0 前言

永丰萤石矿位于江西永丰县城南70km的北坑乡境内, 南与乐安县交界, 是永丰县经委所属的中小型非金属矿山。矿区地表除北端有一约0.23hm²的水库外, 还有一条引导矿区南端选矿厂工业用水至该水库的引水隧道横贯矿区南、北。同时, 还有一条矿山与外界联系的进出公路通过矿区。走向与矿体一致。这些情况既给矿山地下采矿带来了影响, 又给矿体深部资源回收带来了困难。为了防止地表水库对矿井充水, 确保公路运输安全, 尽可能地回收矿产资源, 必须分析地下采动影响, 实行“三下”开采。

1 矿山地质概况 1.1 矿区地层

矿区地层主要是陆相碎屑沉积为主的下石炭统华山岭组(CK), 分布在矿区西部的半山腰上。岩层倾向E, 倾角60~ 75°; 局部倾向NW, 倾角45~ 55°, 岩层硅化破碎较为普遍。区内构造以断裂发育为特征, 主要有NNE、EW及NE三个方向断层, 其萤石矿体产于招携—大沽断裂带的花岗岩硅化破碎带中, 该断裂带既是导矿通道, 又是容矿空间。

1.2 矿床地质

矿床属低温低压低盐度热液充填萤石矿体。矿体形态成长透镜状, 走向NE6°, 倾向E, 倾角45~ 70°, 长1200m, 宽2~ 12m。矿体直接出露地表, 出露最高标高440m, 钻孔控制最低标高为230m, 表明矿体延伸较大。矿体连续性较好, 平均厚度10m。

矿体中有成矿后的W向断层, 倾向N, 倾角70~ 80°, 断距一般3~ 7m, 矿体与围岩界线不十分明显, 矿石品位一般中间高, 向两侧逐渐降低。

1.3 矿床水文地质

矿区无较大河流水系, 地表分布岩层为华山组石英砂岩和斑状花岗岩, 属不透水层。地下水主要是第四系坡积冲和断层破碎带含水, 以及赋存于构造裂隙中的脉状裂隙水。井下充水主要来源于地表大气降水。

2 岩移范围及开采范围确定 2.1 岩移范围的确定

根据矿体上覆岩性质和埋藏情况, 参照类似矿山有关资料^〔1〕, 确定该矿体崩落角为75°, 岩体移动角为65°。并据此确定矿体崩落范围和岩体移动范围, 见图 1、图 2。

从各地质纵剖面图和图 3可看出, Ⅶ线以北的引水隧道和水库处于移动范围之内, 矿区地表公路大部分处在开采崩落范围之内, 因此, 应加强地表公路保护和影响分析; 地表设施中有的在崩落范围内, 有的在崩落范围之外、移动范围内。

2.2 开采范围确定 2.2.1 地表构筑物安全性分析

从地质纵剖面图可看出, 矿体在走向上, 其中部埋藏(0~ Ⅲ线)深, 南、北两端较浅。分布于Ⅰ ~ Ⅲ线间的地表建筑物距采区垂直深度达80m以上(见图 2)。由文献〔1〕可知:在采矿方法适当的情况下, 地表一般房屋和铁道线路在这个采深下, 对井下采动敏感性不大。

另外, 矿区公路虽绝大部分在矿体开采崩落线内, 除1994年5月(即在开采298m中段时)在公路Ⅴ线附近发生过长6m、宽3m的小面积沉降外, 再未发生类似现象。

由“三下”开采理论得知, 开采倾斜矿体时, 矿体覆岩层同一层面上各点移动除了偏向下山方向外, 移动大体均匀一致; 而开采急倾斜矿体时, 虽也出现“冒落带”、“裂隙带”和“整体移动带”, 但不会出现充分采动区。因此, 对厚度不大、围岩又稳固的矿体, 开采后, 地表崩落范围内不会产生较大的“沉降”盆地。即使产生也是小面积光底“盆状”, 公路及一般房屋不会受到太大影响。

2.2.2 地表水影响

在矿区Ⅶ线以北, 引水水渠进入水库。据矿区水文地质反映, 矿体上覆岩属隔水性较好的中硬覆岩。矿体在深部尤其在Ⅶ线附近倾角趋缓为50°左右, 经计算导水裂隙带高度^〔1〕为63m。

由图 1可知, 引水水渠与采区垂直距离为50m, 小于导水裂带高度。, 由此, 当回采不使用充填法时, 可确定开采不能达到、更不能超过Ⅶ线以北。否则上覆岩体错动, 不仅水渠隧硐工程被毁, 而且会使井下发生大面积充水。

2.2.3 地层破碎带的影响

从矿体上覆岩体结构来看, 矿体产于招携—大沽断裂花岗岩硅化破碎带中, 且矿体中有成矿后的W向断层, 它们均处于开采移动带内。由岩体力学关于岩体结构面变形机理得知, 该破碎带和断层属于软弱结构面, 形成块裂体边界, 控制着覆岩体的变形和破坏方式。最主要方式为块裂体沿软弱结构面滑移, 岩块变形量很小, 其纵向与横向变形比也很小^〔2〕。矿体在开采以后, 破碎带上下盘构成次级应力场的边界。故采空区必须经适当处理并留一定的保安矿柱, 以使围岩溃屈破坏后, 达到和重新处于平衡状态, 减小对地表的影响。

通过以上矿体采动与地表保护相互影响分析, 据矿床地质情况, 以及矿石运输生产成本等综合考虑, 确定该矿298m水平以下深部开采范围为Ⅱ线半至Ⅴ线半间沿走向500m长的开采区段。

3 开拓方式选择

矿山深部开拓仍采用现有平硐和矿体下盘盲斜井联合开拓方式。因为, 该斜井的设计大致与矿体平行(倾角为28°), 斜井与矿体间距为18m左右, 在保持矿山生产与管理前后统一的基础上, 技术上是可行的。同时, 矿山生产能力较小, 在开采深部时只需延伸斜井即可。这样, 基建投资小, 开拓准备时间少, 掘进延伸较容易, 投产也较快。运输平巷为沿走向脉内布置。

4 采矿方法选择 4.1 开采技术条件

矿体成长透镜状, 中间厚、两端薄。在深部, 矿体逐渐收缩。在268m水平, 矿体走向长约800m左右, Ⅱ -Ⅴ线间厚度为6.5 ~ 11.5m, 倾角为45 ~ 60°。矿岩接触比较明显, 矿体连续性好。

萤石矿平均抗压强度为9.78MPa, 抗剪强度0.66MPa, 硬度f=8 ~ 10, 稳固性较好; 上、下盘围岩为矿化硅化角砾岩, f =8 ~ 12, 稳固性也较好。

4.2 采矿方法确定

由于该矿深部开采后地表不允许崩落, 又因矿岩稳固, 地下采动对地表公路等设施影响不大, 除了Ⅶ线以北矿体大约150m长因地表水必须充填采矿外, 但因其厚度小和品位较低, 矿山实际情况不允许。故在圈定开采范围内无须专门建立充填系统和用充填法进行回采, 故设计最后采用浅孔留矿法作为该矿深部回采方法。虽然分段采矿法安全性较好, 回采矿块速度快, 但须开掘多条分段凿岩巷道和中央切割天井, 基建期长, 采准、切割工程量太大。加之井下凿岩设备仅有YT-24和YSP -45钻机。因此, 设计选择了浅孔留矿法。

矿块沿走向布置。矿块尺寸取50m × 30m×(5~ 10m); 顶底柱高分别取4m和5m;间柱宽取8m, 在间柱中布置2m×2.5m的采准天井及采场联络道; 漏斗间距取6m。当矿体厚度大于8m时, 底部布设双排漏斗结构; 矿房顶板最大暴露面积为500m², 小于顶柱允许暴露面积(800m²)。

4.3 开采保安措施 4.3.1 空区处理

由于矿岩稳固, 且矿体厚度不大, 矿块回采后, 留下顶柱及矿房间柱起保安支撑作用, 采空区无须大规模地充填和充满。但为了减少运输费用和废石对地表环境的污染, 在斜井延伸及井底车场施工中, 产生的废石用以充填上部采空区。用以缓解和控制空区围岩地压活动。

4.3.2 保安措施

从纵剖面图中可看出, 矿体在中、深部开采时对地表工业设施影响较大。因此, 特提出如下保安措施。

(1) 严格保持顶、底柱和间柱的规格尺寸, 并作永久性损失, 以控制空区面积, 防止地表、覆岩错动发生沉降。

(2) 必须按圈定区域进行开采, 按设计和选择方法进行施工生产, 并加强管理。

(3) 废石充填空区, 应首先充填Ⅰ线附近的采空区, 因该区域地面设施较集中, 地表若发生沉降则危害较大。

(4) 设立专门机构负责地压管理工作, 加强对地表观测和井下监测, 及时做好地压活动预测、预报工作。

(5) 如果发现大面积地压活动征兆, 必须立即停止作业, 将人员、设备撤至安全地点。

5 结语

永丰萤石矿深部的开采设计, 通过总结矿山10余年来生产实践, 利用“三下”开采理论和经验, 为科学和安全地回采地下资源作了一定探索, 并贯穿于设计中。几年来, 矿山按照设计进行施工和生产, 由原来一个矿块生产变为两个矿块同时回采; 矿块回采损失率从原来的48 %降到现在的23 %(平均数); 生产能力已由原来的180t/d提高为300t/d, 其经济效益较为显著。