崩落采矿法覆盖岩层合理厚度的定量化确定方法

摘要

本发明公开了崩落采矿法覆盖岩层合理厚度的定量化确定方法，它通过以下三个方面确定：(1)基于采矿工艺要求的覆盖层厚度；(2)基于削弱顶板冒落引发巷道内风速和风压的覆盖层厚度；(3)基于岩体崩落对回采巷道安全的覆盖层厚度；(4)最终定量化确定崩落采矿法覆盖岩层合理厚度为上述三种方法确定的最大值。本发明将覆盖层的合理厚度与采场参数、回采工艺、回采指标、矿岩性质、覆盖岩层移动特性及覆盖层的形成方式进行了有机结合和综合考虑，得出了覆盖层合理厚度的定量化计算方式，使覆盖层的留设更加科学，更加符合工程现场生产条件和要求，为崩落法开采贫损控制及安全保障提供了科学依据。可广泛应用与崩落法开采的矿山。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下矿山开采的覆盖岩层厚度的确定方法，尤其是涉及崩落采矿法中的覆盖岩层厚度的定量化确定方法，可广泛应用于崩落采矿法开采矿山留设合理覆盖岩层厚度的确定。

背景技术

目前我国地下铁矿山采用崩落法开采的约占60％以上，崩落法采矿的基本特征是在覆盖岩层下放出矿体，因此覆盖岩层是崩落法开采最基础最关键的要素，覆盖层不仅是矿石损失、贫化控制的关键，也是回采过程安全的重要保障。覆盖层留设过厚，则会增加强制崩落岩石工程的费用；留设太薄，则既不利于安全，又不利于贫化损失控制。因此，确定合理的覆盖层厚度对提高矿石回收率、降低回采贫化率、确保矿山生产安全均具有重要的意义。

但是，现有覆盖层厚度的确定方法一方面缺乏充分的科学依据，另一方面缺乏工程适应性和针对性，这给矿山日常生产带来了极大的困难。主要表现在以下两点：

(1)覆盖层厚度留设广泛采用的工程类比法，没有考虑回采工艺、采场参数、回采指标、矿岩性质等因素的影响，按照工程实践总结所得一般覆盖层厚度为20m的留设依据，显然不能满足高分段安全生产的要求。

(2)《金属非金属矿山安全规程》规定：有底柱分段崩落法和阶段崩落法回采的采场顶部应有厚度不小于崩落层高度的覆盖岩层，无底柱分段崩落法覆盖层厚度应达到分段高度的2倍左右。该规定显然缺乏充分、科学的依据。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述问题，提供一种充分结合采矿工艺、针对性强、科学合理的崩落采矿法覆盖岩层合理厚度的定量化确定方法，该方法可以可定量精确计算出覆盖层厚度。

为实现本发明的上述目的，本发明崩落采矿法覆盖岩层合理厚度的定量化确定方法通过以下技术方案实现：

(1)基于采矿工艺要求的最低覆盖层厚度的确定

总结崩落矿岩移动特性、矿石损失贫化途径及规律，发现在一个分段放矿条件下，能够盖住矿石脊部残留、能够形成挤压爆破条件、能够保持矿岩界面连续性和完整性的最小覆盖层厚度为一个包括脊部损失高度在内的分段高度。但每次出矿结束前总有一定量的废石混入，因此当按一个分段高度留设覆盖岩层时，第一个分段出矿结束后已经有部分矿石不能被废石覆盖住，此时矿石就有可能移动至废石上面。为确保每个分段回采中和回采结束后矿石都能被覆盖岩层覆盖住，因此推导出满足采矿工艺要求的最低覆盖层厚度为：

式中，H-覆盖层厚度(m)；h-分段高度(m)；N-分层数，(个)；

r-废石混入率(％)；k-矿石回采率(％)；

γ_矿、γ_废-分别为矿、岩石比重(t/m³)；

从上式可见，废石混入率越低，需要覆盖层的厚度越小，这也充分证明了无底柱崩落采矿中，低贫化放矿的重要意义。

(2)基于削弱顶板冒落引发巷道内风速和风压的覆盖层厚度的确定

顶板大规模瞬冒落过程中在冒落体上部或下部产生正压和负压后，引发的高速气浪对井巷或空区内作业的人员、设施和设备等造成巨大伤害或破坏。以活塞式(最大冲击条件下)崩落模型，模拟得到了巷道内的风速和风压与覆盖层厚度的关系曲线，拟合关系曲线可见：

①气浪通过覆盖覆盖层后，其压力衰减明显，覆盖层愈厚，压力愈低，随着覆盖层的加厚，衰减速度变小。巷道内压力与覆盖层厚度可按指数关系拟合为：

P＝f(h)＝0.45e^-0.3h

式中：P-巷道内压力，(Mpa)；h-覆盖垫层厚度，(m)。

②当覆盖层厚度大于4.85m时(矿山实际生产中，覆盖层厚度至少要大于一个分段高度)，巷道内风速与覆盖层厚度关系基本呈线性反比关系，因此工程现场巷道内风速与覆盖层厚度按线性反比函数关系拟合为：

v＝-0.885h+17.25

式中：v-巷道内风速，(m/s)；h-覆盖垫层厚度，(m)。

综合①、②，得出基于削弱顶板冒落引发巷道内风速和风压的覆盖层厚度。

(3)基于岩体崩落对回采巷道安全的覆盖层厚度的确定

通过相似模拟试验得出：①崩落重量与冲击力基本呈指数关系；②覆盖层厚度与冲击力基本呈线性反比关系；③崩落高度与冲击力基本呈线性正比关系。

通过数值模拟得到的冲击力在覆盖层内传递过程、冲击过程能量变化及冲击力时程曲线可见，覆盖岩层对崩落岩石的冲击力有明显的缓冲作用，整个冲击过程中总能量基本处于守恒状态，内能和动能之间有一个相互转化的过程，动能在计算过程中转化为材料的内能。

综合相似模拟和数值模拟结果，可得出松散覆盖岩层对顶板岩体的冒落冲击力具有很强的缓冲和消散作用，只要分段高度大于10m，则一个分段高度的覆盖层厚度可将岩体冒落冲击力消散至很小，此时传递到覆盖层下面岩体内的冲击力与岩体抗压强度相比可以忽略，因此一个分段高度(分段高度不小于10m)的覆盖层厚度完全可以满足岩体崩落冲击力对回采巷道安全的要求。

即基于岩体崩落对回采巷道安全的覆盖层厚度最终确定为：分段高度≥10m，基于岩体崩落对回采巷道安全的覆盖层厚度按一个分段高度的覆盖层厚度。

(4)最终定量化确定崩落采矿法覆盖岩层合理厚度

综合以上三方面，合理的覆盖层厚度应为上述三种方法确定的最大值。

本发明崩落法覆盖层合理厚度定量化确定方法具有以下优点：

①从回采工艺和回采安全方面分析了覆盖层的合理厚度，针对具体矿山矿体赋存条件及开采工艺的差异，可定量化确定合理的覆盖层厚度。

②本发明覆盖层合理厚度确定将覆盖层的移动特性、崩落法回采工艺、覆盖层对回采指标影响及覆盖层的形成方式联系在一起，完善了崩落法回采技术和工艺。使覆盖层在满足回采工艺及安全要求的同时，可最大限度地减少形成覆盖层的费用。

附图说明

图1是顶板岩体大规模冒落后引发巷道内风压与覆盖层厚度关系曲线。

图2是顶板岩体大规模冒落后引发巷道内风速与覆盖层厚度关系曲线。

图3是顶板岩体大规模冒落后岩体崩落重量与冲击力函数曲线。

图4是顶板岩体大规模冒落后覆盖层厚度与冲击力曲线。

图5是顶板岩体大规模冒落后冲击力在覆盖层内传递过程云图。

图6顶板岩体大规模冒落后冲击过程能量变化曲线图。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明崩落法开采覆盖岩层合理厚度的定量化确定方法做进一步说明。

本实施例中覆盖岩层厚度确定及留设方法在马钢集团姑山矿业有限公司进行了现场工业试验。姑山矿业公司和睦山铁矿采用无底柱分段崩落法开采，分段高度为10m，矿石回采率为75％，废石混入率为10％，矿、岩比重分别为3.5t/m³和2.8t/m³。实际生产中采用强制崩落的方式留设覆盖层厚度约20m。

按本发明覆盖层合理厚度的确定方法，满足采矿工艺要求的覆盖层厚度即可满足回采安全要求，计算如下：

①满足采矿工艺要求的覆盖层厚度

②按基于削弱顶板冒落引发巷道内风速和风压的覆盖层厚度

满足回采巷道内气浪风速小于12m/s的覆盖岩层厚度为6m；

满足回采巷道内气浪风压小于0.003Mpa的覆盖层厚度为16m。

③按基于岩体崩落对回采巷道安全的覆盖层厚度

满足岩体崩落对回采巷道安全的覆盖层厚度为10m。

因此，按本发明确定的合理覆盖层厚度为16m，据此姑山矿业和睦山铁矿节省补充覆盖层强制崩落费用约859万元，降低矿石贫化率约2.9％。