三道庄矿区采空区处理研究.pdf

Q／0 一 2 0 0 0年 1 1月 第 2 9 卷第 6期 有色矿山 No n f e r r o u s M i n 巷 ,ro v ， 2 0 0 0 V0l 29 No 6 三道 庄矿 区采 空 区处理 研究 廖江南 一 r z j - , 长沙有色冶金设计研究 院， 瑚南 长沙 4 1 0 0 1 1 ’ 词 】 墨 皇 垦 ； 逝『丑，V 扳 术 端 慝 [摘 要】针对洛阳栾川铝业公司三道庄矿区采空区特点． 提出了露天深孔爆破崩矿处理采 空区的新方法 ； 同时作为一种新的尝试 ， 笔者还将国内外成熟的 VC R法技术应用 于露天处理地下 空区， 并通过大量岩石力学资料论证确定 了安全顶柱的厚度。 [ 中图分类号 】T D 3 2 5 ． 3 [ 文献标识码】A [ 文章鳊号】1 0 0 2 - 8 9 5 1 2 0 0 0 0 6 - 0 0 1 0 - 0 5 St u d y on g o a l di s po s al of S a nda o z hu a ng m i ne a r e a LI AO J i a n g - n a n C h a n g s h aEn g i n e e r i n g ＆ Re s e a r c h I n s t i t u t e o fNo n Me t a l l u r g y． C h a n g s h a 4 1 0 0 1 1 ， C h i n a Ke y wo r fl sg o a l d i l ； c a p p i 1 t a r； s u r f a c e l o Nh o l e Ab s t r a c t I n a c c o r d a n c e wi t h c l 1 a r a c t e r i s t i e s o f g na f i n S a n d a o z h u a n g mi n e a r e a o f Lu a n c h u a n Mo l y b d e n u m I n d u s t r y C o mp a n y， Lu o y a n g， t h e s u r f a c e bl a s t h o l e me t h o d i s p u t f o r wa r d t o t r e a t g o a 1 ． I n t h e l 已t i m e ， a s a n e w t r y。 t h e vcI me t h o d wh i c h h a s b e e n U S e d s u c c e s s f u l l y a br o a d i s u s e d i n g o d t r e a t m e n t i n s u rfa c e ， a n d t h e s a f e t y t h i c k n e s s o f c a p p i l l a r i s d e f i n l t e d t h r o u g h t h e a n a l y s i s of 1 a re q u a nt i t y of r o c k me c h a n i c s i n f o r m a t i o n 1 概 况 三道庄矿 区是栾川钼矿最大矿 区之一 ． 经批准的 BCD级矿石储量 5 8 1 3 7万 t ． 钼金属量 6 7 ． 2 5万 t ， 钨金属量 5 0 ． 2 5万 t ， 是 我国储量最大的钼矿床 ， 绝大部分矿石可用 露天开采 ， 平均剥采 比仅 1 t i t 左右。 该矿区开发始于 6 o年代末期 ， 采用小规 模地下开采 ， 开采高品位 品位 0 ． 2 5 ％以上 的富矿 。8 0年 代 以来 ． 由于 政策 上 的原 因出 现 了乱采乱挖的局面， 矿 区内国营、 集体和个 体采 矿一度 达到 9 6个 ， 所 留下 的地下采空 区 容 积选 1 4 3 ． 8万 。 1 9 8 8年 ． 经 过 治 理 整顿 ， 乱 采 乱 挖得 到 [ 收稿 日期 ] 2 0 0 0 6 2 9 [ 作者简介】 廖江南 1 9 6 1 一 ， 男 ， 瑚南醴陵人 ， 长沙有色冶金设计研究 院矿 山分 院副院长 ， 事采 矿及爆破工程设计研究工作。 制止。1 9 9 0年开始建设 5 o o o t ／ d露天矿， 在 5 o o o t ／ d露天前期境界 服务年限 1 4年 ， 基建 标高从 1 5 3 0 m至 1 4 3 8 m． 生产标高从 1 4 2 6 m 至 1 2 8 2 m 内 的 空 区 有 5 8个 ， 空 区 容 积 8 6 1 8 0 7 _ 8 ． 其 中规则空 区 原河南省钼矿 按设 计 正 规 开 采 的 3 1个 ．空 区 容 积 5 2 3 3 0 7 m ， 不规则空区 主要是民采造成 的 2 7个。空 区容积 3 3 8 5 0 0 ． 8 ， 这些空 区分 布范围广， 面积大 ， 为保证露天作业时间和人 员的安全 ， 绝大部分空区必须进行处理。 2 空区处理方案的研究 2 ． 1 空区的特点 2 ． 1 ． 1 规则 空 区的特 点 1 规则空区的规格基本上按正规设计 的矿房尺 寸形成 ． 空区底板标高 1 2 9 6 m 以 下有正规 的底 部结 构 ， 1 2 8 2 m 水 平有 正 规 的 盘 区运输 坑道 ， 空 区上部 1 3 1 7 m 和 1 3 3 0 m 标 高有部分回风坑道 。 维普资讯 第 6 期 廖江南 三道庄矿 区采空区处理研究 l 1 2 规 则 空 区 分 布 标 高 从 1 2 9 6 m 至 顿时被炸毁 ， 一部分被基 建剥离大爆破所崩 1 3 3 0 m。其跨 度 即矿 房 宽 度 为 1 5 m 的 占 落 的废 石堵死 ， 要恢复 进入 比较 困难 。 6 1 8 ％ ， 其 余 矿 房 宽 度 最 小 为 l O m， 最 大 为 2 ． 2 空 区处 理方案 与经济 比较 3 2 m， 高度为 1 4 ～3 4 m。其长度大部分为 3 8 目前国内外空区处理主要采用充填法 ， -- 5 2 m， 仅 4个矿房为 8 0 m。矿柱宽度大部 如铜官山铜矿等矿 山采用千式充填 ， 前苏联 分为 8 m， 个别为 7 m。 的盖依斯基等采用胶 结充填， 也有采 用尾砂 3 从地下监测结果看 ， 空区内地压活动 充填的。除充填法外 ， 国外还有采用井下深 很小 ， 矿柱 稳定 。 孔崩矿法 ， 此方 法是用深孔将 顶底 柱 、 间柱和 2 1 ． 2 不规则空区的特点 顶柱上面的矿石崩落 ， 崩落的矿石填满整个 1 不 规则 空 区为 不 正规 开采 留下 的硐 空区 包 括 原 有 空 区 和 崩 矿 后 形 成 的新 空 室或坑道式空区， 基本上是独头式开采 ， 有些 区 ， 在前苏联和加拿大有少数矿山成功地采 空区的坑 口底板标高比采空区的底板标高还 用过露天深孔崩矿法。 要高 ， 这类空区没有统一的运输通风系统。 根据上述的空 区特点， 对于不规则空区 2 不 规则空 区分布标 高从 1 2 9 6 m 至 可以采用露天深孔崩矿法和高浓度全尾砂胶 1 4 6 9 m。其跨度相差很大 ， 从 2 m至 2 5 m。大 结充填法 它在经济上优于碎石胶结充填法 空区中留有 不 规 则 矿 柱 ， 高 度 从 2 m 至 两个方案 ； 而对于规则空区， 除可 以采用上述 1 0 ． 7 m。空区面积从 6 5 至 1 0 9 9 6 m2 ， 体积 两方案外 ， 还可采用千式充填 、 低浓度全尾矿 从 2 3 1 3 m 3 至 1 0 2 0 7 5 m 。在 同一垂直面上有 充填和井下深孔崩矿 3 个方案。5个方案 的 的采空区重叠 ， 中间的顶柱 2 m至 8 m。 经济比较见表 1 。 3 不规 则空 区的坑 口 ， 一部分在 治理 整 表 1 空 区处理 方案经 济比较 表 注 ①表中的总成本 露天深孔崩矿和井下深孔崩矿为扣去蟊 } 天正常生产的成本后霈增加穿爆的成本 ， 其它 3 十方案总 成本包括增加的剥离成本 ； ③5 0 0 0 ] d 前坑总采出矿量为 2 5 0 6万 [ n 从表 1 看 出， 只有露天深孔崩矿法和高 浓度全尾砂胶 结充填 才能处理所有 的空区 包括规 则空 区和不规则 空 区 。但高浓度全 尾砂胶结充填投资大， 成本高， 对于栾川钼业 公司这样一个投资非常紧张、 矿石经济价值 又不很高的矿山而言， 采用高浓度全尾砂胶 结充填处理空区显然是不合适的。而其它 3 个方案却只能处理规则空区， 要处理不规则 空区尚需与露天深孔崩矿法或高浓度全尾砂 胶结充填相结合 ， 这样投资将会更大， 成本更 高， 工艺更复杂 。露天深孔崩矿法投资最省 、 成本最低 ， 经济指标明显优于其它方案。 虽然露天深孔崩矿法在国内大规模应用 尚属首次 ， 但 在前 苏联 和 加拿 大 已成功 地 采 用过 ； 在 国内的井下开采 中 ， 也 有成熟 的下 向 深孔崩矿 经验 。因此 ， 在技 术上是有把 握 的 维普资讯 有色矿山 2 0 0 0年 3安全顶柱厚度的确定 露天生产作业均 为大型设备 ， 安全顶柱 厚度必须首先保证设备和人员的安全。另一 方匾 ， 如果顶柱太厚 ， 将会增加处理难度和成 本。因此 ， 确定合理的安全顶柱厚度对露天 深孔崩矿是非常重要 的。 目前 ， 国内外 确定 空 区处 理所 需安 全 顶 柱厚度 的方法 主要有 以下几种 。 3 ． 1 K． B鲁别 涅依他 等人提 出的公 式 K． B鲁 别涅依他 等人 主要 考虑 到空 区 跨度及顶柱岩体特性 强度及构造破坏特征 对安全顶 柱厚 度 的影 响 ， 同时 也考虑 了台 阶 上作业设备的影响， 提出了安全顶柱厚度计 算公式如 下 hk [ 0 2 5 而。 ／ r 6 8 0 0 a b g j ／ 9 8 a b 1 式中 要求的安全顶柱厚度 ， m； 安全系数 ； r 顶板岩石体重 ， t ／ m3 ； 6 采空区跨度， m； 电铲及其它设备对顶板的压力 ， M Pa gG／ 2 b ， G 电铲或 设备 重量 ； 6 ， 电铲覆带宽度 ； 覆带长度 对本 区， 考虑 1台 电 铲 、 2台 汽 车 及 其 它 设 备 ， 取 g4 7 0 8 ] M Pf1 ； 弯 曲 条 件 下顶 板 强 度 极 限， M Pa db d 0k3 。名} 构削弱 系数 ， k 。 2 ～3 ； 3 强度系数 ， k 3 7 --1 0 ； 弯曲条件下岩 石 强 度 极 限， d I l3 7 ～1 0 ％d 。 ； 岩石单轴抗压强度。 计算考虑两种岩石 ①矽卡 岩 r3 ． 2 t ／ ， d 1 9 1 5 Mp a ， h 3 [ 1 5 4 x1 0 b 1 O ． 2 4 b 1 9 9 6 ． 1 9 2 ] ／ 5 1 ． 9 4 ， m； ②角闪岩 r3 2 t ／ ， 1 8 2 ． 1 6 Mp a ， h 3 [ 1 ． 6 3 1 0 一 b ／ 1 0 ． 2 4 b 1 8 8 6 ． 7 4 ] ／ 4 9 ． 1 ． m。 3 ． 2 B ． N波哥留波夫的公式 B． N波哥 留波夫 主要 考虑 了空 区跨 度 、 顶柱岩体特性 抗拉特性 及 台阶爆破动载荷 的影响， 提出了安全顶柱厚度的计算公式 hk [ ， 西 r b 1 6 a P ] ／ 8 d 2 式中h 、 k 、 r 、 b 、 d 意义同前 。 P r Hy k k k 。 其中 H 为梯段高度 ⋯ k ⋯ k k 分别 为 进行爆破时的梯段高度降低系数 ， 超钻系数 、 动力荷 载系数及矿 岩松散 系数 。 两种岩石的计算公式如下 ①矽 卡岩 h3 [ 3 ． 2 b √l 0 ． 5 4 b 1 6 4 7 2 ． 0 6 4 ] ／ 1 5 3 ． 2 ， m； ②角 闪岩 h3 x[ 3 ． 2 b ／ 1 0 ． 5 4 b 1 5 6 6 8 ． 6 7 5 ] I t 4 5 ． 7 ， m 除采用上述两个 公式外 ， 在研究 中还 考 虑 了下 面几种计算方 法 1 平板梁理论 假设顶柱是一个两端固 定的平板粱结构； 2 松散系数理论 这种理论认 为， 假设 空区发生塌陷 ， 只要顶柱厚度大于塌 陷岩石 填满空区所需高度就是安全的 ； 3 经验类比法 参考国外一些矿山所用 的安 全顶柱厚 度 ； 4 数值模拟法 将岩体假定为弹性均质 材料， 用两维有限单元法进行计算机模拟 。 通过计算和比较 ， 综合 以上几种方法可 以看出， 平板梁理论与数格模拟假设条件较 多， 公式 2 虽然考虑了爆破动载荷 的影响， 维普资讯 第 6期 廖 江南 三道庄矿区采空区处理研究 但未 考虑 岩 石结 构 的影 响 ， 而松 散 系数 理论 根本 未考虑 岩体 的特 征 ， 因此 ， 这些 公式 和方 法有较大 的片面性。而公式 1 考虑因素较 多， 尤其是考虑了节理裂隙对 岩体强度的影 响 ， 因此 ， 相 对 来 说 ， 其 值 是 较 符 合 实 际 的 。 但 它未 考虑爆 破 动 载荷 的影 响 ， 未考 虑空 区 高度 的影 响 。综合 这 些公 式 和 方法 ， 本 次 对 安全顶柱厚度的确定以公式 1 为基础， 以其 它方法补 充校 正。这样得 出的结 论是 比较 完 整与安全的。综合大量计算 、 统计与 比较 ， 三 道庄矿区露天 5 o 0 0 t ／ d前期露天境界 内 5 8 个空区， 进行露天 台阶深孔作业时所需 的安 全 顶柱 厚度 在 2 9 ～2 3 m 变化 4 露天深孔崩落法 应用露天深孔崩落法处理各种不同顶柱 厚度和不同特点 的空区 根据分析计算确定 的前期露天境界 内各空 区安全顶柱厚度为 2 ． 9 --2 3 m。为 减 少空 区处 理 对露 天生 产 的 影 响 ， 空 区处 理 的穿爆 作业 必 须与 生产 台 阶 推进紧密结合 。因此 ， 采用的实际顶柱厚度 为空区顶板至大于安全顶柱厚度的第一个 台 阶的高度。这样计算的实际顶柱厚度为 4 2 7 m。根据不 同的实际顶柱厚度， 不 同的空 区特点 ， 需采 用不 同的处 理方法 。 4 ． 1不规则 空 区的处理 对不规则 空 区 的处 理 可分 为 3类 第 一 类是顶柱厚度小于和等于 1 4 m 的处理方法 ； 第二类是顶柱厚度大于 1 4 m 的处理方法； 第 三类是重叠空 区 重叠空区的下面空 区顶柱 厚度小 于安全顶 柱厚度 的处理 方法 。 1 顶 柱 厚 度 小 于 等 于 1 4 m 的处 理 方 法 开采台阶高度 1 2 m， 钻孔超深 1 5 m， 钻孔 总深为 1 3 ． 5 m， 因 此空 区处理 可 以和 台 阶生 产爆破同时进行 ， 爆破参数和正常台阶生产 完全相同 见图 1 。爆破后矿石 自然填满下 面空区， 不增加穿爆成本 2 顶 柱厚 度 大 于 1 4 m 的 处理 方 法 由 于正 常生产 台阶穿孔深度 为 1 3 5 m， 当 顶 柱 围 1 丽 柱处 理 方法 1 厚 度大于 1 4 m 时 ， 若仍 采用上 述小于 1 4 m 的 处理 方法 ， 1 4 m 以下 的岩体 难 以炸 开 ， 因此 ， 需采用 V C R法拉 槽的方法 ， 创造新 的临空 面 ， 再 布置侧 向爆破 深孔 见图 2 。 I I v 法拉槽孔 铲 ] Ⅱ 围 2 顶 柱 处理 方 法 2 3 重叠空区的处理方法 5 0 0 0 t ／ d前期 坑内重叠空区共有 4处， 根据其重叠情况 ， 采 用两种处理 方法 ， 一种是 露天深孔处 理 方法 ， 此方法适 用于 上面 空 区小 于下 面空 区 ， 采 用 露天深孔将重叠顶柱周 围岩体炸掉 ， 让其顶 柱 自然落 人下面空 区 见 图 3 。这 类 空 区共 有两处 ， 重 叠 面积 5 0 0 。第 二 种 是 空 区 内 浅眼处理方法， 此方法适用于上 面空 区大于 下面空区， 重叠顶柱必须采用人工进行 空 区 囤 3 顶 柱 处理 方 法 3 浅眼爆破处理 ， 先将重叠顶柱崩落 见图 4 。 此类 空区亦有 两处 ， 重叠 面积 1 9 3 m2 。 维普资讯 有色矿山 2 0 0 0年 图 4 顶 柱 处理 方法 4 4 ． 2规则 空区的处理 规则空 区 的处理 为 两类 ， 一类 为不 重 叠 空区 ， 二类 是 与上部 不规则 空 区重叠 的空 区 。 1 不重叠空区的处理方法 规则空区实 际顶柱 厚 度 为 l 3～2 5 m， 绝 大部 分 为 2 0～ 2 5 m， 基本上相当于两个台阶 2 4 m 的高度 ， 处理方法是每个盘医的第一个矿房 由台阶 推进方向算起 采用 V C R法拉槽 ； 盘 区的其 它地方采用侧 向爆破 见图 5 ， 爆破后的矿 石自然落人矿房中。 r I I - ． I I 图 5 顶 柱 处理 方 法 5 2 与上部不 规则空 区重叠 的处 理方法 规划 空 区 与 上 部 不 规 则 空 区 重 叠 面 积 为 8 9 5 0 m2 ，顶 柱 厚 度 2～8 m， 处 理方 法是 利用 规则空区上部 的回风巷道， 在重叠的顶柱 中 打水平扇形深孔 见 图 6 ， 先将重叠顶 柱崩 落 ； 上部不规则空区的顶柱仍采用露天深孔 爆破 ， 崩落的矿石 自然落人规则空 区内。 图 6顶柱 处 理 方法 6 5结束语 1 通过上述 分析和论证 可 以看 出， 虽然 国内过去大都采用充填或井下深孔爆破处理 露天境界内的空区， 但露天深孔爆破崩矿处 理露天开采 范围内的地下空 区是一 种投 资 省 、 成本低， 效率高的方法。 2 把 国内外 的 V C R法技术用 于露 天 处理地下空 区是一种新 的偿试 ， 它在空 区中 央形成 自由面， 有利于地下空区的填满。 3 在三道庄矿 区的矿岩 条件下 ， 通过 大 量的岩石力学资料论证 ， 确定 的安全顶柱厚 度为 2 ． 9 ～2 3 m是完全可 以保证生 产安全 的； 目前三道庄矿的不规划空 区大部分 已经 处理 。实践证 明， 计算的安全顶柱是安全可 靠的； 采用 的工艺是经济合理的。 上接第 5 5 页 美 国采矿业在涌人第三世界的潮流中已 成为提供技术人才、 专家和投资的世界先导 之一， 同时在本国的生产矿 山不断进行工作 提高 了效率 ， 延长了矿山寿命。 唐健 - g 引 1 广 幸 维普资讯