房柱交替上升式充填采矿法及其工业应用.pdf

分类号 UDC 密级 编号 十I 初大学 C E N T RA I ．S o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 论文题目．⋯⋯房撬襄叠上盘式壅填采矿法⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯一墨熹王些麈．恩⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 学科、专业⋯⋯⋯⋯⋯⋯采矿王猩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 研究生姓名⋯⋯⋯⋯⋯⋯．声篮华⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯一起国彦⋯．熬撬⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 分类号⋯⋯⋯⋯⋯一一 U D C ．一⋯⋯⋯⋯⋯． 硕士学位论文 ⋯嗍 密级⋯⋯⋯⋯⋯一二．’ 房柱交替上升式充填采矿法及其工业应用 A l t e m a t eR o o m - a n d - - p i l l a rM i n i n gw i t hA s c e n d i n g B a c k f i l lM e t h o da n di t sI n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n 作者姓 学科、专 学院 系、 指导老 论文答辩日期 名卢俊华 业采矿工程 所 资源与安全工程学院 师赵国彦教授 7 ／o l Z ，S ．力 答辩委员会主 中南大学 2 0 1 2 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名兰互丝维 日期也年上月鱼日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名雄 导师签迎年上月丘日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 厚大破碎高价值矿体的安全、高效回采一直是一个技术难题。论 文以三山岛金矿厚大破碎矿体开采为研究对象，通过理论力学分析、 数值模拟、方案设计、现场工业试验等手段，研究了厚大破碎矿体的 开采方法，取得了如下成果 第一，提出了房柱交替上升式充填采矿法。该方法将矿块划分为 交错布置的矿房、矿柱，多个房柱采场构成一个盘区；房柱交替向上 回采，实现“护顶”功能互换。该方法降低了二步回采悬挂高度，改 善了二步采场应力环境，提高了回采安全系数； 第二，通过理论力学分析，建立了计算房柱交替上升步长的平面 力学模型，完善了新型采矿工艺系统；并将模型应用到三山岛金矿实 际矿体，计算出最佳房柱交替上升步长为11 ．5 m ； 第三，利用A N S Y S 有限元软件对计算的房柱交替上升步长进行 验证，采场稳定性较好，为回采工作创造了较好的工作条件； 第四，现场工业试验技术经济分析表明该采矿方法大大改进了矿 山现有点柱法的不足，为企业创造了较好的直接经济效益，是一种安 全性高、资源损失率小、效率高、生产能力大的绿色采矿方法，为厚 大破碎高价值矿体提供了一种切实可行的采矿方法，具有较大的实际 意义。 关键词厚大破碎高价值矿，房柱交替上升式充填采矿法，交替上升 步长，工业试验，数值模拟，绿色采矿方法 A B S T R A C T As a f ea n de f f i c i e n tm i n i n gm e t h o df o rt h i c k ，b r o k e no r e b o d yw i t h h i g hv a l u eh a sa l w a y sb e e n at e c h n i c a lp r o b l e m ．N e wm i n i n gm e t h o df o r s u c hk i n do fd e p o s i ti nS a n s h a n d a oG o l dM i n ew a ss t u d i e di nd e t i a li n t h i sp a p e r , u s i n gt h ec o m p r e h e n s i v er e s e r c h i n gm e a n ss u c ha st h e o r e t i c a l m e c h a n i c sa n s l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s c h e m a t i cd e s i g na n df i e l d i n d u s t r i a lt e s t ．T h ec o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s F i r s t l y , t h ea l t e m a t er o o m ．．a n d - p i l l a rm i n i n gw i t ha s c e n d i n gb a c k f i l l m e t h o di Sp r o p o s e d ．w h i c hd e v i d e st h ed e p o s i ti n t os e v e r a lr o o m sa n d p i l l a r sb e i n ga l t e m a t e l ya r r a n g e di no n ep a n e l ．A n dt h er o o ma n dp i l l a r s t o p e sa r em i n e da l t e r n a t e l ya n da s c e n d i n g l y , r e a l i z i n gt h ee x c h a n g eo f t h ef u n c t i o no fp r o t e c t i n gt h er o o f ．T h em e t h o dr e d u c e st h eh e i g h to ft h e s e c o n ds t e ps t o p e ，i m p r o v i n gt h es t r e s sc o n d i t i o n sa n ds e c u r i t yo ft h e s e c o n ds t e pm i n i n g ． S e c o n d l y , t h ep l a n em e c h a n i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i n gt h e v a r i a l b e s t e pl e n g t hi s e s t a b l i s h e db ym e a n so ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c a la n s l y s i s ， w h i c hm a k e st h es y s t e mo ft h en e wm i n i n gt e c h n o l o g ym o r ep e r f e c t ． T h e nt h em o d e li Su s e dt ot h eS a n s h a n d a oG o l dM i n ea n dt h eo p t i m u m v a r i a l b es t e pl e n g t hi sc a l c u l a t e do u tt ob e11 ．5 m ． T h i r d l y , t h ev a r i a l b es t e pl e n g t hi sp r o v e d t ob es a f eb yt h ei n d e xo f t h es a t b i l i t yo fs t o p e s ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ，w h i c h p r o v i d e sag o o dw o r k i n g c o n d i t i o nf o rm i n i n g ． F i n a l l y , t h et e c h n i c a le c o n o m ya n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h e m e t h o d d e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a sg r e a t d i r e c te c o n o m i cb e n e f i t ．A n dt h e c o n c l u s i o nC a nb ed r a w e dt h a tt h ea l t e m a t er o o m a n d - p i l l a rm i n i n gw i t h a s c e n d i n gb a c k f i l lm e t h o di s ag r e e nm i n i n gt e c h n o l o g yw i t ht h es t r o n g p o i n t ss u c ha sh i g hs e c u r i t y , l o wl o s sr a t i o ，h i g he f f i c i e n c y a n dl a r g e p r o d u c t i o nc a p a c i t y ．A n dw h a t ’S m o r ei m p o r t a n ti st h a tt h en e wm i n i n g t e c h n o l o g yi sp r o v e dt ob ea f e a s i b l em e t h o df o rs u c ht y p eo fd e p o s i t s w i t ht h em i n i n gc o n d i t i o n so ft h i c k ，b r o k e no r e b o d ya n dh i g hv a l u e ． 中南大学硕士学位论文 A B S T I 认C T K E YW O R D St h i c k ，b r o k e no r e b o d yw i t hh i g hv a l u e ，a l t e m a t e r o o m a n d - p i l l a rm i n i n gw i t ha s c e n d i n gb a c k f i l lm e t h o d ，v a r i a l b es t e p l e n g t h ，i n d u s t r i a le x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g r e e nm i n i n gm e t h o d 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 金属矿采矿工艺研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 极厚大破碎高价值矿开采技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 房柱式分层充填采矿法技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 课题研究意义、内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 课题研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 - 3 ．2 课题研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．3 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第二章房柱交替上升式充填采矿法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 房柱交替上升式充填采矿法实质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 房柱交替上升式充填采矿法回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．1 结构要素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．2 回采工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．3 回采顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 房柱时空变换步长理论计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．1 充填体与岩体作用力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．3 ．2 理论模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．3 理论分析计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 房柱交替上升式充填采矿法评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．4 ．1 房柱交替上升式充填采矿法优点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．4 ．2 房柱交替上升式充填采矿法适用范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．14 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 第三章房柱交替上升式充填采矿法工业应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．1 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 区域地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．1 ．2 矿体赋存特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 3 ．1 ．3 采矿方法应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 ．4 深部采场开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．1 ．5 矿山现有机械化设备概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 I V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 现场工业试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 试验采场选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．2 设计开采方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．3 采场结构布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．4 采场采切设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．5 采场回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．6 采场回采顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．7 采场劳动组织及作业⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 技术经济分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．3 ．1 工业试验测试数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．3 ．2 采矿直接成本分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 ．3 技术经济指标与效益⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．4 降低贫化损失方法与途径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 第四章房柱交替上升式开采采场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．1 房柱交替上升式开采试验采场二步矿房安全性验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．1 不同安全系数情况下安全性验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．1 ．2 不同铲运机重量情况下B 与H 的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．1 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．2 房柱交替上升采矿工艺采场稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．2 ．1 有限单元法模拟软件⋯．A N S Y S 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．2 ．2 岩体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．2 ．3 地应力参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．2 ．4 采场围岩强度准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．2 ．5 计算模型及方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．2 ．6 数值模拟计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．2 ．7 计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．1 论文取得的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 V 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．1 课题来源 第一章绪论 矿产资源是人类社会的宝贵财富，是人类社会赖以生存和发展不可缺少的物 质基础，它既是人们生活资料的重要来源，又是极其重要的社会生产资料，当今 社会9 5 ％的能源和8 0 ％以上的工业原料都来自于矿产资源【l 划。对于处于急速工 业化建设的中国而言，每年的基础设施建设都要消耗大量的矿产资源，这就要求 矿山企业，特别是拥有厚大矿体的企业，在确保回采安全的前提下，要不断提高 自身的生产能力，保证国家的经济快速增长。 岩金矿1 7 罐1 为贵金属矿产，对于这类高价值矿床，矿石损失与贫化是评价矿 床开采的主要指标，对提高地质资源利用率、延长矿山寿命及提高企业经济效益 关系重大。而厚大破碎高价值矿体的安全、高效回采一直是一个技术难题。在高 价值矿山开采过程中，崩落法应用较少，空场法应用较广，而充填法自2 0 世纪 6 0 年代末期使用以来，所占比例已由2 0 世纪8 0 年代末期的3 5 ％，提高到现在 的4 0 ％以上，并有进一步提高的趋势【9 。引。充填采矿工艺也由最初的干式或削壁 充填，发展到8 0 年代的尾砂与胶结充填，现在已形成种类齐全、方案多样的回 采工艺，为我国贵金属工业发展起到重要作用。 充填采矿技术【1 4 - 2 2 1 在厚大破碎高价值矿山的应用进展很快，其主要体现在以 下几个方面 1 充填采矿法的采切和回采作业基本实现了全部机械化作业，主 要表现包括电动铲运机、凿岩台车、锚杆台车、电动卡车等无轨设备代替电耙及 风动装运机、气腿式凿岩机等低效率设备，大大提高了矿山劳动者的劳动生产率， 目前己达到4 0 ～5 0 t ／工班。 2 充填工艺日益完善，由干式充填发展到水砂充填、 胶结充填及膏体充填，简化了充填料的加工和制备，提高了充填作业机械化和自 动化程度，从而提升了充填能力和效率，可进一步满足采矿生产高强度的要求， 赋予充填采矿法更大的生命力和更强的竞争能力。 但现有的充填采矿法大多是二步骤回采1 2 3 - 2 4 】，即将矿块划分为矿房和矿柱， 先一次性回采矿房，后回采矿柱，致使矿柱回采时采场稳定性大大降低，存在较 大的安全隐患，加大了回采难度，并增大了贫化率。特别是当矿体及围岩较破碎 时，这种问题更加突出。 总结国内外厚大破碎高价值矿体的开采经验，研究充填采矿工艺的发展进 程，通过力学及数值模拟手段，确定一种安全性高、连续性强、资源损失率小、 机械化程度高、劳动强度低、效率高、生产能力大的绿色回采方法，从而为该类 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 型矿山提供一种切实可行的采矿方法，具有较大的实际意义。 本文正是基于以上思想，提出了房柱交替上升式充填采矿法，在进行理论实 质叙述的基础上，结合三山岛金矿实际试验研究，并通过理论力学分析和数值模 拟，证明了此方法的实用性。 1 ．2 ’金属矿采矿工艺研究现状 1 ．2 ．1 极厚大破碎高价值矿开采技术研究现状 纵观国内外地下高价值破碎复杂矿体采矿工艺[ 2 5 - 2 9 】，由于充填采矿法具有矿 石损失率低的特点，特别适合于开采复杂开采条件下的高价值矿体，是高价值破 碎等复杂开采条件矿山的首选采矿方法。 随着科学技术的进一步快速发展，特别是大型机械的引进，充填采矿法实现 了采场高度机械化回采与充填，在保证充填体强度的同时，大大缩短了单个采场 的回采周期，改变了原来生产能力小、效率低、劳动强度大的弱点，逐渐成为高 产、效率高和劳动强度低的新型采矿工型3 0 。郇。目前充填采矿法已形成了单层 充填、分层充填、分段充填和阶段充填的完整体系。针对不同的开采条件、工艺 技术及设备情况，选用对应的充填采矿方法，对保障回采安全和降低矿体损失贫 化具有重要意义。 当采用充填采矿法回采高价值复杂破碎矿体时，应考虑的主要问题是回采过 程中采场的安全性，即考虑矿岩的稳固程度、顶板和两帮岩石的暴露面积和暴露 时间、矿岩对作业人员与设备的安全的威胁、矿岩的自稳、充填体的强度和稳定 性。正是由于以上安全因素的存在，目前应用的充填采矿法主要集中在上向水平 分层充填采矿法、上向进路充填采矿法两种形式，以及由这两种方法演变出来的 多种采矿工艺上。下面介绍常见的三种采矿工艺。 1 上向水平分层充填采矿法 上向水平分层充填采矿法[ 3 6 - 3 9 l 具有以下优点采准、切割工程量少；空顶高 度较小，两帮容易维护，安全性较高；较易控制回采边界，适用性较强；可以进 行选别回采，容易控制采矿贫化损失率等，在不同开采条件的矿山中都得到应用。 上向水平分层充填采矿法自下而上分层回采，采出矿石即进行充填工作，以 支撑采空区两帮以及作为下一分层回采的工作平台。该方法为采场内循环作业， 凿岩、爆破、通风、撬毛及支护、出矿、充填构成一个循环。采完一分层后，继 续下一分层的回采工作。整个回采过程中，采场作业空间在人视力与支护范围内， 能有效保证工作人员及设备的安全性。该方法适应于开采矿石稳固、围岩不稳固 的倾斜、急倾斜矿体，也适应赋存条件复杂，变化大的矿体。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 上向水平分层充填采矿法在瑞典、美国、加拿大、澳大利亚等国被广泛用于 开采矿石极稳固、围岩较松散的急倾斜薄和中厚矿体。在加拿大，每年用充填法 开采的矿石量占地下开采总量的3 5 ％“ 4 0 ％，其中8 7 ％是用各种不同形式的分层 充填法回采的。在日本约有4 3 ％的有色金属矿山采用分层充填法开采，对于赋存 条件较复杂的矿体，主要采用机械化上向分层充填采矿法进行回采。统计中瑞典 的4 5 个矿山中，有近乎一半的矿山采用分层充填法回采。但上向水平分层充填 采矿法存在如下不足 1 矿房矿柱采用两步骤回采，留下的大量矿柱存在时间滞后，加大矿柱回 采难度，造成矿石的贫化与损失； 2 顶板管理复杂，护项工作量大。充填采矿法由于整个工作空间都在视野 范围内，松石浮石易于处理，其本身安全性较易控制。但由于充填采矿法顶板暴 露面积大，暴露时间长，因而冒顶事故时有发生，且占据矿山全部事故的1 ／3 。 因此，充填法的顶板管理是非常重要的，爆破后要先进行顶板检查、撬毛及必要 的支护工作后再进行后续作业。 3 采场生产能力低、回采强度小。对于机械化程度较低的矿山，充填法由 于回采及充填时间相对较长，影响了生产组织与循环工作，难以有效地提高采场 生产能力，增加采场的回采强度。因此出现了较多的改进工艺。 此外，由于充填体强度等原因，出矿过程中矿石容易混入充填料，从而导致 矿石的二次贫化与损失，个别情况下，这种二次贫损还比较大。 2 免压拱无问柱连续回采上向水平分层充填采矿法 开采顺序是控制矿区稳定和微震活动性的关键【4 ㈦2 1 。 采场推进时保持“v ”字形断面具有显著的优势，即有利于邻近采场前沿支 撑区域应力的规则分布。随着前段的推进，应力支撑区逐渐增加并趋于均匀，位 于其后的采场围岩则趋于相对均匀。如图1 ．1 所示。 ／ 蓼 ＼ 驴二形断面推il ／＼ ／ ／ 饕≤蕙缓蕊蕊 ＼ ／＼ 荔缓荔≤≤≤缓蓬≤蕊荔荔篱 图1 - 1“V ”字形断面开采模型 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 ．2 所示为“品”字型开采模型，即免压拱采矿模型。 图1 2免压拱无间柱连续回采上向水平分层充填采矿法 盘区采准由斜坡道、下盘脉外分段平巷和集中出矿溜井组成。沿矿体走向， 在下盘布置分段运输平巷，通过脉外出矿横巷与主斜坡道相通。另外，通过联络 道将分段运输平巷分别与采场和中段集中出矿溜井连接，组成盘区脉外无轨采准 系统。 免压拱无间柱连续回采上向水平分层充填采矿法沿矿体走向划分盘区，盘区 内垂直矿体走向布置8 ～1 2 个采场。每和6 个采场为～个采场群，盘区内共两组 采场群。如图1 ．2 所示，每个采场群中，采场编号①为纯一步采，采场编号②、 ③为介于一步采与二步采之间，采场编号④为二步采。回采时，采场群有3 ～5 个采场同时向上推进，在空间上呈“品”字形，形成免压拱，即实现免压拱内矿 体的连续回采。 免压拱无问柱连续回采上向水平分层充填采矿法具有以下特征【4 3 书1 1 其技术经济指标先进，作业安全，经济和社会效益显著，大大降低了发 生大面积顶板下落及安全事故概率，满足矿山高强度开采需要。 2 引进成套无轨采矿设备，机械化程度较高，采矿技术先进，用脉外无轨 采准系统，盘区内多个采场实现凿岩爆破、出矿、运矿、支护、充填机械化连续 作业，技术装备、工艺方面达到国际先进水平，在国内同类矿山中，其主要技术 经济指标也处于领先地位。 3 盘区内三个连续矿房在空间上呈品字型布置，同时向上回采，改善了采 场项板的应力状况，提高了作业的安全性；同时增加了盘区内同时回采的采场数 量，提高了矿块回采强度，增加了采场生产能力。 4 但该采矿方法依然存在着脉外采准工程量大、人工装药效率低、劳动强 度大等不足，有待于进一步采取优化措施。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 进路式充填采矿法 目前应用较广的主要是上向进路式充填采矿法和下向进路式充填采矿法 [ 4 6 - 4 8 1 。下向进路式充填采矿法适合开采矿岩极破碎的难采矿体，成本较高，一般 是在其他方法都不能开采的条件下应用，应用矿山不多。下面主要介绍上向进路 式充填采矿法。 上向进路式充填采矿法是基于分层充填采矿法改进的，该法用于开采矿岩较 破碎、稳固性更差的矿体。该方法的主要特征是，矿块中划分分层，然后按一定 顺序划分进路，用巷道掘进的工艺逐条回采进路，采完后即进行接顶充填，直到 该分层回采结束，然后转向回采上或者下一分层，直至回采完整个矿块。上向进 路充填采矿法的主要优点是，矿体的安全性好，其次是灵活多变，适用于几乎所 有产状与开采技术条件的矿体。 上向进路充填采矿法进路的布置形式是，当矿体较厚大时，即矿体厚度大于 2 0 m 时，垂直矿体走向布置进路；当矿体厚度小于2 0 m 时，则沿矿体走向布置 进路。采场长度依据所选用的出矿设备而定，主要有电耙出矿方式和铲运机出矿 方式。回采方式有隔一采一的方式和逐条连续回采方式。进路的充填是采用尾砂 胶结充填方式，一般分2 ～3 次充填，确保进路充填接顶。 采用上向进路充填采矿法，主要存在以下不足 1 采场生产能力小。上向进路充填采矿法，每条进路都是以掘进式前进回 采，每条进路内凿岩、装药、爆破、支护、出矿、充填循环进行。但由于要接顶 充填，要吊装充填管，安装充填脱水井，构筑充填隔离墙，进行分次充填、多点 下料等特别措施，导致作业环节多，循环时间长，管理复杂，特别是各进路之间 的相互干扰，因而导致采场生产能力低，回采强度小。 2 充填接顶难度大，管理复杂[ 4 9 - 5 2 】。上向进路充填采矿法中为减小采场暴 露面积，通常要求在进路结束后即进行接顶充填，但充填料中的多余水分都会充 斥进路，增加清理难度，并且很难保证进路充填接顶率，给回采的安全性带来不 利影响。 总之，无论是上向分层充填采矿法，包括其改进后演变的采矿工艺，还是进 路式充填采矿法均存在着采场作业循环频繁、采场生产能力小、难以实现高效采 矿的弊病。为提高采场的生产能力和出矿强度，有必要把分段或阶段空场采矿法 生产能力大、效率高的技术特点与工艺引入充填采矿法中，另外再将现代地压控 制技术、混凝土技术中的新成果、新工艺与矿山充填采矿法相结合，从而形成大 矿房分段崩矿、集中出矿及减少循环次数的新特点，确保矿体的高效高强度安全 回采。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 ．2 房柱式分层充填采矿法技术现状 房柱式上向分层充填采矿法【5 3 巧4 1 能较好适应矿体赋存条件变化，是一种贫损 率低、作业安全性好的绿色采矿方法，被越来越多的矿山用来回采厚大矿体。但 其矿柱回采时普遍存在着采场冒顶频繁，支护手段缺失，采场回采难度大和安全 事故频发的问题，严重影响矿山生产与开采进度，大大增加了资源损失率，特别 不利于矿山安全生产。存在的主要问题分析如下 1 由于该采矿方法是二步骤回采，即先回采矿房，后回采矿柱。在回采矿 房时，爆破工作对矿柱造成损伤，导致矿柱岩体结构发生破坏，稳固性降低，矿 柱的回采难度大大增加； 2 长条状 厚大 且处于充填体包围的孤立矿柱，当按自下而上的顺序回 采时，在底部揭露后，完全依靠两侧充填体粘结力、矿柱岩体自身拉应力和上下 盘岩石悬臂梁的共同作用支承，当矿柱悬吊高度过大，岩体抗拉强度不足以克服 其自重应力时，有可能导致矿柱整体下沉或大面积脱落，造成重大安全事故； 3 考虑回采时间的影响，当孤立矿柱长期处于悬顶状态时，岩体的节理裂 隙发育程度增加，矿柱由局部不稳固演变成整体不稳固，事故发生概率增高，导 致安全成本增加。 1 ．3 课题研究意义、内容及技术路线 1 ．3 ．1 课题研究意义 对于厚大高价值矿体而言，在确保回采安全的前提下，较高的生产能力成为 企业追求的重要目标。但当矿体及上下盘围岩赋存条件复杂，包括节理发育，矿 岩破碎程度高，采场稳定性差等，对开采工作提出较大的挑战。对于这类回采难 度较大的矿体，在回采过程中，采场及切割巷道容易发生片帮、冒顶及塌方等危 险源，因此选择和确定一种行之有效的采矿方法成为该类采矿生产的主要问题。 本文所提出的新型采矿方法就是针对此类矿山的一种安全性高、连续性强、 资源损失率小、机械化程度高、劳动强度低、效率高、生产能力大的采矿方法。 山东黄金集团成立于1 9 9 6 年，是山东省政府直属的国有大型企业。其旗下 三山岛金矿是主要产金地之一，目前已开采至．6 0 0 m 。矿床具有规模巨大、矿化 连续、矿体形态简单、矿石品位高等特点。随着回采深度的不断加深，地压越来 越大，岩石较浅部破碎；岩石节理、裂隙发育，产状不一，相互交错，导致采场 顶板及两帮稳定性较差，这些深部开采因素严重制约着矿山经济效益。 通过在三山岛金矿5 5 3 矿体的现场工业试验研究，表明房柱交替上升式充 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 填采矿法是一种技术上可行、经济上合理、安全可靠的绿色采矿方法，同时也为 该类型矿山提供一种切实可行的采矿方法。 1 ．3 ．2 课题研究内容 1 房柱交替上升式充填采矿法理论研究。 2 建立房柱交替上升高度理论计算平面模型。 3 房柱交替上升式充填采矿法在三山岛金矿深部开采中的工业试验研究。 4 利用理论计算及三维模拟进行房柱交替上升空间稳定性验证。 1 ．3 ．3 研究技术路线 论文技术路线见图1 - 3 。 AAA f ，一一一一一一一一、，，一一一一一一一一一、、，，一一一一一一一一、t f ’，、 ， t 现状、地现场工业．I 技术经济 质调查 试验 分析 、．．．．．，．．⋯．．一，、⋯．．⋯．．一， 、⋯．．．，．，．．．．．．， 们 ■毯盥剖镒溢戳溢溢酱 图1 3 论文技术路线图 中南大学硕士学位论文第二章房柱交替上升式充填采矿法简介 2 ．2 房柱交替上升式充填采矿法回采工艺 房柱交替上升式采矿工艺具有提高回采安全性、降低资源贫损率、减少支护 成本、增加企业效益等显著特点。 2 ．2 ．1 结构要素 将矿体沿走向划分为间隔布置的矿房、矿柱，以6 8 个房柱采场组成一个盘 区，以盘区为单位组织生产；矿体中段高5 0 m ，分段高l O ～1 5 m ，3 ～4 个分层为 一分段，分层高2 ．5 ～3 ．5 m ；盘区内3 ～4 个矿房或3 ～4 个矿柱同时回采，无轨设 备交替平行作业。 盘区采用脉外无轨采准方式，由斜坡道、脉外分段平巷、分层联络巷和脉外 集中出矿溜井构成，主要结构采切布置如下沿矿体走向下盘边界布置分段平巷， 各分段平巷通过联络巷与脉外斜坡道相通；采场分层联络巷连接分层采场与分段 平巷；溜井联络巷与中段集中溜井相联。采场内采用凿岩台车打眼，铲运机出矿， 分段平巷、脉外溜井及分层联络巷组成出矿系统，矿石通过竖井提升至地表。 2 ．2 ．2 回采工作 盘区间隔布置的矿房矿柱采场，用机械化上向分层充填采矿法自下而上分层 回采，用凿岩台车打眼、铲运机出矿、锚杆台车支护，采一层，充填一层，且预 留1 ．6 - - , 2 ．O m 爆破补偿用空顶高度。 矿房回采时，正常情况下，采空区用水泥尾砂胶结充填，灰沙比1 8 ～1 1 2 ； 为保证采掘设备行走和减少矿石二次贫化损失，分层内用水泥尾砂充填浇面，浇 面层厚度0 ．3 ～0 ．5 m ，灰沙比1 4 l 6 ；矿房临时性停采后，当矿柱开采位置低于 矿房采高时，采空区用无胶凝剂的尾砂充填；当矿柱回采高度超过矿房采高后， 改用有胶凝剂的水泥尾砂胶结充填，其配比与矿房胶结充填配比相同。 对于第一分层，用掘进法回采并挑高至4 ．肛5 ．O m ，第一分层底层预筑混凝土 人工假底，钢筋直径西1 2 m m ，网度0 ．2 5 0 ．2 5 m ，强度为C 1 5 ，厚度0 ．5 m ，然后 视矿房矿柱采用胶结或非胶结充填，充填高度2 ．5 m ，最后充填浇面。 充填前应先充分做好构筑充填隔离墙，架设充填管等准备工作。 2 ．2 ．3 回采顺序 盘区中矿房矿柱交替回采，先采矿房，后采矿柱，矿房与矿柱护项功能互换。 9 中南大学硕士学位论文 第二章房柱交替上升式充填采矿法简介 盘区所有矿房同时向上回采，以3 ～6 个分层即1 0 ～1 5 m 为一个回采单元，矿房回 采1 0 ～1 5 m 后，用尾砂胶结充填并接顶，矿房临时性停采，改采矿柱；此时由于 矿房己充填接顶，能充当矿柱回采时的临时护顶“矿柱”，实现功能转换。盘区 矿柱采用与矿房相同的方法回采，回采高度达到2 个1 0 ～1 5 m 后充填接顶，然后 停采矿柱，转为继续回采矿房，此时矿柱充填接顶，可以继续发挥其护顶功能； 在矿柱回采高度达到矿房采高前，用尾砂非胶结充填；当采高超过后，改用水泥 尾砂胶结充填如此反复，矿房矿柱交替回采，直至整个矿块回采完毕。 2 ．3 房柱时