某铁矿无底柱分段崩落法矿石覆盖层形成模拟研究

1、某铁矿无底柱分段崩落法矿石覆盖层形成模拟研究何佳峰1 陈星明1 雷刚2 李英碧3（1.西南科技大学环境与资源学院 四川 绵阳 621010；2.东北大学资源与土木工程学院 辽宁 沈阳 110000；3.四川锦宁矿业有限公司 四川凉山州 615602）摘 要:随着露天开采的结束，某大型铁矿逐渐由露天转入地下开采，并应用无底柱分段崩落法采矿。与国内外许多露天转地下采用无底柱分段崩落法矿山不同的是，此铁矿采用了崩落顶部分段矿石的方式来形成矿石覆盖层，而非一般的废石覆盖层。据初略估算，已形成的矿石覆盖层经济价值巨大。矿山计划在下分段回采中回收这部分矿石覆盖层，则必须首先明白现有覆盖层最终形态及厚度。通

2、过物理模拟实验，分析覆盖层的最终形态及厚度，为矿石覆盖层的回收提供技术支撑，同时为类似矿山提供技术参考。关键词 无底柱分段崩落法 矿石覆盖层 放矿实验作者简介：何佳峰（1991-），男，西南科技大学硕士研究生，主要从事采矿工程的研究，（.Email）876875896通讯作者：陈星明(1972-)，男，西南科技大学教授，从事采矿工程方面的教学与研究，(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前言某大型铁矿位于四川西南部，在国内属特大型铁矿山，矿山经过数十年的露天开采，现已正式转入地下开采。并且该矿山采用的采矿方法

8、为高效、安全的无底柱分段崩落法。无底柱分段崩落法的一个显著特点是上覆围岩及地表需要被崩落，采矿在一定厚度的矿岩覆盖层保护下进行。崩落上覆围岩及地表的目的是有效管理因采矿引起的地压活动，而形成覆盖层的目的则主要是为充填采空区实现辅助管理采场地压并为采场提供挤压爆破条件。同时，覆盖层也为地下采矿活动提供了安全的保护层，防止落石、泥石流等对地下采矿造成危害。此外，保温、防漏风也是覆盖层的重要作用之一 1-2。考虑到覆盖层的重要性以及露天转地下开采的特殊性，该矿山不得不采用崩落顶部分段矿石的方式来形成矿石覆盖层，以确保地下采矿的安全性。随着围岩不断的发生自然冒落以及露天边坡围岩被强制崩落，岩石覆盖层厚

9、度逐渐增加，当岩石覆盖层厚度也能独立满足矿山的正常安全生产时，矿山希望对这部分拥有大量经济价值的矿石覆盖层进行回收3。为了经济、有效的回收矿石覆盖层，弄清现有覆盖层的形成过程、最终形态及厚度尤为关键。本文主要通过相似物理模拟实验，观察覆盖层的形成过程，分析覆盖层的最终形态，依此为后期回收矿石覆盖层提供技术支持。2 覆盖层形成方法及产生的效果按照设计单位的设计要求，矿山采用了无底柱分段崩落法对挂帮矿体和露天采场封闭圈内矿体进行了回采，利用强制崩落的方式形成矿石覆盖层，即通过在最初23个分段内留下部分崩落矿石的方式形成设计厚度40m的矿石覆盖层。因此，设计单位设计在挂帮矿出矿比例是前三个分段（14

10、20m、1400m、1380m）分别按步距崩落矿量的18.31%、96.36%、74.15%进行放矿。不过，在实际的开采过程中，为了提高经济效益，矿山对出矿的比例进行了一定的调整，主要是加大了品位高地段的出矿比例，具体的出矿方式是，通过在1420m、1400m、1380m分段划分区域进行计划区域放矿，矿山分区域放矿比例，见表1。表1 分区域放矿Table 1 zoning ore-drawing分段放矿区段1放矿区段2放矿区段31420m22%18%18%1400m60%20%20%1380m70%35%20%为了验证强制崩落形成的矿石覆盖层厚度是否满足设计要求的40m厚度，矿山通过分别对14

11、20m、1400m、1380m分段崩落的矿石量以及回采的矿石量进行统计，利用分段崩落矿石量和回采矿石量的差值计算剩余矿石量形成的矿石覆盖层厚度，采用的计算公式如下。=33.9 (m)式中：H覆盖层厚度，m；Q崩矿矿石量，为507.8万t（矿山通过统计获得）；Qc回采矿石量，为226.8万t（矿山通过统计获得）；k矿石松散系数，取1.5；T矿石体重，为3.56t/m；S覆盖层底端面积，为34894.2。设计单位计算出的矿石覆盖层厚度是33.9m，但根据分析发现矿石覆盖层厚度计算时存在两个错误。一是，计算时采用自由空间状态下1.5的松散系数存在明显错误。这是因为，爆破是在正、顶面都充满矿岩的情况下

12、进行的，因此计算时应按照挤压爆破的松散系数1.11.3进行松散体积计算3；二是，理论计算出剩余矿石量（崩落矿石量减去回采矿石量）形成的厚度乘以松散系数，存在明显的计算错误。这是因为，采场崩落矿石碎涨的方向主要发生在水平方向，在厚度上基本没有增加。因此，预期的覆盖岩层厚度（33.9m）可能难以达到。但是矿山实际测量发现，覆盖层平均厚度竟达到了59.2m，最薄处约为30m，最厚处高达近70m，远远超过了预期的33.9m覆盖层厚度。因而，是什么原因导致实测的覆盖层厚度与预期的覆盖层厚度偏差极大？目前矿山形成的覆盖层实际形态如何？覆盖层厚度及形态是否满足矿山安全生产的要求？同时，设计单位设计的矿石覆盖

13、层形成方案是否能形成满足要求的矿石覆盖层厚度？为了解决这些问题，这里通过相似物理实验来分析以与解答。3 实验模拟覆盖层的形成根据该矿山采用无底柱分段崩落法回采时的采矿结构参数，制作了相似比1:100的物理模型。框架结构的模型是用有机玻璃制成，巷道断面尺寸为4.53.8cm（宽高），巷道为菱形交错布置，共布置有3个分段，每个分段巷道数目从上到下为3、4、3条，分段高度为20cm，进路间距18cm，每条进路共布置有10个放矿步距，每个放矿步距均为4mm，各步距均通过1mm厚铁皮制成的可抽出式巷道与放矿步距板来实现。三分段立体放矿实验模型结构图，见图1。1-设计岩石层；2-设计矿石层；3-进路；4-

14、放矿步距板；5-设计的矿岩分界线；L-进路间距；H-分段高度；D-放矿步距；图1 实验模型Fig. 1 experiment model模型参照矿山对不同放矿区域的不同放矿比例进行1：100的相似模拟实验，立体放矿模型共进行了3组不同放矿比例的组合实验，实验一、二按照矿山的实际出矿方案分别模拟不同的放矿区域。实验三为了验证设计单位给出的各分段放矿比例是否合理，三分段立体模拟实验放矿比例，见表2。表2 模拟实验放矿比例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实验分段放矿比例（按步距承担矿量的重量比计算）实验一（矿山实际出矿方案，靠近矿体中部区域）1420m22%1400m60%1380m70%实验二（矿山实际出矿方案，靠近矿体上盘区域）1420m18%1400m20%1380m35%实验三（设计单位设计的出矿方案）1420m18.31%

16、1400m96.36%1380m74.15%模型通过模拟矿山1420m、1400m、1380m分段的放矿，明确现有覆盖层的具体形态，并为后续探究如何回收矿石覆盖层提供技术支撑。矿岩分界线上面全部装废石，矿岩分界线下面全部装矿石4。实验采用磁铁矿作为矿石，白云岩作为废石5-6，粒级配比完全参照地下巷道实际出矿相似比配置。为了确定模拟时矿石与废石的松散体重，分别通过五次测出该粒级时的矿石与废石的松散体重然后取平均值，计算求得矿石的松散体重为2.187g/cm3，废石的松散体重为1.345 g/cm3。三分段立体放矿实验实际装矿图，见图2。图2 实际装矿Fig. 2 practically load

17、 ore4 实验数据整理及分析为了对模拟实验所得到的数据进行整理，分别计算了各分段放出矿岩总量、矿石量、岩石量，再计算了矿石的回收率、废石混入率等值。本分段回收不了而只能通过下一分段进行回收的矿石称为转段矿量7。在计算回收率和贫化率时，为了保证回收率和贫化率与实际相符，要计入转段矿量。实验数据统计结果汇于表3、通过对放矿后覆盖层厚度进行测量，数据统计结果，见表4。表3 实验数据统计Table 3 the statistics of the experimental data实验装料量（kg）放出矿石量（kg）废石量（kg）回收率（%）贫化率（%）实验一314.490160.9921.9547.

18、341.20实验二317.34785.1710.49424.840.58实验三314.841201.0764.90659.072.38表4 覆盖层厚度统计（单位：cm）Table 4 Cover thickness statistics (unit: cm)实验号最低厚度（远离进路口）最高厚度（靠近进路口）平均厚度实验一32.7550.0037.90实验二51.0056.0054.56实验三24.7044.3029.49*注，实验室得出的平均厚度并不是简单的最低厚度加上最高厚度的平均数，而是通过计算覆盖层矿石结存量来推断出覆盖层的整体平均厚度。通过表4数据绘制出各组实验所得覆盖层厚度与设计覆盖

19、层厚度比较关系图，见图3。图3 实验覆盖层厚度与设计覆盖层厚度比较Fig. 3 The overlay thickness comparison on experiments and design通过对实验过程的观察，同时分析表3、表4数据以及图3，我们可以得出如下一些结论：（1）放矿时呈现出越远离进路口矿岩界面下降得越多的趋势，出现这个现象的原因是第一步距端部所填充的是废石，放矿时，顶部废石和端部废石同时向出矿口流动，由于本步距所放出的矿石量有很大一部分由上步距放矿所留下的靠壁式残留体所补充8，造成越靠近进路口（上盘边帮位置）覆盖层矿岩界面下降的越少的趋势，即覆盖层厚度越厚的现象，与矿山实际

20、出现的情况是一致的。（2）通过表4以及图3可以清晰的得出，实验一得出的覆盖层厚度比实验二、三更接近设计的覆盖层厚度40m，实验二所得实验数据比设计的覆盖层厚度要高14.56m，实验三所得实验数据则要比设计的覆盖层厚度要低10.51m。 （3）通过物理模型相似模拟实验，实验一所形成的覆盖层厚度为37.90m，所形成的覆盖层厚度基本达到设计厚度40m，但是靠近进路口端部覆盖层厚度只有32.75m，如果矿山工作人员出矿量控制不准确，很有可能部分区域达不到设计的要求，所以矿山1420、1400、1380分段分别采用设计的22%、60%、70%比例放矿后，应加强对端部覆盖层厚度的监测，确保下分段采矿的安

21、全。（4）实验二所形成的覆盖层厚度为54.56m，从实验室相似模拟实验所得到的数据上看，通过这种放矿方式所留下的覆盖层厚度完全满足要求，但是放矿回收率较低，崩落的大部分矿石留在了采场，而且采用小比例放矿后，崩落下来的矿岩不足够松散，在回采矿石过程中易造成了大面积的悬顶及大块，以至于在下分段回采中，覆盖层不能有效的随着回采的移动而移动，其中有效覆盖层厚度的确定就会是一个很大的难题，且对后续覆盖层的回收造成相当大的难度和损失。（5）实验三按照设计单位所设计的放矿比例进行相似模拟实验，所形成的覆盖层厚度为29.49m。其中靠近进路口端部仅为24.70m，靠近进路口最厚部位为44.30m，大部分区域未能达到设计厚度，设计院设计的这种放矿方案基本达不到设计要求，这也应证了前述的理论分析结果。5 结论（1）由于矿山实测覆盖层厚度远远超过了实验室模拟所得到的厚度，其原因可能有以下两个，一是随着下分段回采的进行，1420分段顶部形成大面积空区，导致顶部自然性冒落形成覆盖层；二是部分区域（放矿区段2和放矿区段3）矿岩出矿比例偏低，导致标高下降很少，中间大块与大块之间的空区较多，以致实测覆盖层厚度值偏高。（2）通过实验我们可以看出，在远离进路口的矿石覆盖层厚度值普遍相对偏低，而在靠近进路口（上盘边帮位置）处，覆盖层厚度又普遍偏高，造成这样的