賈海波，任鳳玉，丁航行，何榮興

(東北大學 資源與土木工程學院，沈陽110004)

我國石膏資源豐富，已探明的各類石膏總儲量約為600億t，但特級和一級石膏僅占總量的8%，絕大多數(shù)石膏產(chǎn)品價值低，需要低成本高效開采，因此，迄今為止，國內(nèi)石膏礦床普遍采用房柱法開采，而且礦柱不回收，永久損失地下[1]。在開采緩傾斜厚層石膏礦床時，一般礦柱礦量超過60%，由此造成石膏礦石的回采率低[2]。此外，石膏礦柱抗風化能力弱，支撐強度隨時間推移不斷弱化，當支撐不住頂板巖層施加的壓力時，失穩(wěn)垮落，容易造成空區(qū)冒落災害。2015年12月25日山東省平邑縣保太鎮(zhèn)境內(nèi)萬莊石膏礦區(qū)，就發(fā)生了大規(guī)模采空區(qū)坍塌事故(簡稱“12.25”重大礦難)，由此充分表明，厚層石膏礦體用房柱法開采，存在嚴重的安全隱患。為消除礦柱危險源和保持低成本采礦，可用崩落法沿礦層連續(xù)開采。為此，有人研究用無底柱分段崩落法代替空場法回采石膏礦床的可能性，并在一些石膏礦山進行了試驗[3]。但由于一般石膏礦床的礦體厚度，不滿足無底柱分段崩落法三分段回采的要求[4-5]，由此導致礦石損失率與貧化率過大，從而該法未能推廣應用。由此可見，如何解決損失貧化控制問題，是崩落法取代房柱法開采石膏礦床的重要前提。

本文結(jié)合山東蘭陵石膏集團有限公司厚層石膏礦床條件，運用三律(巖體冒落規(guī)律、散體流動規(guī)律和地壓活動規(guī)律)適應性理論，研究崩落法用于開采厚層石膏礦床時的損失貧化控制技術(shù)。

1 礦床地質(zhì)條件與三律特性

1.1 礦床地質(zhì)條件

山東蘭陵石膏集團有限公司礦床賦存于古近紀官莊群卞橋組二段—含膏巖性段內(nèi)。由下至上可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個礦帶，其中Ⅰ-1石膏層占礦床總資源量的79.99%，是開采主礦層。該石膏層長3 800 m，寬2 760 m，產(chǎn)狀27°∠3°～9°，埋深269.69～791.57 m，產(chǎn)出標高-253.81～-780.82 m，礦層厚度10.69～24.90 m，平均厚度14.90 m，巖石質(zhì)量指標50%～70%，屬中等完整，局部破碎。結(jié)構(gòu)面以層面為主，抗壓強度較高，巖塊堅硬系數(shù)1.73。

礦層頂板為泥巖、泥灰?guī)r與薄層石膏礦層相間分布，各層產(chǎn)狀基本一致，石膏層與泥巖夾層呈突變關(guān)系，界線清楚。泥巖夾層分布穩(wěn)定，節(jié)理、層理不發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)，含泥量較高，質(zhì)軟，易產(chǎn)生彎張破壞或塑性變形導致坍塌，屬軟弱巖石。礦層底板以泥巖為主，少量含膏泥巖，局部為泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、細—粉砂巖。礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)條件屬中等類型。

1.2 巖體三律特性

礦山采用留永久性連續(xù)礦柱的房柱采礦法，礦房寬5～6 m，礦柱寬5～6 m，礦房回采高度8～16 m，礦石回采率20%左右。采動地壓的顯現(xiàn)形式，主要表現(xiàn)于礦柱的變形與塌落。在礦房回采期間，礦房與礦柱的穩(wěn)定性較好，一般不需要支護。隨著回采區(qū)域的增大和時間的推移，礦柱在采動應力與表層風化的耦合作用下，層理與裂隙開張，表層呈碎塊脫落(見圖1)，礦柱的縮小與變形，引起頂板暴露跨度增大，發(fā)生破壞與冒落。最終礦柱失穩(wěn)，引起頂板較大規(guī)模冒落。

采空區(qū)頂板的冒落形式，受石膏層理的影響較大。由相似材料實驗得出，隨著采空區(qū)跨度的增大，頂板石膏巖體按層理逐層發(fā)生離層與脫落，兩側(cè)邊壁呈小塊掉落，使采空區(qū)冒落線呈梯形向上發(fā)展。在實驗條件下，邊壁冒落線的傾角57°～70°(見圖2)。這一逐層冒落的特性，有利于控制落礦過程的廢石摻雜。

圖1 地壓活動引起礦柱片落Fig.1 Pillar scaling in gypsum mine caused by ground pressure

圖2 石膏礦體冒落線實驗形狀Fig.2 The experimental shape of caving line in gypsum mine

散體流動的黏滯性對放礦過程中礦石損失貧化影響重大，因此是崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要影響因素。為查明散體流動黏滯性，需要測定放出體形態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與觀察，蘭陵石膏集團厚層石膏礦床的崩落礦石塊度一般不超過0.8 m，按1/100幾何相似比進行測定放出體形態(tài)的放礦實驗，取7號井田的石膏礦石，破碎成塊度不大于0.8 cm的散體，在東北大學放礦實驗室，用達孔量方法測定放出體形態(tài)，即在實驗模型的散體堆里預先設(shè)置標志顆粒，稱量每次放出標志顆粒時的當次散體放出量，累計得出每一個標志顆粒到達漏口時對應的放出總量，根據(jù)其所在散體堆中擺放的排面位置，劃出達孔量曲線，由達孔量相等的點確定放出體邊界。由此得出的放出體下部較寬上部較窄(見圖3)，表明石膏散體的流動黏滯性較大，覆巖下放礦時，頂部覆蓋層廢石較早混入礦石中，引起較大的礦石貧化率。為此，需采取措施，嚴格控制頂部廢石的形成與混入時間。

2 降低崩落法礦石損失貧化的技術(shù)措施

崩落法采礦的礦石損失貧化過程，主要包括落礦與出礦兩個階段。落礦損失主要為未崩落又不能適時自然冒落的礦石損失；落礦貧化主要是采場內(nèi)礦石在崩落或冒落過程中摻雜廢石造成的貧化。放礦損失主要發(fā)生于礦體下盤或出礦口之間的礦石殘留，即采場內(nèi)崩落或冒落的礦石放不出來部分，最終損失于采場之內(nèi)；放礦貧化主要發(fā)生于采場礦石放出過程中的廢石混入，即礦石摻雜廢石放出造成的品位降低。對厚層石膏礦床而言，礦體厚度相對于崩落法的適用條件來說較小，崩落礦石的移動空間條件差，為此需要在落礦與出礦兩個階段，全程控制礦石損失貧化，以實現(xiàn)低貧損開采[6]。

由于礦體厚度較小，從降低礦石損失考慮，適合用有底柱崩落法開采。此時導致礦石貧化的原因，主要是頂板廢石混入。為控制貧化，需要增大崩落礦石的移動速度，控制廢石移動時間與移動速度，以遲滯頂部廢石的混入時間與減小廢石混入量。為此，可利用石膏礦石的可冒性，在礦層上部留下適宜厚度的礦石頂板，為崩落礦石形成空場出礦條件，以增大純礦石放出量。同時，通過合理確定出礦口的位置，將相鄰采場的廢石控制在放礦有效移動帶之外，以減小側(cè)面廢石的混入量，保障采場崩落的礦石的絕大部分以純礦形式被放出[7]。

總之，可用底部出礦、遲滯頂板圍巖冒落時間、控制側(cè)向廢石混入、盡可能增大空場出礦量等綜合措施，控制厚層石膏礦體崩落法開采的損失貧化。

3 采礦方法構(gòu)建

厚層石膏礦床應用崩落法開采，為了控制礦石損失貧化和實現(xiàn)低成本開采，需要合理構(gòu)建采場結(jié)構(gòu)，并采用合理的回采方式與放礦控制方法，全方位落實礦石損失貧化的控制措施，形成高度適應礦床“三律”特性的開采方案。為此，需要按照采準系數(shù)小、采場結(jié)構(gòu)簡單、便于損失貧化控制和便于采場地壓控制的準則，構(gòu)建采礦方法。

圖4 串聯(lián)塹溝誘導冒落法Fig.4 Induced caving method with tandem trenches1—出礦巷道；2—出礦橫穿；3—塹溝巷道；4—回采炮孔；5—運輸巷道

按上述四方面原則，研究提出圖4所示的串聯(lián)塹溝出礦的采場結(jié)構(gòu)。沿礦體走向布置采場，采場長60 m，寬12 m。在礦體上部留下遲滯頂板圍巖冒落的誘導冒落層礦石，用塹溝崩落礦體下部礦石。崩落的礦石由塹溝與出礦橫穿放出，冒落的礦石由出礦橫穿放出。用鏟運機出礦，將采場礦石鏟運至運輸平巷，直接裝車運走。

由梯形冒落線形狀表明，石膏礦層的頂板滯后工作面一定距離冒落。在誘導冒落層礦石自然冒落之前，可視為空場條件下放礦，冒落之后則為覆巖下放礦條件。為增大空場條件下的出礦量，減小覆巖下放礦量，需要根據(jù)頂板礦巖可冒性，合理留設(shè)誘導冒落礦層的厚度，使其能夠適時冒落，接續(xù)崩落礦石的放出。采場的位置不同，頂板礦巖的冒落邊界與受力條件不同，導致誘導冒落礦層的合理厚度不等。一般來說，初始采場的誘導冒落層厚度1～2 m為宜，后續(xù)采場可增至3～5 m?？赏ㄟ^試驗漸近尋優(yōu)。將塹溝的切割工程設(shè)置在采場中部，從中部向兩端回采塹溝巷道。塹溝巷道的鑿巖可一次完成，按步距回采。每一步距放到端部口微敞空或開始出露側(cè)向廢石為止，剩余礦石由出礦橫穿放出。在靠近頂板圍巖的礦石自然冒落、帶動上覆軟弱圍巖自行冒落、形成崩落法覆巖放礦條件時，由于冒落廢石的塊度小于礦石的塊度，粒徑較小廢石在放礦過程中超前運動，容易引起較大貧化率，此時各出礦橫穿，采用少量均勻放礦方式，遲滯廢石到達出礦口的時候，在出礦口一旦見到頂部廢石出露，則停止放礦，適當崩落出礦橫穿的端部口，后退一定距離，再繼續(xù)放礦，以此增大礦石放出量，減小頂部廢石的混入量。

在一個采場回采結(jié)束后，將出礦巷作為下一采場的塹溝巷道，用出礦橫穿與新形成的出礦巷道聯(lián)通，形成新的采場結(jié)構(gòu)，重復上述回采過程。

為經(jīng)濟安全地控制采場地壓，按礦巖自穩(wěn)特性優(yōu)選巷道斷面形狀。運用圍巖冒落后形成的斷面即為趨于穩(wěn)定的斷面的原理，根據(jù)礦巖梯形冒落特點，采準工程采用梯形巷道斷面，巷道幫內(nèi)傾角可取70°。同時，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性需要采取適當支護措施，其中巷道頂板支護以錨桿為主，兩幫支護以網(wǎng)噴為主。以此合理利用圍巖自穩(wěn)能力，降低支護成本與提高采準工程的可靠性。

分析表明，圖4所示的串聯(lián)塹溝誘導冒落法，具有采場結(jié)構(gòu)簡單、采準工程施工方便、回采作業(yè)安全有保障、礦石生產(chǎn)效率高等突出優(yōu)點，能夠高度適應蘭陵石膏集團厚層石膏礦床的“三律”特性與開采條件，可取得安全高效的開采效果。

4 結(jié)論

1)目前厚層石膏礦床開采中存在的礦石損失大與生產(chǎn)安全條件差的難題，可通過引入崩落采礦法取代房柱法加以解決。

2)由于石膏礦床的厚度一般不能很好地滿足崩落法適用條件，應用崩落法開采厚層石膏礦床，需要從落礦與出礦兩個環(huán)節(jié)控制礦石損失貧化。

3)山東蘭陵石膏集團厚層石膏礦巖，具有采空區(qū)梯形冒落、圍巖風化后空區(qū)地壓大與散體流動黏滯性較大的“三律”特性，需采用誘導冒落與低貧化放礦協(xié)同技術(shù)，控制礦石損失貧化與降低礦石生產(chǎn)成本。

4)本文提出的串聯(lián)塹溝誘導冒落法，可高度適應蘭陵石膏集團厚層石膏礦床的開采條件，可取得安全高效的開采效果。