小汪溝鐵礦露天轉地下分區高效開采技術

李 楠 常 帥 任鳳玉

(1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

小汪溝鐵礦露天轉地下分區高效開采技術

李 楠1常 帥2任鳳玉3

(1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

針對小汪溝鐵礦上部礦體規模較小、露天轉地下自由作業空間小、首采礦段的回采工作面不夠充足、難以實現設計產能的問題，在分析礦巖可冒性以及礦體賦存條件的基礎上，提出了基于巖體持續冒落面積的3分區開采方案，并依據頂板圍巖冒落范圍以及巖移影響范圍分析了分區開采的安全條件。該方案在確保生產安全的前提下，將小汪溝鐵礦的地采產能由設計的100萬t/a提高到280萬t/a。生產實踐表明，利用頂板圍巖的冒落特性提出的多分區開采技術，擴展了露天和地下同時開采的作業空間，不僅實現了小汪溝鐵礦露天轉地下產能的大幅度提高，也實現了安全高效的開采目標，同時也為類似鐵礦山實現高強度開采提供了有效途徑。

露天轉地下 冒落 分區開采 無底柱分段崩落法

小汪溝鐵礦礦體+300 m水平以上采用露天開采，+300 m以下轉入地下開采。地下開采設計應用無底柱分段崩落法，幾經優化，最終取階段高度60 m，分段高度12 m，從上向下逐階段開采，設計生產能力100萬t/a。但由于上部礦體規模較小，露天轉地下的自由作業空間小，首采礦段的回采工作面較少，實現這一產能的難度較大。因此，為實現在有效轉產銜接的同時又能夠增大產能[1-2]，需針對礦床條件，研發適宜的高效開采工藝。

1 開采分區方法

小汪溝鐵礦地質儲量較大(6 477萬t)，制約產能的主要因素是分段內礦體的面積較小(水平面積僅1.48～1.52萬m2)，由此限制了常規開采方法的回采工作線的長度。經現場調查分析，小汪溝鐵礦上盤圍巖節理裂隙比較發育而節理面密閉，當暴露面積較小時具有較好的穩固性，當暴露面積足夠大時具有良好的可冒性。為此，考慮利用巖體的冒落特性[3]。結合小汪溝鐵礦礦巖可冒性分析以及礦體賦存條件，提出了基于巖體持續冒落面積的分區開采方案。

大體說來，隨采空區頂板暴露面積的增大，上覆巖層逐漸發生自然冒落。發生冒落的面積與冒落的高度隨空區頂板暴露面積的增大而不斷增大。當空區頂板暴露面積達到一定數值后，即使不再增大暴露面積，隨著時間的推移，冒落高度也不斷增大，頂板圍巖不再形成長時間穩定的應力平衡拱，這時的空區頂板面積稱之為持續冒落面積[4]。而頂板圍巖發生持續冒落時的最小暴露面積稱之為臨界持續冒落面積。具體內容包括以下3個方面。

(1)每一區域的回采面積需大于持續冒落面積，靠自身采空區的回采面積能夠誘導頂板圍巖自然冒透地表。

(2)分區之間臨時礦柱的尺寸不小于采動壓力的影響范圍，不因分區開采影響相鄰采區采動壓力峰值，或者引起峰值應力的變化，在巖體強度允許范圍之內，確保各分區之間礦體得到正常開采。

(3)下分區冒透地表的時間在上分區采至下分區的影響范圍之前，當上位分區采至下位分區影響范圍之內時，下位采空區早已冒透地表，且散體早已沉實，并對臨時礦柱形成穩定的散體側壓力條件，保護臨時礦柱在開采過程中不發生明顯的沉陷位移。

2 分區開采方案

根據巖體結構面調查與巖體穩定性分級結果，頂板圍巖一般節理裂隙中等發育，點荷載強度多在3～5 MPa，屬于整體中等穩定、局部穩定的級別，這一穩定性條件與西石門鐵礦中區的頂板圍巖類似[5]。運用工程類比法分析得出，小汪溝鐵礦頂板圍巖的完整性不如西石門中區，臨界持續冒落面積不應超過6 000 m2。

根據臨界持續冒落面積初步分析結果，結合礦體條件，首先提出了以12.66線為界分為上、下2區同時開采的雙工作面平行推進方案(見圖1)。下位分區第1分段進路回采結束時，上位分區將回采到第3～第4分段，即當+60 m分段回采結束時，上位分區將回采到+276 m或+264 m分段，此時下位分區的巖移范圍至上位分區回采工作面的水平距離約為320 m，也就是說，分區之間臨時礦柱的尺寸可達320 m。工程實踐表明，對于中等穩定的巖體條件，采動壓力顯著影響范圍一般不超過30 m[6]。因此，厚度320 m的臨時礦柱足可保證上、下2分區生產工作面互不影響。

圖1 上、下分區開采方案Fig.1 Scheme of top and bottom mining divisions

但由于下位分區的回采時間不能滿足露天轉地下穩產或增產銜接的需要，為此，設計將上部分區進一步分為2個采區。根據夏甸金礦的經驗，對于節理裂隙發育、結構面密閉的巖體，采空區頂板冒落引起空區邊緣的應力集中范圍一般不超過25 m[7-8]，考慮1.2的保險系數，取臨時礦柱的尺寸不小于30 m。按此要求，結合礦體形態，從+240 m水平礦體厚度較大的第9勘探線入手，以240 m水平為界，將其分為上、中2個分區。因此，整個礦體沿延深方向分為上、中、下3個分區同時開采。

上部分區從露采境界向下逐分段回采；中部分區與下部分區的首采位置，根據頂板圍巖臨界持續冒落面積的評估值，同時考慮冒落過程中分區之間受礦山壓力的影響范圍，選擇在適宜的階段運輸水平的標高位置。由于+240 m水平設置2條平硐，構成環形運輸系統，因此，經優選確定為：中部分區從+240 m分段開始向下開采，下部分區從+60 m分段開始向下開采。3分區的水平投影關系見圖2。

圖2 3分區位置的水平投影關系Fig.2 Horizontal projection of three mining divisions

上位分區的首采分段設置在+300 m水平，下位分區的首采分段設置在+60 m水平，前者礦體水平面積為8 336 m2，后者礦體的水平面積為17 500 m2，兩者都大于6 000 m2。因此，兩者都可用首采分段的回采面積誘導頂板圍巖自然冒落。中位分區的首采分段的回采面積與采空區跨度不足以誘導頂板圍巖自然冒落，為使頂板圍巖自然冒落，需連續回采+240 m、+228 m、+216 m與+204 m 共4個分段，即用這4個分段的回采面積誘導頂板圍巖自然冒落。

3 分區開采安全及其實施效果

分區開采的首要原則是不破壞每一工作面的生產安全條件，即每一工作面都不能遭受因分區開采帶來的采動地壓的破壞作用與空區冒落危害[9]。小汪溝礦體賦存在陽起磁鐵石英巖和透閃磁鐵石英巖中，穩定性較好，而且礦體側伏角較小、延深較大，沿傾斜方向有足夠的分區空間，可使分區之間避開采動壓力疊加，加之應用無底柱分段崩落法開采，采準工程承受采動壓力的能力較強，因此，分區開采引起的采動壓力容易控制到不對生產造成較大影響的程度。

按照臨時礦柱的尺寸不小于30 m的要求，在上位分區的+276 m分段回采結束之前，中位分區的頂板圍巖能夠自然冒落或強制崩落，使其冒落或崩落的高度超過+276 m，即可保證中位空區不影響上位分區的回采工作面的生產安全。下位采空區向上冒落過程中，在冒落空區邊緣引起的應力集中帶的寬度，有可能超過中位空區。為安全起見，取2倍的保險系數，按60 m寬臨時礦巖柱的要求確定2分區的回采順序。按此要求，在中位分區+120 m分段回采結束之前，下位分區的頂板圍巖能夠自然冒落或強制崩落，并使其冒落或崩落的高度超過+120 m，即可保證下位空區不影響上位分區回采工作面的生產安全。

總之，按頂板持續冒落面積沿礦體延深方向劃分3區開采，按上述關系安排回采順序，以此保證分區之間臨時礦柱的寬度，即可保正3工作面同時回采方案正常生產的安全條件。

在實施過程中，上、中、下3分區的頂板圍巖隨著其下礦石的回采而自然冒落，截止到2011年底，中部分區已經冒透地表，下部分區在第1分段進路的回采過程中已形成足夠厚度的覆蓋層，各分區的回采工作均得以順利進行。經過對礦山實際生產數據的統計分析，在3個分段的回采區域，取得了礦石回采率85.2%、貧化率12.6%的良好效果。同時，在基建投資幾乎沒有增加的條件下，將小汪溝鐵礦的地采產能由設計的100萬t/a提高到2011年的280萬t/a。

3分區開采技術擴展了露天、地下同時開采的作業空間，不僅實現了露天轉地下過渡期的增產銜接，也實現了安全高效的開采目標。同時，分區開采技術也為類似鐵礦山提供了實現高強度開采的有效途徑。

4 結 論

(1)基于頂板圍巖的冒落特性提出的上、中、下3分區同時開采方案有效擴展了回采工作面的作業范圍，顯著增大了礦山的生產能力。

(2)合理分區布置以及合理的回采順序有效保證了各分區之間的回采安全，避免了各分區回采巖移的互相影響。

(3)基于巖體持續冒落面積的分區開采技術不僅保證了小汪溝鐵礦露天轉地下過渡期間地采產能的大幅度提高，也實現了安全高效的開采目標。

[1] 王進學，王家臣，董衛軍，等．大型露天金屬礦山深部開采技術研究[J].金屬礦山，2005(7)：14-16． Wang Jinxue，Wang Jiachen，Dong Weijun，et al.Study of deep mining technology of large-scale opencast metal mine[J].Metal Mine，2005(7):14-16．

[2] 徐長佑．露天轉地下開采[M].武漢：武漢工業大學出版社，1990． Xu Changyou.Underground Mining from Open-pit[M].Wu Han:Wuhan Polytechnic University Press,1990.

[3] 任鳳玉，李 楠，常 帥，等．眼前山鐵礦主采區露天轉地下誘導冒落法開采方案研究[J].金屬礦山，2010(2)：42-45． Ren Fengyu，Li Nan，Chang Shuai，et al.Study on the induced caving method in transferring from open-pit to underground mining in main mining area of Yanqianshan Iron Mine[J].Metal Mine，2010(2):42-45.

[4] 任鳳玉，韓智勇，趙恩平，等．誘導冒落技術及其在北洺河鐵礦的應用[J].礦業研究與開發，2007，27(1)：17-19． Ren Fengyu，Han Zhiyong，Zhao Enping，et al.Induced caving technique and its application in Beiminghe Iron Mine[J].Mining Research and Development，2007，27(1):17-19．

[5] 任鳳玉，陶干強，王家寶．西石門鐵礦自落頂設回收進路的無底柱分段崩落法試驗研究[J].采礦技術，2001，1(2)：38-41． Ren Fengyu，Tao Ganqiang，Wang Jiabao.Experimental study of recovery path of pillarless sublevel caving method of roof caving in Xishimen Iron Mine[J].Mining Technology，2001，1(2)：38-41．

[6] 吳連軍．淺談礦山壓力及其控制[J].山西焦煤科技，2009(11)：34-36． Wu Lianjun.Discussion on the mine rock pressure and its control[J].Shanxi Coal Science & Technology，2009(11):34-36.

[7] 周宗紅．夏甸金礦傾斜中厚礦體低貧損分段崩落法研究[D].沈陽：東北大學，2006． Zhou Zonghong.Research on Low-dilution and Loss Sublevel Caving of Inclined Medium-thick Orebody in Xiadian Gold Mine[D].Shenyang:Northeastern University，2006.

[8] 王文杰，任鳳玉，周宗紅，等．夏甸金礦采礦方法過渡期臨時礦柱尺寸確定方法研究[J].中國礦業，2007(4)：61-63． Wang Wenjie，Ren Fengyu，Zhou Zonghong，et al.The interim pillar size design method study of mining method transition in Xiadian Gold Mine[J].China Mining Magazine，2007(4):61-63.

[9] 陳慶凱，任鳳玉，李清望，等．采空區頂板冒落防治技術措施的研究[J].金屬礦山，2002(10)：7-9． Chen Qingkai，Ren Fengyu，Li Qingwang，et al.Study on the technical measures for controlling the roof-fall in mined area[J].Metal Mine，2002(10):7-9.

(責任編輯 徐志宏)

High Efficient Divisional Mining Technology during Transition from Open-pit to Underground Mining in Xiaowanggou Iron Mine

Li Nan1Chang Shuai2Ren Fengyu3

(1.CCTEGShenyangEngineeringCo.，Ltd.，Shenyang110015，China; 2.SchoolofMiningEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China;3.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

There are some problems in Xiaowanggou Iron Mine，such as small-scale upper ore-body，narrow working space from open pit to underground mining，and deficient stopes in the first mining section，and hard to reach the expected productivity etc.In view of these problems，and on the basis of analyzing the caving possibility of ore rocks and the occurence conditions of orebody，a new scheme of three dividions based on the continuous caving of rocks was proposed.And then，according to the ranges of roof surrouding rock caving and rock movement，the safety of mining were analyzed.On the premise of keeping safety in mining，this scheme makes the productivity of underground mining in Xiaowanggou Iron Mine increase from 1 million t/a in original to 2.8 million t/a.Finally，the production practice showed that the multi-division mining technology based on the characteristics of roof surrounding rock caving expanded the work space as the simultaneous mining of open pit and underground.It not only greatly improves the productivity from open pit to underground in Xiaowanggou Iron Mine，but also achieves the exploration target with safety and efficiency.Meanwhile，it provides an effective way for high efficient exploitation of similar iron mines.

Transition from open-pit to underground，Caving，Sectional mining，Pillarless sublevel caving method

2013-12-11

李 楠(1981—)，女，工程師，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-05-021-03