徐明生，申 延，李寿山，孙贵东

磷矿山地下转露天原采空区危害治理研究

徐明生1，申 延2，李寿山2，孙贵东2

(1.贵州开磷设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081；2.中蓝长化工程科技有限公司，湖南 长沙 410083)

瓮福磷矿磨坊矿因早期地下开采留下众多采空区，由于b矿层磷矿的优势性，需要对原采空区矿柱采用露天回采。通过研究讨论地下转露天原采空区处理方法，结合工程实际分析，针对原采空区采用露天深孔爆破强制放顶方法进行处理，结合理论力学方法计算采空区顶板最小安全厚度，建立其与采空区跨度之间的对应关系，为指导该矿露天生产和维护作业人员及设备安全打下了基础。

地下转露天；采空区处理；采空区跨度；顶板安全厚度

0 引 言

贵州瓮福磷矿磨坊矿主要为露天开采矿山。在1990年代民采活动泛滥，普遍存在采富弃贫现象，资源浪费极其严重。因此该矿山组织进行地下开采和露天开采联合方式回采边角矿石。由于地下开采采用房柱法回采磷矿资源，造成矿山回采率低，贫化率高等现象，并在地下残留大量矿柱和采空区。经过多年的地应力构造运动，地表已出现多处塌陷和开裂，严重影响矿山安全开采。同时，该矿山赋存矿体为b层矿，品位高且非常适合下游加工。鉴于该矿山每年b层矿存在较大需求缺口，企业提出在平均剥采比合理的情况下，根据紫金矿业地下转露天开采的成功经验，采用露天开采方式回采浅部资源并处理原有采空区。

但地采过程中形成的采空区对上部露天开采作业的人员和设备构成极大威胁[1]，因此进行地下转露天开采，技术上要以如何安全处理原有采空区为前提[1-2]。

1 地下转露天原采空区处理

1.1 地下转露天原采空区处理方法

地下开采转露天开采过程中，地下空区的处理方法主要有4类[3]：

（1）巷内强制崩落充填采空区。崩落后的顶板岩石充填采空区，这种方法适用于地下巷道系统完善，人员便于进出，通风条件良好，围岩稳固情况下的空区处理。但是由于岩石松散程度不同，难免造成部分空区未填实，当上部矿体露天开采时，人员和设备仍可能出现陷落危险。

（2）露天深孔爆破强制放顶处理采空区。在地表进行穿孔爆破作业，其工艺和露天开采爆破工艺相同，采空区上面台阶穿孔爆破，炮孔设计为两部分，上部为柱状装药，爆破方法同普通台阶，为侧向爆破；下部是球状药包，为下向漏斗爆破，爆破后，原采空区顶板崩落充填空区。这种方法适用于地下采空区复杂，不便于人员进出，通风条件不好，围岩稳固性差，走向长度大，宽度较小的空区处理。为保证上部露天开采安全，避免穿孔作业时顶板强度不够导致垮塌，往往要对采空区顶板留有一定的安全厚度，安全厚度过小会出现顶板垮塌现象，安全厚度过大，会浪费炸药和影响放顶效果，因此计算合理的顶板安全厚度为此方法的关键。

（3）顶板覆岩硐室爆破法强制处理地下采空区。从地表向空区顶板方向掘进小竖井，在顶板上部形成药室，采用硐室爆破法对采空区顶板放顶。这种方法适用于上部覆岩较厚，岩层稳定，宽度较大的空区处理。虽然这种方法安全可靠，但较之上述两种方法炸药耗量大，成本较高，并且需要形成硐室工程，施工难度较上述工艺大。

（4）尾砂胶结充填处理采空区。通过充填系统，将尾砂胶结充填料浆充填至采空区，这种方法适用各类岩性的大范围采空区，露天作业时，人员和设备可以保证安全，但是此方法要求矿山有充填系统，并且空区处理成本较上述方法高。同时由于采空区处理完毕后，胶结充填体随着露天坑开采的延深需要开挖剥离，容易增加矿石贫化率，也会造成成本的二次浪费。

1.2 磨坊矿地下转露天原采空区危害治理方法

瓮福磷矿磨坊矿处理完地下原采空区后，进而通过露天开采方式继续开采磷矿资源以及回采原地采房柱法形成的矿柱。目前该矿地下原有巷道除维护和抽排水工作外，已不便于人员进出，并且预计通风条件较差。在上述4种地下转露天原采空区处理方法中，从安全和成本角度综合对比分析，原采空区处理更适合采用露天深孔爆破强制放顶处理采空区。矿山企业通过科学方式探测采空区范围、位置、大小及形状后即可实施。这样既不影响露天开采工作进度，也不会给人员设备留下安全隐患，唯一需要考虑的问题是如何科学合理地确定顶板安全厚度。

2 地下转露天顶板安全厚度研究

确定地下采空区顶板的安全厚度，是为露天采剥工作提供安全稳定的作业条件，保证安全生产的前提[4]。

计算采空区顶板最小安全厚度可采用有限元法、理论力学法、极限分析法、数值模拟法等。其中理论力学法相对其他方法应用范围较广，计算较为简便，计算的参数在工程中可快速运用到实际施工，因此本文用理论力学法对地下转露天顶板安全厚度进行计算及合理的确定[5]。

2.1 岩石力学参数确定

该矿地质详勘报告提供了详细的岩石力学参数，但仅为实验室数据。在工程实际中，岩体存在结构面、充水等不良地质影响，岩体强度弱于岩石强度。因此在做工程计算时，有必要对岩石力学参数做适当的工程折减[5-10]，以确保理论分析与计算尽量符合工程实际。

本次理论分析与计算中使用的主要岩体力学参数见表1。

2.2 不同计算结果综合分析

根据现场实际采空区统计，采场高度8 m，采场跨度为4~25 m。计算过程中，一般安全系数取1.3，但考虑露天大爆破对地下矿柱会造成爆破震动影响，因此本文计算时，安全系数取1.5。

表1 某磷矿工程岩体力学参数

对于采空区顶板安全厚度计算，即使采空区跨度相同的条件，采用不同的计算方法其计算结果也不同。为此，本文采用文献[5]所述5种理论进行计算，得到不同计算方法下顶板安全厚度与采空区跨度之间的关系，如图1所示，具体计算结果如表2所示。

图1 不同计算方法顶板厚度与采区跨度关系

表2 不同采空区跨度应用不同理论计算的顶板安全厚度

从表2可以看出，结构力学梁理论得出的计算结果值偏大，较为保守，而采用普式拱理论计算的顶板安全厚度值相对较小。采用厚跨比理论、鲁佩涅伊特理论和荷载传递交汇线理论计算出的顶板安全厚度整体趋势和结果均偏差不大。对于采空区形状、尺寸、岩性等极其复杂，不论是经验类比、还是经过抽象的理论方法，都不可能与真实情况完全吻合。同时，理论方法存在着适用范围问题，其单一结果只能作为参考。因此有必要对各类方法进行综合，形成一种综合判别法，更有效地指导矿山工程。在实际操作中，根据现场实际，对空区进行归类，利用不同方法可得到不同的安全厚度值；如果多个方法得到的值比较接近，则结果可信；如果某一个或几个方法所得结果偏离较大，则需要进行验算和工程实验确定最终结果。

根据磨坊矿段施工现场实际情况，顶板岩层条件很好，因此综合上述计算结果进行分析与研究，最终推荐确定其采空区跨度与顶板岩层的最小安全厚度对应关系如表3所示。

表3 不同采空区跨度下顶板岩层最小安全厚度推荐值

采用深孔台阶爆破崩落放顶对地下原采空区进行空区处理，以推荐的采空区顶板安全厚度值，作为确定采空区上方最后一个穿孔爆破作业台阶高度的依据。在深孔爆破的同时，根据采空区探测情况，合理的确定其顶板安全厚度，可提高其采矿安全性。

3 结 论

瓮福磷矿磨坊矿段因早期地下开采留下众多采空区，由于b矿层的品质优势，需要对原采空区矿柱采用露天开采的方式进行回采，但原采空区处理困难，对露天矿的安全生产造成威胁。通过多种地下转露天开采空区处理方式的讨论与分析，最终确定该矿采用露天深孔爆破强制放顶处理采空区。由于该方法要求采空区顶板留有一定的安全厚度，因此采用不同理论计算方法对其最小安全厚度进行计算，根据计算推荐值并结合现场勘查，可以确定目前开采的0～2+150勘探线之间的矿体，露采作业是安全的。

[1] 周文勇.地下转露天开采原采空区的处理方法研究[J].化工矿物与加工,2010,39(7):32-33.

[2] 黄先文.高坡磷矿地下转露天开采的实践[J].化工矿物与加工, 2014(8):51-52.

[3] 王官宝,任高峰.格尔珂金矿采空区稳定性评价及安全开采措施[J]. 露天采矿技术,2004(6):13-16.

[4] 汪 勇.采空区上方安全顶柱厚度的确定方法[J].矿业快报, 2002(1):17-18.

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(2019-05-07)