尾矿库下残矿崩落法开采损失贫化控制

刘 洋 任凤玉 何荣兴 张东杰

（1.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙 古包头 014010；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004）

安全高效开发残矿从来都是矿业行业的难点问题，既能减少矿产资源浪费，又能够延续矿山的生产年限，对于提升矿山生产效益意义重大［1-3］。残矿的回采方式大体可分为两种：一是充填采空区开发残矿的方式；二是利用诱导冒落技术回采残矿［4-7］。

本溪市大北山铁矿由于矿区狭小，没有构建尾矿库的条件，因此选用露天坑作为尾矿库，矿山前期选取空场法开采矿石。尾矿库底部的标高为194 m，出于保护尾矿库的考虑，在88 m水平回采矿体，遗留下56 m高的采空区（如图1所示）。采空区不仅阻碍了下部矿体正常开采，同时也将造成采空区之上的资源损失。因此，将尾矿库和采空区之间的残矿作为回采矿体。对于此类残矿的回采，需要寻求防控尾砂混入的回采方案，以达到安全高效的生产目的。本项目将其作为研究背景，提出一种尾砂防控和分段崩落相结合的残矿回收方法，并在残矿回采中取得良好效果。

1 矿山开采条件及方案

残矿位于大北山铁矿斜坡道西部，平均厚度为39 m，平均品位为29.5%，倾角为40～62°，矿石价值较低。基于大北山铁矿残矿的开采条件，选取无底柱分段崩落法作为采矿方法。采场结构如图2所示。切割巷道、回采巷道及回采联巷均为三心拱，巷道断面尺寸为4.0 m×4.0 m（宽×高）。

2 矿石散体流动参数测定和矿岩可冒性分析

2.1 散体流动参数测定

使用达孔量实验测定放出体形态［8］，端部放矿的散体流动参数值：α=1.628 8，β=0.076 3，k=0.084 88；α1=1.541 4，β1=0.131 2；回归相关系数R2=0.997 2。分析可得，放出体上部较宽，下部较窄，矿石沿进路方向与垂直进路方向均有较好的流动性，有利于矿石的放出。

2.2 矿岩可冒性分析

根据点荷载试验、结构面调查及Hoek-Brown强度准则得出大北山铁矿矿岩力学参数如表1所示。

出矿后，采空区的临界冒落跨度［9］为

式中，h为空区高度，m；T为准岩体抗压强度，MPa；γ为覆岩层的容重，N/m3；Hl为空区埋深，m。

大北山铁矿矿石容重为3.3 t/m3，尾砂容重为2.85 t/m3，开采水平上部岩层的厚度为38 m，开采水平上部尾砂层的厚度为55 m，155 m水平是诱导冒落分段，空区顶板标高约为19 m。因此，试验采场回采时，临界冒落跨度值：上盘围岩＜24.42 m，铁矿＜25.97 m，下盘围岩＜26.12 m；当采区跨度大于26 m时，尾矿库底部产生持续冒落。

3 采场工程布置

按三分段回收的原则，结合凿岩与装药设备的能力，得出大北山铁矿的分段高度为15～20 m。根据开采矿体几何条件及满足在顶部留一层诱导冒落矿体以延迟尾砂混入时间的要求，155 m水平作为首采分段。首采分段采用19 m高度；第二分段采用15 m高度；因为已经形成覆盖层，为了提高矿山的开采效率，第三分段高度采用20 m。

根据散体流动参数实验及流动带范围的表达式得出［10］，首采、第二及第三分段的进路间距分别是16 m、16 m及18 m；根据矿岩散体流动参数测定得出崩矿步距的初值是1.6 m。

为了保证采场的安全，需要严防采空区冒落引起的周边岩体的陷落危害，因此采准工程不能超出采空区冒落与侧向崩落的边界。根据现场实践得出，初始塌陷区的岩体边壁一般内倾，倾角一般为75～85°。由初始塌陷区的短半轴端点按倾角β作直线，与冒落拱相交（如图3所示），交点的坐标［11］为

式中，a为空区等价圆的长半轴，m；b为等价圆的短半轴，m；c为空区顶板埋深，m；θm为初始塌陷区的短半轴与长半轴的比值，可以采用空区冒落等价圆的短半轴与长半轴的比值估算，一般为0.6～1.0；β为岩体侧向崩落边界线倾角，（°），为了保证试验采场的安全，认为倾角等于85°。根据矿山实测数据得出：a=51 m，b=42 m，c=104 m。

基于式（4）及图4推导的采空区的陷落形态，从而得到采场的开采界限，采场的工程布置如图5所示。因为残矿属于倾斜及急倾斜矿体，且受所留诱导冒落层的影响，需要在分段之间设置一条垂直于回采巷道的下盘沿脉进路。

4 损失贫化控制

4.1 损失贫化分析

由于残矿位于尾矿库的下方，因此在回采过程中需谨防尾砂渗入采出矿石。首采分段，不仅需要采出部分矿石，还需要诱导顶板围岩自然冒落，为下分段提供正常的开采条件。为了充分回收残留矿体，第三分段需要回采更多的矿石，因此需要控制尾砂大量渗入采出矿石，造成矿石贫化和威胁井下作业安全。

4.2 首采分段损失贫化控制

155 m分段的回采面积约为2 605 m2，大于持续冒落面积530 m2；且采区跨度大于临界冒落跨度。同时，由于该分段距离空区较近，预计在155 m分段回采后，采场顶板不但能顺利冒落，并且能冒透尾矿库底板。因此，需留设散体垫层来消除冲击气浪［12］。

前期放矿时，步距放矿量约为760 t。在采空区冒透地表后，为控制上部尾砂入渗，控制出矿量在1 000 t左右。至155 m分段开采结束时，各进路在回采过程中都未出现尾砂混入采出矿石的现象。155 m分段崩落矿石的回采率为57.7%，出矿品位为29.3%。

4.3 第二分段及三分段损失贫化控制

140 m分段的采场结构参数为15 m×16 m×1.6 m（分段高度×进路间距×崩矿步距）。根据尾砂穿流特性［13］得出，均匀放矿及多条进路齐头回采可以有效避免大量尾砂混入采出矿石。因此，140 m分段选取均匀出矿和每2条进路同步后退回采。140 m分段选用低贫化的放矿方式，并选用当次废石混入率与单一步距总放出量2项指标控制放矿［14］。当尾砂与覆盖层的交界面高于松动体范围时，尾砂呈现出整体缓慢下移［15］。因此，根据155 m分段的回采量，可以估算尾砂层和140 m分段的距离计算公式：

式中，γ为矿石的容重，大北山铁矿矿石容重为3.3 t/m3；H为140 m分段上部的矿石厚度，H=54 m；S为140 m分段的回采面积，m2；M为回收矿石量，t；α为冒落岩体的平均碎胀系数，大北山铁矿α是1.15。

因此，估算出尾砂层与140 m分段回采巷道顶板的距离为49.46 m，再乘以安全系数（0.8），进而得出步距放出量约为1 380 t时松动体到达尾砂与散体的交界面，即140 m分段步距最大放出量约为1 380 t。在回采过程中，当回采量为900 t时，放矿口眉线处出露废石，至本步距回采结束时，未出现大量尾砂混入采出矿石的现象。

120 m分段的采场结构参数为20 m×18 m×1.6 m（分段高度×进路间距×崩矿步距），选取均匀出矿和每2条进路齐头并进的回采方式，选取当次废石混入率与单一步距总的放出量2项指标控制放矿。根据式（3）估算出尾砂层和120 m分段的距离，进而得出120 m分段回采进路的步距最大出矿量约是1 950 t。

根据试验采场现场实测及中央区回采经验估算出，试验采场的回采率约为80.9%，贫化率约为24.3%。因此，通过制定二次回采方案与放矿制度等一系列方法，可以基本达到正常的回采指标。

5 结论

（1）大北山铁矿残矿位于尾矿库下部，采取无底柱分段崩落法开采，要防控尾砂大量混入，据开采矿体几何条件及满足在顶部留一层诱导冒落矿体以延迟尾砂混入时间的要求，选取155 m水平为首采分段，并提出了下盘残留体回收措施。

（2）首采分段采用控制出矿量来防控尾砂渗入，第二分段和第三分段采用当次废石混入率与单一步距总放出量2项指标控制放矿，根据尾砂移动规律确定出单一步距总放出量。这些措施在大北山残矿开采中应用良好，达到的生产指标回采率约为80.9%，贫化率约为24.3%。