某鐵礦無底柱分段崩落法礦石覆蓋層形成模擬研究

1、某鐵礦無底柱分段崩落法礦石覆蓋層形成模擬研究何佳峰1 陳星明1 雷剛2 李英碧3（1.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川 綿陽 621010；2.東北大學資源與土木工程學院 遼寧 沈陽 110000；3.四川錦寧礦業(yè)有限公司 四川涼山州 615602）摘 要:隨著露天開采的結(jié)束，某大型鐵礦逐漸由露天轉(zhuǎn)入地下開采，并應(yīng)用無底柱分段崩落法采礦。與國內(nèi)外許多露天轉(zhuǎn)地下采用無底柱分段崩落法礦山不同的是，此鐵礦采用了崩落頂部分段礦石的方式來形成礦石覆蓋層，而非一般的廢石覆蓋層。據(jù)初略估算，已形成的礦石覆蓋層經(jīng)濟價值巨大。礦山計劃在下分段回采中回收這部分礦石覆蓋層，則必須首先明白現(xiàn)有覆蓋層最終形態(tài)及厚度。通

2、過物理模擬實驗，分析覆蓋層的最終形態(tài)及厚度，為礦石覆蓋層的回收提供技術(shù)支撐，同時為類似礦山提供技術(shù)參考。關(guān)鍵詞 無底柱分段崩落法 礦石覆蓋層 放礦實驗作者簡介：何佳峰（1991-），男，西南科技大學碩士研究生，主要從事采礦工程的研究，（.Email）876875896通訊作者：陳星明(1972-)，男，西南科技大學教授，從事采礦工程方面的教學與研究，(E-mail)cxm。The simulation study on Sublevel caving method ore HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=%e8%a6%86%e7%9b%96%e5%

3、b1%82&tjType=sentence&style=&t=overburden overburden processhe jiafeng1 chen xingming1 lei gang2 li yingbi3(1.Environment and Resources Institute of Southwest University of Science and Technology, mianyang sichuan 621010；2.College of resources and civil engineering Northeastern University Liaoning S

4、henyang 110000；3. Sichuan Jing Ning Mining Co. Ltd, Liangshan Sicuan 615602）Abstract：With the end of open-pit mining, a large iron ore gradually from open-pit to underground mining, and apply Sublevel caving mining. And many domestic and foreign open pit to underground by non pillar sublevel caving

5、mining of iron ore is different, the caving top sublevel ore to form ore layer, rather than the general rock overburden. According to preliminary estimation, the ore overburden with enormous economic value. mine plan recovery this part of ore HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=%e8%a6%86%e7%9b%96

6、%e5%b1%82&tjType=sentence&style=&t=overburden overburden in the next, so mine must understand the thickness and the final form of the cover layer. By the physical simulation experiment, analysis of the final shape and thickness of the cover layer, in order to recovery of ore overlay provide technica

7、l support and provide technical reference for similar mines.Keywords：Sublevel caving method，Ore HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=%e8%a6%86%e7%9b%96%e5%b1%82&tjType=sentence&style=&t=overburden overburden , Ore drawing experimental 1前言某大型鐵礦位于四川西南部，在國內(nèi)屬特大型鐵礦山，礦山經(jīng)過數(shù)十年的露天開采，現(xiàn)已正式轉(zhuǎn)入地下開采。并且該礦山采用的采礦方法

8、為高效、安全的無底柱分段崩落法。無底柱分段崩落法的一個顯著特點是上覆圍巖及地表需要被崩落，采礦在一定厚度的礦巖覆蓋層保護下進行。崩落上覆圍巖及地表的目的是有效管理因采礦引起的地壓活動，而形成覆蓋層的目的則主要是為充填采空區(qū)實現(xiàn)輔助管理采場地壓并為采場提供擠壓爆破條件。同時，覆蓋層也為地下采礦活動提供了安全的保護層，防止落石、泥石流等對地下采礦造成危害。此外，保溫、防漏風也是覆蓋層的重要作用之一 1-2?？紤]到覆蓋層的重要性以及露天轉(zhuǎn)地下開采的特殊性，該礦山不得不采用崩落頂部分段礦石的方式來形成礦石覆蓋層，以確保地下采礦的安全性。隨著圍巖不斷的發(fā)生自然冒落以及露天邊坡圍巖被強制崩落，巖石覆蓋層厚

9、度逐漸增加，當巖石覆蓋層厚度也能獨立滿足礦山的正常安全生產(chǎn)時，礦山希望對這部分擁有大量經(jīng)濟價值的礦石覆蓋層進行回收3。為了經(jīng)濟、有效的回收礦石覆蓋層，弄清現(xiàn)有覆蓋層的形成過程、最終形態(tài)及厚度尤為關(guān)鍵。本文主要通過相似物理模擬實驗，觀察覆蓋層的形成過程，分析覆蓋層的最終形態(tài)，依此為后期回收礦石覆蓋層提供技術(shù)支持。2 覆蓋層形成方法及產(chǎn)生的效果按照設(shè)計單位的設(shè)計要求，礦山采用了無底柱分段崩落法對掛幫礦體和露天采場封閉圈內(nèi)礦體進行了回采，利用強制崩落的方式形成礦石覆蓋層，即通過在最初23個分段內(nèi)留下部分崩落礦石的方式形成設(shè)計厚度40m的礦石覆蓋層。因此，設(shè)計單位設(shè)計在掛幫礦出礦比例是前三個分段（14

10、20m、1400m、1380m）分別按步距崩落礦量的18.31%、96.36%、74.15%進行放礦。不過，在實際的開采過程中，為了提高經(jīng)濟效益，礦山對出礦的比例進行了一定的調(diào)整，主要是加大了品位高地段的出礦比例，具體的出礦方式是，通過在1420m、1400m、1380m分段劃分區(qū)域進行計劃區(qū)域放礦，礦山分區(qū)域放礦比例，見表1。表1 分區(qū)域放礦Table 1 zoning ore-drawing分段放礦區(qū)段1放礦區(qū)段2放礦區(qū)段31420m22%18%18%1400m60%20%20%1380m70%35%20%為了驗證強制崩落形成的礦石覆蓋層厚度是否滿足設(shè)計要求的40m厚度，礦山通過分別對14

11、20m、1400m、1380m分段崩落的礦石量以及回采的礦石量進行統(tǒng)計，利用分段崩落礦石量和回采礦石量的差值計算剩余礦石量形成的礦石覆蓋層厚度，采用的計算公式如下。=33.9 (m)式中：H覆蓋層厚度，m；Q崩礦礦石量，為507.8萬t（礦山通過統(tǒng)計獲得）；Qc回采礦石量，為226.8萬t（礦山通過統(tǒng)計獲得）；k礦石松散系數(shù)，取1.5；T礦石體重，為3.56t/m；S覆蓋層底端面積，為34894.2。設(shè)計單位計算出的礦石覆蓋層厚度是33.9m，但根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)礦石覆蓋層厚度計算時存在兩個錯誤。一是，計算時采用自由空間狀態(tài)下1.5的松散系數(shù)存在明顯錯誤。這是因為，爆破是在正、頂面都充滿礦巖的情況下

12、進行的，因此計算時應(yīng)按照擠壓爆破的松散系數(shù)1.11.3進行松散體積計算3；二是，理論計算出剩余礦石量（崩落礦石量減去回采礦石量）形成的厚度乘以松散系數(shù)，存在明顯的計算錯誤。這是因為，采場崩落礦石碎漲的方向主要發(fā)生在水平方向，在厚度上基本沒有增加。因此，預期的覆蓋巖層厚度（33.9m）可能難以達到。但是礦山實際測量發(fā)現(xiàn)，覆蓋層平均厚度竟達到了59.2m，最薄處約為30m，最厚處高達近70m，遠遠超過了預期的33.9m覆蓋層厚度。因而，是什么原因?qū)е聦崪y的覆蓋層厚度與預期的覆蓋層厚度偏差極大？目前礦山形成的覆蓋層實際形態(tài)如何？覆蓋層厚度及形態(tài)是否滿足礦山安全生產(chǎn)的要求？同時，設(shè)計單位設(shè)計的礦石覆蓋

13、層形成方案是否能形成滿足要求的礦石覆蓋層厚度？為了解決這些問題，這里通過相似物理實驗來分析以與解答。3 實驗?zāi)M覆蓋層的形成根據(jù)該礦山采用無底柱分段崩落法回采時的采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作了相似比1:100的物理模型?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的模型是用有機玻璃制成，巷道斷面尺寸為4.53.8cm（寬高），巷道為菱形交錯布置，共布置有3個分段，每個分段巷道數(shù)目從上到下為3、4、3條，分段高度為20cm，進路間距18cm，每條進路共布置有10個放礦步距，每個放礦步距均為4mm，各步距均通過1mm厚鐵皮制成的可抽出式巷道與放礦步距板來實現(xiàn)。三分段立體放礦實驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)圖，見圖1。1-設(shè)計巖石層；2-設(shè)計礦石層；3-進路；4-

14、放礦步距板；5-設(shè)計的礦巖分界線；L-進路間距；H-分段高度；D-放礦步距；圖1 實驗?zāi)Ｐ虵ig. 1 experiment model模型參照礦山對不同放礦區(qū)域的不同放礦比例進行1：100的相似模擬實驗，立體放礦模型共進行了3組不同放礦比例的組合實驗，實驗一、二按照礦山的實際出礦方案分別模擬不同的放礦區(qū)域。實驗三為了驗證設(shè)計單位給出的各分段放礦比例是否合理，三分段立體模擬實驗放礦比例，見表2。表2 模擬實驗放礦比例Table 2 the simulation of experiment HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=%e6%94%be%e7%9

15、f%bf&tjType=sentence&style=&t=ore-drawing ore-drawing HYPERLINK /dict_result.aspx?searchword=%e6%af%94%e4%be%8b&tjType=sentence&style=&t=proportion proportion實驗分段放礦比例（按步距承擔礦量的重量比計算）實驗一（礦山實際出礦方案，靠近礦體中部區(qū)域）1420m22%1400m60%1380m70%實驗二（礦山實際出礦方案，靠近礦體上盤區(qū)域）1420m18%1400m20%1380m35%實驗三（設(shè)計單位設(shè)計的出礦方案）1420m18.31%

16、1400m96.36%1380m74.15%模型通過模擬礦山1420m、1400m、1380m分段的放礦，明確現(xiàn)有覆蓋層的具體形態(tài)，并為后續(xù)探究如何回收礦石覆蓋層提供技術(shù)支撐。礦巖分界線上面全部裝廢石，礦巖分界線下面全部裝礦石4。實驗采用磁鐵礦作為礦石，白云巖作為廢石5-6，粒級配比完全參照地下巷道實際出礦相似比配置。為了確定模擬時礦石與廢石的松散體重，分別通過五次測出該粒級時的礦石與廢石的松散體重然后取平均值，計算求得礦石的松散體重為2.187g/cm3，廢石的松散體重為1.345 g/cm3。三分段立體放礦實驗實際裝礦圖，見圖2。圖2 實際裝礦Fig. 2 practically load

17、 ore4 實驗數(shù)據(jù)整理及分析為了對模擬實驗所得到的數(shù)據(jù)進行整理，分別計算了各分段放出礦巖總量、礦石量、巖石量，再計算了礦石的回收率、廢石混入率等值。本分段回收不了而只能通過下一分段進行回收的礦石稱為轉(zhuǎn)段礦量7。在計算回收率和貧化率時，為了保證回收率和貧化率與實際相符，要計入轉(zhuǎn)段礦量。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果匯于表3、通過對放礦后覆蓋層厚度進行測量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，見表4。表3 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 the statistics of the experimental data實驗裝料量（kg）放出礦石量（kg）廢石量（kg）回收率（%）貧化率（%）實驗一314.490160.9921.9547.

18、341.20實驗二317.34785.1710.49424.840.58實驗三314.841201.0764.90659.072.38表4 覆蓋層厚度統(tǒng)計（單位：cm）Table 4 Cover thickness statistics (unit: cm)實驗號最低厚度（遠離進路口）最高厚度（靠近進路口）平均厚度實驗一32.7550.0037.90實驗二51.0056.0054.56實驗三24.7044.3029.49*注，實驗室得出的平均厚度并不是簡單的最低厚度加上最高厚度的平均數(shù)，而是通過計算覆蓋層礦石結(jié)存量來推斷出覆蓋層的整體平均厚度。通過表4數(shù)據(jù)繪制出各組實驗所得覆蓋層厚度與設(shè)計覆蓋

19、層厚度比較關(guān)系圖，見圖3。圖3 實驗覆蓋層厚度與設(shè)計覆蓋層厚度比較Fig. 3 The overlay thickness comparison on experiments and design通過對實驗過程的觀察，同時分析表3、表4數(shù)據(jù)以及圖3，我們可以得出如下一些結(jié)論：（1）放礦時呈現(xiàn)出越遠離進路口礦巖界面下降得越多的趨勢，出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因是第一步距端部所填充的是廢石，放礦時，頂部廢石和端部廢石同時向出礦口流動，由于本步距所放出的礦石量有很大一部分由上步距放礦所留下的靠壁式殘留體所補充8，造成越靠近進路口（上盤邊幫位置）覆蓋層礦巖界面下降的越少的趨勢，即覆蓋層厚度越厚的現(xiàn)象，與礦山實際

20、出現(xiàn)的情況是一致的。（2）通過表4以及圖3可以清晰的得出，實驗一得出的覆蓋層厚度比實驗二、三更接近設(shè)計的覆蓋層厚度40m，實驗二所得實驗數(shù)據(jù)比設(shè)計的覆蓋層厚度要高14.56m，實驗三所得實驗數(shù)據(jù)則要比設(shè)計的覆蓋層厚度要低10.51m。 （3）通過物理模型相似模擬實驗，實驗一所形成的覆蓋層厚度為37.90m，所形成的覆蓋層厚度基本達到設(shè)計厚度40m，但是靠近進路口端部覆蓋層厚度只有32.75m，如果礦山工作人員出礦量控制不準確，很有可能部分區(qū)域達不到設(shè)計的要求，所以礦山1420、1400、1380分段分別采用設(shè)計的22%、60%、70%比例放礦后，應(yīng)加強對端部覆蓋層厚度的監(jiān)測，確保下分段采礦的安

21、全。（4）實驗二所形成的覆蓋層厚度為54.56m，從實驗室相似模擬實驗所得到的數(shù)據(jù)上看，通過這種放礦方式所留下的覆蓋層厚度完全滿足要求，但是放礦回收率較低，崩落的大部分礦石留在了采場，而且采用小比例放礦后，崩落下來的礦巖不足夠松散，在回采礦石過程中易造成了大面積的懸頂及大塊，以至于在下分段回采中，覆蓋層不能有效的隨著回采的移動而移動，其中有效覆蓋層厚度的確定就會是一個很大的難題，且對后續(xù)覆蓋層的回收造成相當大的難度和損失。（5）實驗三按照設(shè)計單位所設(shè)計的放礦比例進行相似模擬實驗，所形成的覆蓋層厚度為29.49m。其中靠近進路口端部僅為24.70m，靠近進路口最厚部位為44.30m，大部分區(qū)域未能達到設(shè)計厚度，設(shè)計院設(shè)計的這種放礦方案基本達不到設(shè)計要求，這也應(yīng)證了前述的理論分析結(jié)果。5 結(jié)論（1）由于礦山實測覆蓋層厚度遠遠超過了實驗室模擬所得到的厚度，其原因可能有以下兩個，一是隨著下分段回采的進行，1420分段頂部形成大面積空區(qū)，導致頂部自然性冒落形成覆蓋層；二是部分區(qū)域（放礦區(qū)段2和放礦區(qū)段3）礦巖出礦比例偏低，導致標高下降很少，中間大塊與大塊之間的空區(qū)較多，以致實測覆蓋層厚度值偏高。（2）通過實驗我們可以看出，在遠離進路口的礦石覆蓋層厚度值普遍相對偏低，而在靠近進路口（上盤邊幫位置）處，覆蓋層厚度又普遍偏高，造成這樣的