邢志強

(五礦礦業(yè)(邯鄲)礦山工程有限公司)

張家夏樓鐵礦位于安徽省霍邱縣馮井鄉(xiāng)與范橋鄉(xiāng)交界部位，礦床位于霍邱鐵礦床中部。霍邱礦床位于淮河中上游南岸，地貌成因歸屬于侵蝕堆積地形。第四系廣泛出露地表，厚度為32.6～304 m不等，為淮河流域河湖相沉積，主要為黏土(鈣質(zhì)黏土)、粉土質(zhì)黏土、粉砂土，夾1～3層中粗砂，第四系底部普遍發(fā)育1層礫石層，厚度不等，部分為黏土黏結(jié)，呈半松散狀態(tài)，含承壓水。張家夏樓鐵礦礦體上部覆蓋層總厚度為180～210 m，分布標(biāo)高為40～-180 m，較穩(wěn)定分布。礦體一般呈層狀、透鏡狀產(chǎn)出，單層厚度為18.58～31.59 m，傾角為15°～35°，為緩傾斜、傾斜中厚至厚大的難采礦體。礦體品位較低，全礦平均品位僅為27.89%。為實現(xiàn)礦體安全高效開采，本研究對相應(yīng)的開采方案進行設(shè)計。

1 護頂?shù)V柱合理厚度計算

留設(shè)護頂?shù)V柱是實現(xiàn)第四系下礦體安全開采的關(guān)鍵措施。護頂?shù)V柱過厚，會造成資源巨大浪費；護頂?shù)V柱過薄，易造成其跨塌，繼而造成第四系流砂層進入井下，給井下安全生產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。本研究分別采用厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論、經(jīng)驗公式法以及數(shù)值模擬方法確定護頂?shù)V柱的合理厚度[1-4]。

1.1 厚跨比法

根據(jù)礦房水平跨度L和頂柱厚度h計算厚跨比h/L，作為礦柱合理厚度的評價依據(jù)。當(dāng)?shù)V體跨度取6，10，15，18 m時，根據(jù)厚跨比法計算的護頂?shù)V柱合理厚度見圖1。分析該圖可知：護頂?shù)V柱合理厚度隨采場跨度的增大呈線性增大。該方法計算過程簡單，但其僅適用于穩(wěn)定巖體，且未考慮頂柱完整程度、形態(tài)、荷載大小和性質(zhì)。

圖1 厚跨比法計算的護頂?shù)V柱合理厚度

1.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論

結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論是將頂柱視為1個兩端固定的平板梁，上部巖體自重及其附加載荷作為頂柱載荷，以巖層抗彎抗拉強度作為評價指標(biāo)[5]。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)公式，護頂?shù)V柱的合理厚度可按下式進行計算：

(1)

式中，H為護頂?shù)V柱合理厚度，m；σB為允許抗拉應(yīng)力，kPa；ρ為頂柱礦巖體容重，kN/m3；b為采場跨度，m；l為頂柱單位計算寬度，m，取1；q為上覆巖層附加載荷，kPa，按上部覆蓋層厚度200 m計算載荷。

當(dāng)?shù)V體跨度取6，10，15，18 m時，按式(1)計算的護頂?shù)V柱合理厚度見圖2。由圖2可知：護頂?shù)V柱的合理厚度隨著采場跨度的增加而急劇增加，且增加幅度越來越大。該方法綜合考慮了頂柱的性質(zhì)、自重及其上覆荷載等，但未考慮頂柱形態(tài)、巖體構(gòu)造破壞特性、地質(zhì)特性等因素的影響。

圖2 結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計算的護頂?shù)V柱合理厚度

1.3 經(jīng)驗公式法

國外學(xué)者在計算合理頂柱厚度時，總結(jié)出了K.B.魯別涅依他公式，可表示為

(2)

式中，；K為安全系數(shù)；ρ為頂柱巖層密度，t/m3；σB為彎曲條件下的巖石強度極限，為考慮到結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)K0和強度安全系數(shù)K3條件下的頂柱極限強度，MPa；g為頂柱上覆載荷對其壓力，MPa，按上部覆蓋層厚度200 m計算載荷。

采用式(2)計算得到的護頂?shù)V柱合理厚度與采場跨度的關(guān)系曲線如圖3所示，與結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計算結(jié)果類似，護頂?shù)V柱厚度隨著采場跨度的增加而急劇增加，且增加幅度越來越大。

圖3 經(jīng)驗公式計算的護頂?shù)V柱合理厚度

該公式考慮因素比較全面，不僅考慮了空區(qū)跨度及頂柱巖層特性，也考慮了頂柱上覆載荷，計算結(jié)果較為客觀。

1.4 數(shù)值模擬方法

為求解合理的護頂?shù)V柱厚度，并減少迭代計算次數(shù)，本研究采用二分法進行計算。首先，給定護頂?shù)V柱厚度的上限和下限值d1、d2，設(shè)定護頂?shù)V柱厚度d=(d1+d2)/2進行建模計算，若d能夠滿足穩(wěn)定性要求(頂柱抗拉強度為2.59 MPa)，取d1=d繼續(xù)計算；若頂柱發(fā)生破壞，取d2=d繼續(xù)迭代計算，直至給定的d能夠滿足穩(wěn)定性要求，且d2-d1≦1 m時，計算結(jié)束，d即為頂柱合理厚度。

參照上述經(jīng)驗公式計算結(jié)果，當(dāng)采場跨度為18 m、上覆巖層厚度為200 m時，計算的頂柱厚度為22.25 m，試驗頂柱極限厚度在此基礎(chǔ)上區(qū)間范圍取5 m，故頂柱極限厚度上下限分別取18，28 m。首先設(shè)計頂柱厚度d=(18+28)/2=23 m進行模擬計算。

頂柱d=23 m時的圍巖應(yīng)力分布特征如圖4所示。由圖4可知：頂柱厚度d=23 m時，圍巖最大拉應(yīng)力為1.35 MPa，最大拉應(yīng)力超過其抗拉強度，頂柱將發(fā)生局部破壞，難以滿足安全要求，故調(diào)整下限d2=23 m，上限d1=28 m，d=(23+28)/2=25.5 m進行模擬計算，結(jié)果見圖5。

圖4 d=23 m對應(yīng)的最大主應(yīng)力等值線圖(單位：MPa)

由圖5可知：隨著頂柱厚度增加，頂柱內(nèi)應(yīng)力釋放程度明顯降低，最大拉應(yīng)力為1.06 MPa，小于其抗拉強度，頂柱尚末出現(xiàn)拉張破壞，故調(diào)整上限d1=25.5 m，下限d2=23 m，d=(25.5+23)/2=24.25 m繼續(xù)進行計算，結(jié)果見圖6。

分析圖6可知：頂柱厚度減小后，巖層內(nèi)拉應(yīng)力釋放程度增大，單元最大拉應(yīng)力為1.36 MPa，增加幅度相對不大，尚未超過其自身抗拉強度。繼續(xù)調(diào)整上限d1=24.25 m，下限d2=23 m，d=(24.25+23)/2=23.63 m進行模擬計算，結(jié)果見圖7。

由圖7可知：隨著頂柱厚度進一步折減，巖層內(nèi)拉應(yīng)力釋放程度繼續(xù)增大，單元最大拉應(yīng)力增加至2.53 MPa，接近其抗拉強度。此時，采用二分法上下限d1-d2=23.63-23=0.63≦1，據(jù)此確定頂柱極限厚度為23.63 m，本研究取24 m。

圖6 d=24.25 m對應(yīng)的最大主應(yīng)力等值線圖(單位：MPa)

圖7 d=23.63 m對應(yīng)的最大主應(yīng)力等值線圖(單位：MPa)

2 開采方案設(shè)計

張家夏樓鐵礦為緩傾斜、傾斜中厚至厚大礦體，該類型礦體一直被國內(nèi)外學(xué)者視為難采礦體[6-7]。根據(jù)礦床地質(zhì)條件及開采技術(shù)經(jīng)濟條件，本研究選擇分段空場嗣后充填法進行開采。近年來，國內(nèi)外礦山普遍采用了無軌設(shè)備，分段空場法得到了更加廣泛的應(yīng)用。根據(jù)出礦巷道的不同布置方式，本研究設(shè)計了基于空場進路和下盤脈外2種出礦方案的分段空場嗣后充填法。

2.1 空場進路出礦方案

盤區(qū)沿走向布置，盤區(qū)長100 m，相鄰盤區(qū)之間留設(shè)盤區(qū)間柱，間柱寬20 m。盤區(qū)高度為中段高度，中段高度為100 m。盤區(qū)內(nèi)沿傾向自下而上布置礦房，礦房跨度為20 m，根據(jù)礦體傾角變化，盤區(qū)內(nèi)布置10～12個礦房(圖8)。

采切工程中在沿盤區(qū)間柱內(nèi)沿礦體底板掘進斜井，作為井下設(shè)備、材料及作業(yè)人員的運輸通道。在斜井內(nèi)每間隔10 m左右向兩側(cè)各分段礦房中部掘出礦進路，該出礦進路同時作為鑿巖巷道。在設(shè)備斜井底部掘進風(fēng)天井至進風(fēng)中段，新鮮風(fēng)流經(jīng)由進風(fēng)中段、進風(fēng)天井和斜井進入各分段采場。在盤區(qū)另一側(cè)間柱礦體頂板處掘回風(fēng)充填斜井，作為充填管道敷設(shè)和回風(fēng)的通道。自回風(fēng)充填斜井向兩側(cè)各分段采場掘回風(fēng)充填通道，回風(fēng)充填通道布置于相鄰上分段采場上部，采區(qū)聯(lián)絡(luò)道與充填采場貫通，每個采場設(shè)置4個下料點[8]。在出礦進路端部沿盤區(qū)礦柱邊界掘切割橫巷，并在切割橫巷端部布置切割天井，切割天井高度與礦體厚度保持一致。

圖8 空場進路出礦的分段空場法原理

在切割橫巷內(nèi)，鉆鑿平行于切割井的上向扇形中深孔，每排布置3個炮孔，排距約1.5 m。在出礦進路內(nèi)采用Simba1354鑿巖臺車鑿上向中深孔，采用后退式爆破回采方式。崩落的礦石下落至采場底部的受礦塹溝內(nèi)，選用Atlas ST-3.5型遙控鏟運機將礦石搬運至溜井。

2.2 下盤脈外出礦方案

下盤脈外出礦方案中，盤區(qū)及礦房布置與空場進路出礦方案一致。不同之處在于，該方案采用出礦巷道和裝礦進路組合方式出礦。出礦巷道布置于礦體下盤外15 m左右區(qū)域，在出礦巷道內(nèi)每隔 12 m 左右向礦體方向掘裝礦進路，在裝礦進路端部開鑿塹溝，并兼作鑿巖通道(圖9)。出礦選用國產(chǎn)WJD-3型鏟運機。取消設(shè)備斜井，為方便無軌設(shè)備上下，將采區(qū)斜坡道與各出礦分段相連。

圖9 下盤脈外出礦方案原理

2.3 采礦方法比選

空場進路出礦方案由于采用阿特拉斯ST-3.5型遙控鏟運機，出礦進路直接布置于礦體底板，并兼作鑿巖巷道，省去出礦巷道和裝礦進路。采準(zhǔn)工程大大減少，采準(zhǔn)費用降低，但設(shè)備投資費用大。下盤脈外出礦方案采用普通國產(chǎn)鏟運機出礦，設(shè)備投資低，但較空場進路出礦方案增加了出礦巷道和裝礦進路，采準(zhǔn)工程大，采準(zhǔn)費用增加。以上2種方案技術(shù)上均可行，兩者經(jīng)濟技術(shù)對比結(jié)果見表1。

表1 方案技術(shù)經(jīng)濟比較

空場進路出礦方案采用AtlasST-3.5遙控鏟運機，由于減少了裝礦進路和出礦巷道，工程量大大降低，采準(zhǔn)費用較下盤脈外出礦方案少8.9元/t，綜合考慮人工、設(shè)備折舊、設(shè)備運營維護等費用，空場進路出礦方案噸礦可比開采成本較下盤脈外出礦方案少5.98元/t。另外，由于遙控鏟運機可直接在空區(qū)下出礦，能夠解決脈外出礦方案兩相鄰裝礦進路間“三角礦堆”的出礦難題，大大降低采場損失。根據(jù)上述分析，本研究推薦采用空場進路出礦方案的分段空場法。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)張家夏樓鐵礦礦床上覆厚大第四系、礦體傾角相對較緩、礦石品位低等特點，對安全高效的開采方案進行了設(shè)計。為防止第四系流砂層涌入井下，采取預(yù)留護頂?shù)V柱形式，分別采用厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論、經(jīng)驗公式分析了采場跨度與護頂?shù)V柱合理厚度的關(guān)系。通過綜合對比分析，認(rèn)為經(jīng)驗公式法因考慮因素比較全面，故而計算結(jié)果較為客觀。在經(jīng)驗公式法計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬分析和二分法迭代計算方法，最終確定在礦房跨度18m、上覆巖層厚度200m的條件下，合理的護頂?shù)V柱厚度為24m。

(2)采用高效的出礦設(shè)備是降低采準(zhǔn)工程量的有效途徑，研究采用遙控鏟運機作為出礦設(shè)備，省去出礦巷道和裝礦進路等工程量，大大降低了采準(zhǔn)費用，可比開采成本較普通鏟運機下盤脈外出礦方案少5.98元/t，且回采率大大提高，推薦采用空場進路出礦方案的分段空場嗣后充填法進行生產(chǎn)。

(3)二步驟回采時，由于遙控鏟運機是在充填體暴露面下(側(cè)面)出礦，存在著一定的安全隱患，因此，為防止出現(xiàn)充填體片幫，砸壞設(shè)備、堵住鏟運機運行通道，應(yīng)確保充填體質(zhì)量。