梨树沟铁矿多空区残矿安全回采技术研究_任凤玉.pdf

收稿日期2019-12-08 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0801601） ， 国家自然科学基金重点项目 （编号 51534003） 。 作者简介任凤玉 （1956） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。通讯作者张晶 （1990） ， 男， 博士。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 梨树沟铁矿多空区残矿安全回采技术研究 任凤玉 1 张晶 1 刘洋 1 张臻良 21 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 本溪矿业有限责任公司， 辽宁 本溪117000） 摘要梨树沟铁矿南部采区为倾斜中厚矿体， 应用浅孔留矿法开采， 因矿体倾角变化大， 矿房开采高度不 一， 形成了多个大小不等的小型采空区， 有的空区已经发生冒落， 多数空区处于亚稳定状态， 空区内部与周围存留 大量残矿， 同时空区冒落威胁了下部矿体的开采安全。在分析空区顶板矿岩临界冒落跨度的基础上， 本着诱导空 区围岩安全冒落和保持残矿回采工作面与空区隔离的原则， 提出了先崩落空区内矿柱释放空区顶板冒落能， 再用 分段空区、 崩落与诱导冒落相结合的方法回采残矿的技术方案。该方案实施半年多来， 采准工程施工与回采的安 全条件良好， 有效控制了顶板围岩的冒落形式， 实现了小型多空区残矿的安全回收与空区危害的协同治理。 关键词矿柱回采残矿回收诱导冒落空区处理 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-023-05 DOI10.19614/ki.jsks.202003003 Study on Safe and Efficient Recovery Technology of Residual Ore in Lishugou Iron Mine Ren Fengyu1Zhang Jing1Liu Yang1Zhang Zhenliang22 （1. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. Benxi Mining Limted Liability Company， Benxi 117000， China） AbstractThe shallow hole retention mining is applied to exploit the southern mining area inclined medium- thick ore body of Lishugou Iron Mine， which produce several goaf with different sizes due to the small dip angle of the ore body and the large amount of residual ore in the stope.Part of the goaf has been partially caved and the remaining goaf is in a metastable state， which threatening the mining safety of the lower ore body.Based on the analysis of the critical caving span of the roof rock in the caving area， and the principle of inducing the caving of surrounding rock safety and keeping the stoping face of residual ore isolated from the caving area， the technical scheme is proposed， which inducing the caving goafs to re- lease the caving energy of goaf roof firstly， and then recovering the residual ore by the combination of sublevel caving， caving and induced caving.Since the implementation of this scheme for more than half a year， the safety conditions of development project and mining are better， which control the caving of roof surrounding rock effectively and realize the safety recov- ery of small multi-cavity residual ore and the collaborative management of the hazard of cavity. KeywordsPillar recovery， Recovery of residual ore， Induce caving， Goaf treatment Series No. 525 March 2020 利用空场采矿法回采矿石时， 受矿体条件、 采切 现状及生产进度等影响， 易残留部分矿体 ［1］。残矿的 安全回采一直是采矿工程领域的研究热点， 既可以 避免资源浪费， 又能延长矿山的服务年限， 对于提高 矿山经济效益意义重大 ［2］。残矿一般分布在采空区 内部及其周边， 其回采方法常与空区危害的处理方 法相关 ［3-4］。目前， 常用的空区处理方法大致可归纳 为两类 一是借助注浆与充填等进行强化或支撑围 岩， 如高峰矿采用注浆局部固结技术回收民采破坏 的富矿石 ［5］， 但随着充填工艺的发展， 充填空区回采 残矿的方法应用更为普遍 ［6-10］； 二是利用诱导冒落技 术 ［11-12］， 诱导多空区矿体自然冒落， 开掘底部结构或 利用下部工程回收冒落矿石 ［13-16］。 梨树沟铁矿南部采区为倾斜中厚矿体， 应用浅 孔留矿法开采， 因矿体倾角变化大， 在矿体倾角较小 区域， 残留的矿石无法在下部采场回采中回收， 且残 矿附近存在多个大小不等的小型采空区。对于倾斜 中厚矿体开采形成的小型多空区残矿， 上述两类空 采矿工程 23 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 区处理方法均不能直接应用， 需要寻求协同生产的 回收技术， 以达到安全、 经济的生产目的。本研究以 此为背景， 提出一种诱导冒落与分段崩落相结合的 残矿回收方法， 在矿山应用中取得了显著成效。 1矿山工程概况 梨树沟铁矿南部采区为倾斜中厚矿体， 矿岩中 等稳定到稳定， 应用浅孔留矿法开采， 阶段高50～60 m， 矿房宽40～42 m， 间距宽8～10 m， 由于矿体倾角变 化大， 矿房开采高度不一， 形成24个大小不等的采空 区 （图1） 。这些采空区沿矿体走向分布， 总分布长度 达400 m。其中150 m中段的采空区高度较低、 离地 面较近， 矿山采用露天开采方法， 回采顶部矿量与处 理采空区。150 m水平以下采空区高度较大， 且埋深 逐渐增大， 考虑经济合理性， 不适合再用露天开采方 式回收残矿。且因矿体倾角较小， 残留的矿石无法 在下部采场回采中回收， 同时部分矿房采空区已经 冒落， 多数处于亚稳定状态， 空区的存在也威胁到下 部矿体的生产安全， 为此， 需要研究适宜的残矿回采 方法， 以使多空区残矿得到合理回收， 并使采空区得 到安全有效治理。 在图 1 中， 按回采界线圈定的残留矿体的剖面 形态如图 2 所示， 每一剖面的矿石残留量均较大， 外加间柱矿量， 浅孔留矿法开采范围内的残留矿量 超过矿体储量的1 2。这些残矿体厚度最小3.6 m， 最大 13.7 m， 矿体倾角为 33～51， 具有良好的回收 价值。 2采空区顶板矿岩可冒落性分析 图2所示的采空区顶板岩石主要为石榴石英黑 云阳起岩和含石榴石英黑云片岩， 属于中等以上坚 硬岩石， 岩体节理裂隙发育， 稳定性为中等稳定稳 定， 局部不稳定。基于平衡拱理论 ［17-18］， 简化后的空 区顶板冒落拱如图3所示， 通过分析冒落拱力系平衡 关系， 可得 T γ H 2h 1 3 - π 4 l2，（1） 24 ChaoXing 2020年第3期任凤玉等 梨树沟铁矿多空区残矿安全回采技术研究 式中， T为采空区承载拱所受的水平压力， N； h为采 空区高度， m， H为采空区顶板埋深， m； γ为上覆岩体 平均密度， t/m2（平面问题） ； l为采空区半跨度， m。 由式 （1） 可见， T与l的平方成正比， 即随着采空 区跨度值的增大， 承载拱所受水平力T急剧增大。当 T超过顶板临空面围岩的抗压强度时， 顶板围岩便会 被破坏而发生自然冒落。 假设采空区上覆岩体为连续介质， 其抗压强度 为σc， 令T σcd， L 2l， 代入式 （1） ， 扩展为空间问题， 可得 L 2 12hσcd 6γH -3π - 4 γh ，（2） 式中L为临界冒落跨度， m；γ为采空区上覆岩体平 均密度， t/m3；d为承压拱顶部围岩承受水平压力的等 价厚度， m。 式 （2） 中γ、σc与H取实测值，d取经验值， 由式 （2） 计算各地质剖面的采空区临界冒落跨度， 计算结 果如表1所示。由表1可知 40 m中段各采空区的长 度均能达到临界冒落跨度值， 此时采空区是否发生 冒落， 主要取决于矿房的回采高度， 当矿房回采高度 足够大， 使之沿倾斜方向的水平投影长度达到临界 冒落跨度值时， 采空区便会发生自然冒落； 而100 m 中段的采空区长度部分达到、 部分接近临界冒落跨 度值， 需要适当崩落间柱， 才能诱导全部空区自然冒 落。 3残矿回收方案 按矿房回采高度可将图1采空区分为两类， 其一 为高位采空区， 如100 m和40 m两个中段的1～5号矿 房， 其特点是采空区高度较大， 间柱的宽高比较小， 容易向两侧矿房一次性崩落间柱； 其二为低位采空 区， 如100 m中段的6～7号矿房和40 m中段的6～8号 矿房， 其特点是回采高度小， 采空区整体处于稳定状 态。前者需先崩落间柱， 消除顶板围岩冒落能量的 集聚条件， 增大采空区冒落形式与冒落进程的可控 性； 后者则可在残矿回采中直接处理采空区。 根据工程施工类比法， 取临界持续冒落跨度为 表1中临界冒落跨度的1.25～1.65倍。高位采空区和 低位采空区顶板围岩自然冒落进程主要受矿房回采 高度的限制， 按图2所示的采空区剖面形态分析， 将 标高100 m水平附近的矿块顶底柱回采， 使100 m中 段与40 m中段采空区相通， 可诱导各采空区自然冒 落。为保证空区达到持续冒落条件， 将各中段的间 柱崩落， 同时回采150 m水平的顶柱， 使各采空区联 成一片， 并与露天采场联通， 此时采空区的总跨度可 达99 m， 远大于临界持续冒落跨度， 满足空区顶板持 续冒落条件。 将高位采空区的间柱崩落后， 按分段从上往下 回采空区周围的残矿。每一分段布置一条堑沟巷道 与一条分段运输巷道， 两条巷道均布置在下盘围岩 中 （图4） 。首采分段设置在130 m水平， 该分段没有 覆盖岩层， 在堑沟巷道与运输巷道之间设置出矿横 穿， 堑沟巷道落矿时， 只放出松散矿量， 其余崩落矿 量从出矿横穿放出， 保持不出空端部口， 防止采空区 冒落气浪冲击。从115 m分段开始， 对于已经形成覆 盖层的部位， 不设置出矿横穿， 只用堑沟崩落及放出 矿石； 在空区下部矿体厚度较大部位， 再设置出矿横 穿， 用堑沟崩落下盘侧矿石， 诱导上盘侧矿石自然冒 落， 冒落的矿石由出矿横穿放出。由此形成了分段 25 ChaoXing 空场、 分段崩落与诱导冒落相结合的残矿回采方案。 在残矿回采与空区协同处理中， 高位采空区对 残矿回采安全的影响较大， 空区处理工作分 4步进 行 （1） 崩落100 m中段1～5号矿房之间的4个间柱。 从每一间柱内的通风行人天井进入联络横穿， 打浅 孔向两侧矿房崩落矿柱， 崩落的矿石在采空区诱导 冒落后， 从矿块底部结构与下盘分段回收工程放出。 （2） 从高位空区中部向两侧退采 130 m 分段堑 沟， 该分段的回采可完整崩落1～4号矿房的顶柱 （图1 与图2 （c） ） ， 将引起空区顶板围岩自然冒落。 （3） 在 100 m 中段下盘残故回收工程回采结束 后， 崩落40 m中段的4个间柱。 （4） 回采40 m中段的顶柱， 促使空区被冒落散体 完整充填。 在残矿回采中， 须采取如下安全措施， 严防空区 冒落危害。 （1） 用散体隔离回采工作面与空区的空间联系。 对于梨树沟铁矿Fe1矿体的南部采空区， 堑沟巷道回 采长度不足临界冒落跨度时， 空区不会发生大规模 冒落， 但考虑顶板围岩的零星冒落滚石影响采场作 业安全， 在空场出矿分段， 每一堑沟巷道出矿口应出 矿到端部口微露空区为止， 严禁端部口敞空， 防止滚 石伤人。当堑沟回采长度达到临界冒落跨度之后， 空区随时可能发生大规模冒落， 需在堑沟端部口上 方留下一定厚度的散体安全垫层 （根据文献 ［19］ ， 散 体安全垫层应不小于2 m） ， 并需堵塞工作面与采空 区的一切通口， 以严防冒落气浪冲击， 留于采场内的 崩落矿石， 待空区冒落形成足够厚度的覆盖层后再 放出。 （2） 监测冒落进程与严防大冒落危害。根据空 区体积与埋深估算， 图1采空区冒透地表时， 将会形 成地表塌陷坑。运用工程类比法， 按临界冒落跨度 的1.25～1.65倍估算持续冒落跨度， 预测得出的采空 区首次冒透地表的范围应在100 m中段4号矿房与5 号矿房之间。为此， 在两矿房的间柱崩落之前， 设计 每一矿房从地表各施工1个监测钻孔， 用于监测可能 最先冒透地表部位的采空区冒落进程， 确定冒透地 表的时间与地表陷落范围 ［20-21］。在地表及时隔离陷 落区， 严防行人遭受陷落危害。在井下及时确认散 体防护措施的落实程度， 确保生产安全。 4方案实施效果 上述残矿回收方案于2019年2月开始实施， 100 m中段1～5号矿房之间4个间柱的崩落， 以及-130 m 分段的回采， 均严格按方案要求施工， 只是地表钻孔 监测方案因故未能实施。截至2019年9月底， -130 m分段已经回采结束， 共采出9.8万t矿石， 1～4号矿 房采空区于2019年8月中旬安全冒透地表， 形成的 深度不足1.0 m的陷坑随即被矿山排弃的废石充填。 空区顶板围岩的如期塌落， 标志着残采工程的空区 冒落威胁已基本解除， 残采方案的上述安全措施可 确保生产安全。 5结论 （1） 生产实践表明， 本研究提出的分段空区、 崩 落与诱导冒落相结合的残矿回采方法， 能够高度适 应梨树沟铁矿南区小型多空区残矿的回采条件。对 于倾斜中厚矿体开采形成的小型多空区残矿， 该方 法相较于目前常用的空区处理方法而言， 能保障残 矿安全回收与空区经济处理协同进行， 对于同类型 矿山具有一定的借鉴意义。 （2） 梨树沟铁矿实践经验表明， 对于倾斜中厚矿 体小型多空区内部与周围的残矿， 可根据空区冒落 特性制定残矿回采方案， 在残矿回采中协同处理空 区。在残矿回采中， 先消除空区内的矿柱， 及时释放 顶板围岩的冒落能量， 再用散体隔离工作面与空区 的空间联系， 可保障回采过程不受空区冒落冲击危 害。 参 考 文 献 曹建立， 任凤玉， 张东杰， 等.某铁矿采空区治理技术研究 ［J］ .中 国矿业， 2019， 28 （2） 86-90. 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