有利于崩落法放礦。但是較高內(nèi)排土場形成覆蓋層，一方面將導(dǎo)致采場內(nèi)地壓升高，對井巷工程穩(wěn)定性造成一定影響，同時(shí)內(nèi)排土場排棄物料的結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)的要求，需要滿足放礦管理。所以針對攀西某鐵礦山開采條件，通過相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬[7-8]相結(jié)合的方式對覆蓋巖層厚度進(jìn)行分析與研究，尋求合理的覆蓋層厚度以實(shí)現(xiàn)有序放礦，避免投資浪費(fèi)。

1 覆蓋層結(jié)構(gòu)參數(shù)相似試驗(yàn)

參考攀西某鐵礦山無底柱分段崩落法的結(jié)構(gòu)參數(shù)及現(xiàn)場礦巖散體的顆粒性質(zhì)，建立與現(xiàn)場尺寸、材料、性質(zhì)等條件相似的物理模型，將整個(gè)放礦過程立體、完整、直觀地呈現(xiàn)出來，并以此來研究覆蓋層在不同厚度下覆蓋層顆粒的速度、運(yùn)動軌跡及覆蓋層的沉降變化情況，為構(gòu)建合理厚度和安全結(jié)構(gòu)的覆蓋層提供指導(dǎo)。

1.1 相似試驗(yàn)材料的選取

在試驗(yàn)前，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的相似比用不同規(guī)格的篩子將河砂及石英砂篩分成要求粒級，礦石及覆蓋層顆粒配比方案見表1。

表1 礦石及覆蓋層顆粒級配Table 1 Particle gradation of ore and covering layer

1.2 相似材料試驗(yàn)方案

1.2.1 方案設(shè)計(jì)

攀西某鐵礦山采用無底柱分段崩落法，分段高度20 m，進(jìn)路間距18 m，采礦進(jìn)路斷面尺寸為5 m×5 m（寬×高），放礦步距為4 m，物理相似材料模型確定相似比為1∶100。

覆蓋層作為保護(hù)墊層的厚度一般為兩個(gè)分段高度，模型中模擬覆蓋層的高度應(yīng)在40 m 左右，因此在試驗(yàn)中選取30、35 m 和40 m 來分析研究覆蓋層顆粒的流動速度、運(yùn)動軌跡、界面變化情況，以此分析覆蓋層的合理厚度。

由于礦石前幾個(gè)分段放礦過程中對上部覆蓋層的影響較大，覆巖的移動規(guī)律明顯，故模擬礦石層時(shí)采用四個(gè)分段高度，即模擬80 m 的礦層高度，為保證覆蓋層具有足夠的厚度，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶醋罡吣苣M50 m 的覆蓋層設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到邊界條件的影響，保證中間進(jìn)路不受邊界條件的影響，模型設(shè)計(jì)每個(gè)分段布置4～5 條進(jìn)路，呈菱形布置。

1.2.2 標(biāo)志性顆粒及標(biāo)志線

選擇大小適中的河砂顆粒染色作為標(biāo)志性顆粒，在礦巖交界面每個(gè)網(wǎng)格交點(diǎn)及中心處放置一個(gè)標(biāo)志性顆粒，并記下標(biāo)志性顆粒的編號。從礦巖交界面開始，在礦石層中每個(gè)分段高度（20 cm）緊貼玻璃板內(nèi)表面的位置灑一層紅色粉末作為標(biāo)志線，在覆蓋層中每隔10 cm 相同位置也灑上標(biāo)志線。

1.2.3 相似材料的填裝

1）裝礦工作

首先將預(yù)先設(shè)計(jì)好的不銹鋼進(jìn)路及進(jìn)路蓋板（保證能夠方便拔出且對上部散體沒有較大的影響）放置在模型固定位置，同時(shí)利用鋼片來模擬桃形礦柱，形成放礦過程中未爆破的脊部礦石。其次將攪拌均勻的礦石裝入相似材料模型中，在每次裝料時(shí)，盡量保證散體塊度分布均勻，以免在放礦的過程中由于大塊集中而出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)拱現(xiàn)象，盡量不讓散體灑落到模型框體外面。礦石裝到與上個(gè)分段的進(jìn)路底板對齊為止，同時(shí)在緊貼玻璃板內(nèi)表面撒上一條紅色標(biāo)志線粉末。

2）裝巖工作

礦石層裝填完畢后，在礦石層和覆蓋層的分界線位置緊貼玻璃板內(nèi)表面撒上一條筆直紅色標(biāo)志線，同時(shí)在礦巖交界面每個(gè)網(wǎng)格交點(diǎn)及中心處放置一個(gè)標(biāo)志性顆粒。然后向模型中添加攪拌均勻的石英砂作為覆蓋層，且每10 cm 在覆蓋層上部撒上標(biāo)志線。

1.3 相似試驗(yàn)演化過程與結(jié)果分析

1.3.1 相似試驗(yàn)演化過程

為更好地找出覆蓋層的移動規(guī)律，在試驗(yàn)過程中采用現(xiàn)場觀察和攝影的方法進(jìn)行記錄。放礦時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的放礦步距寬度，將進(jìn)路的蓋板拔出4 cm 的寬度，蓋板拔出的同時(shí)礦石冒落到進(jìn)路中，形成端部放礦。用小鏟子和小耙子將礦石運(yùn)出，為保持和礦山鏟運(yùn)機(jī)的鏟斗容積相同，模擬每次鏟礦量在300 g 左右。每次鏟出礦巖后，當(dāng)即用電子秤稱出每次出礦的質(zhì)量，記錄鏟出質(zhì)量，同時(shí)用相機(jī)記錄下每次出礦時(shí)覆蓋層界面的變化情況。礦石層上階段采用無貧化放礦方式，在放出上部覆蓋層顆粒時(shí)即停止本階段第一放礦步距放礦。再拔出進(jìn)路蓋板一個(gè)放礦步距寬度，并用相機(jī)記錄拔出蓋板后覆蓋層的界面變化，繼續(xù)放礦直到出現(xiàn)覆蓋層廢石，記下出現(xiàn)標(biāo)志性顆粒時(shí)放礦的次數(shù)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)放出礦巖的質(zhì)量。每個(gè)階段進(jìn)路從右向左依次放礦。放礦過程中不同厚度覆蓋層移動變化情況見圖1～3。

圖1 各分段放礦結(jié)束后30 m 覆蓋層變化情況Fig.1 The change of 30 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖2 各分段放礦結(jié)束后35 m 覆蓋層變化情況Fig.2 The change of 35 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖3 各分段放礦結(jié)束后40 m 覆蓋層變化情況Fig.3 The change of 40 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

1.3.2 基于相似試驗(yàn)覆蓋層厚度分析

由試驗(yàn)的過程可知，當(dāng)覆蓋層厚度為30 m 時(shí)，從第一分段開始，直到放礦結(jié)束，覆蓋層表面起伏度較大，平均高差在10～15 cm，覆蓋層整體結(jié)構(gòu)保持不完整，部分區(qū)域覆蓋層厚度過薄，不能滿足正常工作所需要的條件。

當(dāng)覆蓋層厚度為35 m 時(shí)，第一分段放礦結(jié)束后，覆蓋層表面塌陷較為明顯，形成波浪形，最大高差約為7 cm；在第二分段出礦時(shí)，由于菱形進(jìn)路交錯開采，覆蓋層表面起伏度降低，整體結(jié)構(gòu)保持良好；在第三分段和第四分段出礦時(shí)，覆蓋層整體下移，表面雖有一定起伏度變化，但最大高差縮減約為3 cm，且由于受到邊界條件的影響，最外側(cè)進(jìn)路放礦會導(dǎo)致覆蓋層傾斜一定角度。全部放礦結(jié)束后可以看到雖然覆蓋層厚度減少，但整體結(jié)構(gòu)仍能保持完整，可以起到良好的滯水、防風(fēng)和緩沖沖擊地壓的效果。

當(dāng)覆蓋層厚度為40 m 時(shí)，試驗(yàn)效果與35 m 相差不大，第一分段放礦時(shí)覆蓋層表面塌陷凹坑不明顯，稍有起伏，最大高差僅為3.5 cm，松動橢球體發(fā)育良好，第二分段放礦后起伏基本消失，上表面較為平整，全部放礦完成后，覆蓋層整體結(jié)構(gòu)保持完整，同樣能起到良好的滯水、防風(fēng)和緩沖沖擊地壓的效果。

基于試驗(yàn)條件相似，攀西某鐵礦山露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層最小厚度應(yīng)大于35 m。

2 覆蓋層結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1.1 覆蓋層數(shù)值計(jì)算模型

采用通用的PFC2D 即二維顆粒流程序進(jìn)行數(shù)值模擬，為了將數(shù)值模擬和室內(nèi)相似材料試驗(yàn)對應(yīng)起來，本次模擬按照室內(nèi)相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛笮〗⑼瘸叽绲哪Ｐ?，即總? 個(gè)分段，分段高度20 m，進(jìn)路間距18 m。模型下部為礦石層（藍(lán)色顆粒），上部為覆蓋層（綠色顆粒），覆蓋層厚度分別為40、35 m 和30 m。為方便觀察覆蓋層在放礦過程中的移動情況，在覆蓋層中添加多條標(biāo)記線（紅色顆粒），標(biāo)記線間距為6 m。3 種覆蓋層厚度的模型分別如圖4 所示。

圖4 覆蓋層厚度模型Fig.4 Cover thickness model diagrams

模擬放礦時(shí)，當(dāng)有礦石顆粒進(jìn)入進(jìn)路時(shí)，刪除此顆粒，使礦體上方的覆蓋層逐漸下落。當(dāng)有覆蓋層顆粒進(jìn)入進(jìn)路時(shí)，終止此進(jìn)路的放礦，之后進(jìn)行下一進(jìn)路的放礦計(jì)算。在同一分段中按位置順序依次進(jìn)行放礦，待此分段所有進(jìn)路都放礦完畢后，將進(jìn)路刪除并進(jìn)行下一分段的放礦計(jì)算。

2.1.2 覆蓋層數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)的選取

1）顆粒直徑。在數(shù)值模擬顆粒直徑配比時(shí)，若配比的粒徑差距太大，會使顆粒數(shù)量增多，降低計(jì)算速度，同時(shí)小顆粒的運(yùn)動狀態(tài)也很難觀察，故選取最大半徑為最小半徑的3 倍，并按0.06 的孔隙率生成顆粒。

2）顆粒密度。根據(jù)相關(guān)資料，選取礦石顆粒密度為3.5×103kg/m3，覆蓋層顆粒密度為2.7×103kg/m3。

3）接觸模型。采用線性接觸模型。

4）顆粒的其它參數(shù)見表2。

表2 PFC2D 模型參數(shù)Table 2 PFC2D model parameters

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 數(shù)值模擬結(jié)果

PFC2D 二維顆粒流程序數(shù)值模擬放礦過程中30 m 覆蓋層、35 m 覆蓋層和40 m 覆蓋層的變化情況如圖5～7 所示。

圖5 各分段放礦結(jié)束后30 m 覆蓋層變化過程Fig.5 The change process of 30 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖6 各分段放礦結(jié)束后35 m 覆蓋層變化過程Fig.6 The change process of 35 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

圖7 各分段放礦結(jié)束后40 m 覆蓋層變化過程Fig.7 The change process of 40 m overburden layer after completion of each sublevel ore drawing

2.2.2 基于數(shù)值模擬覆蓋層厚度分析

由圖5～7 可知，隨放礦作業(yè)進(jìn)行，3 種厚度的覆蓋層表面起伏度都會發(fā)生變化，逐漸出現(xiàn)斜坡面，且斜坡坡面角度隨覆蓋層厚度的減小逐漸增大，同時(shí)3 種覆蓋層中的標(biāo)記線均出現(xiàn)有較大起伏的波浪形，但直到所有分段均放礦結(jié)束，40 m 和35 m 覆蓋層的整體結(jié)構(gòu)仍保持完整，依舊能起到防風(fēng)、保暖、滯水及防沖擊地壓的作用，但30 m 厚度的覆蓋層的表面斜坡面角度較大，容易積存雨水，易發(fā)生危險(xiǎn)。同時(shí)所模擬的結(jié)果與室內(nèi)相似材料試驗(yàn)所觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合。

根據(jù)安全規(guī)程要求，《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB16423-2006）規(guī)定：“回采工作面上方，應(yīng)有大于分段高度的覆蓋巖層，以保證回采工作的安全；若上盤不能自行冒落或冒落的巖石量達(dá)不到所規(guī)定的厚度，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行強(qiáng)制放頂，使覆蓋巖層厚度達(dá)到分段高度的二倍左右”。綜上所述，推薦礦山取覆蓋層厚度40 m 更為安全、合理。

3 結(jié)論

1）通過相似材料試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對30、35 m以及40 m 覆蓋層放礦結(jié)束后覆蓋層的變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，30 m 覆蓋層在放礦過程中部分區(qū)域表面起伏度較大，整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，證明覆蓋層過??；而在35 m 及40 m 兩次試驗(yàn)中覆蓋層厚度雖然有所減少，但整體結(jié)構(gòu)都保持較為完整，可起到良好的滯水、防風(fēng)和緩沖沖擊地壓的效果，均能滿足要求。

2）結(jié)合礦山相關(guān)安全規(guī)程，從更安全、合理的角度出發(fā)，推薦攀西某鐵礦山露天轉(zhuǎn)地下崩落法開采覆蓋層厚度為40 m。