上向水平分层充填采矿法的优化研究.pdf

S e r i e s No ． 3 5 8 Ap r i l 2 0 0 6 金 氍 矽 山 ME T AL MI N E 总第3 5 8期 2 0 0 6 年第4期 采矿工程 上向水平分层充填采矿 法的优化研究冰 李兴尚 吴法春 许家林 1 ． 中国矿业大学； 2 ． 新桥矿业公司 摘要针对新桥硫铁矿上向水平分层江砂胶结充填采矿法存在的问题， 优化了采矿方法 ， 科学地设计 了胶 结充填体强度， 在试验基础上， 优化了充填材料及配合比。得出了满足安全生产条件的充填体强度 矿柱充填体单 轴抗压强度为2 ． 1 M P a ， 矿房浇面充填体 ， 1 ． 0 M P a ， 3 ． 0 M P a ； 达到了最佳充填材料配比 矿柱和矿房浇 面的充填体灰沙比分别为 1 7和 l 5 。研究成果已在新桥硫铁矿推广应用， 效果 良 好． 关键词 上向水平分层充填采矿法 充填材料配合比优化 Re s e a r c h o n Op t i mi z a t i o n o f F l a t Ba c k c u t a n d - F i l l S t o p i n g M e t h o d L i Xi n g s h a n g Wu F a c h u n Xu J i a l i n 1 、C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g T e c h n o l o g y ； 2 ．X i n q i a o Mi n i n g C o ． Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e p r o b l e ms e x i s t i n g i n t h e fl a t b a c k c u t a n d f i J l s t o p i n g me t h o d u s e d i n Xi n q i a o Mi n i n g Co ． ． t h e mi n i n g me t h o d w a s o p t i mi z e d a n d t h e s t r e n g t h o f c e me n t e d fi l l i n g b o d i e s d e s i g n e d i n a s c i e n t i fi c wa y ． O n t h e b a s i s o f e x p e ri me n t ．t h e fi l l i n g ma t e r i a l s a n d t h e p r o p o r t i o n i n g r a t i o w e r e o p t i mi z e d 、As a r e s u l t ，t h e s t r e n g t h o f t h e矗 l 1 ma s s t h a t c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f s a f e t y p r o d u c t i o n w a s a c h i e v e d ，t h a t i s ， t h e u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f p i l l a r fi l l ma s s i s 2 ． 1 Me a a n d t h e s t r e n g t h o ft h e r o o m p o u r i n g p l a t f o r m ， I 41 、 0 MP a a n d 2 8 3 ． 0 MP a ．T h e b e s t p r o p o r t i o n i n g o f 训 一 i n g ma t e ri a l s w a s a l s o r e a c h e d．wi t h t h e c e me n t s a n d r a t i o f o r p i l l a r a n d r o o m f i l l i n g b e i n g 1 7 a n d 1 5 r e s p e c t i v e l y ．T h e r e s e a r c h a c h i e v e me n t h a s b e e n w i d e l y a p p l i e d i n Xi n q i a o Mi n i n g C o ．w i t h g o o d r e s u l t s ． Ke y wo r d s F l a t b a c k c u t a n d f il l s t o p i n g me t h o d，F i l l i n g ma t e r i a l s ，P r o p o rt i o n i n g r a t i o，Op t i mi z a t i o n 新桥硫铁矿在安徽省铜陵市东郊新桥乡附近， 地处长江之滨， 水陆运输条件优越。矿区毗邻宁铜 铁路和合肥 一 黄山高速公路， 沿江快速通道从矿区 边缘穿过， 距长江码头 3 8 k m。另有铁路专用线和 公路直通矿区。该矿是一座以硫为主， 铜 、 金、 银、 铁 为辅的多产品综合利用、 露天与井下联合开采的矿 山。 新桥硫铁矿 1 9 9 1 年井下建成投产， 初步设计全 部采用点柱上向水平分层尾砂充填采矿法。随着矿 体的进一步揭露， 发现矿体与顶板问有厚度28 Ill 的层间破碎带， 极不稳定， 工人直接位于暴露的顶板 下作业非常不安全； 硫铁矿的品位较高， 矿山没有尾 矿产生， 导致充填料无法落实。因此， 矿山在 1 9 9 3 年变更 了采矿方法 ， 采用两 步回采 的分段嗣后江砂 胶结充填采矿法和不留点柱的上 向水平分层江砂胶 结充填采矿法。虽然采矿方法和充填工艺发生重大 变更， 但变更后的上向水平分层江砂胶结充填采矿 法的充填材料配合比及充填体合理强度没有进行相 应的研究， 导致上向水平分层采矿法的采矿成本过 高， 充填体质量不稳定， 给矿山的安全生产造成很大 的影响。为此， 我们针对上向水平分层江沙胶结充 填采矿法存在的问题， 优化了上向水平分层江砂胶 结充填法 ， 重新科学地设计了胶结充填体的强度， 并 优化了充填材料及配合比。 1 上向水平分层江砂胶结充填采矿法 1 ． 1 开采技术条件 矿床由8 0余个大小矿体组成， 共生的元素有 A u 、 A g 、 C u 、 S 、 F e 等， 已探明地质储量 1 ． 7亿 t ， 矿体 平均含 s 3 1 ． 2 ％， 含铜 0 ． 3 ％， 属高硫矿床， 有自燃 可能性。其中以1 号矿体为主， 其矿石量占总矿量 的 8 7 ％， 走 向长 2 5 6 2 i n ， 平均厚度 2 3 1 1 1 ， 赋存标高 一 6 8 0～1 4 0 In 。I 号主矿体是设计开采的主要对 象， 矿体底板为高骊组砂质页岩， 顶板为闪长岩、 栖 国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 6 ， 教育部新世纪优秀人才支持 计划资助项 目。 李兴 尚 1 9 7 0一 ， 男 ， 中国矿 业火学 能源 与安全 工程学 院岩层控制 实验室， 博士研究生， 2 2 1 0 0 8江苏省徐州市。 维普资讯 总第3 5 8期 砖 2 0 0 6年第4期 霞灰岩和船山灰岩。矿体呈似层状， 产状与地层产 状一致， 倾角上陡下缓， 上部约为4 5 。 ， 下部 l 0 。一 2 0 。 。矿床上部风化强烈， 矿岩疏松， 稳定性差， 一 2 0 0 m标高以下矿岩稳定性逐渐变好， 据 一 2 3 0 13 1 中 段工程揭露， 矿体直接顶板有 28 r fl 厚度的角砾 破碎带 ， 稳固性差。 1 ． 2 上向水平分层江砂胶结充填采矿法 将矿体划分 5 m和 8 m条带间隔回采， 用浅孔 落矿， 电耙出矿。矿房和矿柱均采用上向水平分层 江砂胶结充填采矿法 ， 其中先回采 8 m矿房 ， 采用 1 5 灰砂比胶结充填 ， 充填体作为第二步回采时的人 工矿柱 。后采 5 m矿柱 ， 采用 1 6灰砂 比胶结充填 。 阶段高5 0 rf l ， 分层高3 r fl 。矿块垂直走向布置， 长为 矿体水平厚度。采矿方法如图 1 。 擅 匿 l 图1 上向水平分层江砂胶结充填采矿法示意 1 充填孔1 2 一 充填巷道； 3 一回风道 4一 人行井 ； 5 一溜矿井； 6 一 穿脉 ； 7 一 运输巷道 采矿 ①采准切割。矿房矿柱采准切割方法完 全相同。从 一 2 3 0 m穿脉运输巷道掘通风人行井 和 溜矿井通达采场 ， 人行 井规格 1 ． 5 m， 溜矿井规格 为2 m 2 m。从 一 2 3 0 m中段的穿脉掘人行井和溜 矿井至矿体底板， 然后从人行井掘一条短巷与溜矿 井相通， 短巷的高度为2 m， 将拉底短巷扩大到矿房 或矿柱的边界， 形成拉底空间。从 一1 8 0 m中段的 充填平巷用钻机钻 咖1 0 0 m m充填孔至采场， 保证 通风。② 回采。在形成拉底空间后 ， 用 7 6 5 5型凿 岩机向上挑顶或压顶落矿进行 分层 回采， 沿矿体厚 度方向全断面推进。 充填 充填采用高浓度管道自流输送工艺， 管道 内径 1 0 0 m m， 充填倍线57 ， 砂浆质量浓度 7 0 ％。 江沙胶结充填设计能力为 6 0 m ／ h ， 实际生产时， 充 填能力可达 1 0 0 r n ／ h ， 砂浆浓度可达 7 5 ％， 满足生 产需求。 采场充填的准备工作主要包括采场设备的吊 搬， 充填管路的架设 ， 顺路溜矿井、 顺路人行泄水井 的混凝土浇注。采场充 填根据人行泄水井的位置 ， 2 ． 自 充填孔后退式充填采场。采场充填泄水采用塔式 溢流与周边岩石裂隙渗透排水相结合的方法。 1 ． 3 上向水平分层江砂胶结充填的问题 经过几年的生产实践， 证明上向水平分层江砂 胶结充填采矿方法在新桥硫铁矿的使用是成功的， 该采矿方法具有采准工作量少， 采矿灵活， 采矿贫化 损失小等诸多优点。但实际应用表明， 仍存在以下 问题。 1 成本太高。根据 1 9 9 8 年的调查， 新桥硫铁 矿的上向水平分层充填采矿法的直接采矿成本、 充 填成本分别比同类矿山高9元／ t 、 2 1 7 v_,／ t 。 2 江沙选择不合理， 充填体质量不稳定。 3 充填体强度设计及配合比不合理。该矿对 上向水平分层江砂胶结充填采矿法的充填体所需强 度没有进行过研究， 仅参照两步回采的分段空场嗣 后充填采矿法的人工矿柱充填体的强度， 取强度为 3 ． 5 M P a ， 灰沙比为 1 5 。由于两种充填采矿方法截 然不同， 上述取值显然不合理。 4 矿房胶结充填脱水困难， 充填体养护时间 长， 采场空间暴露时间长， 矿块采充生产周期长。回 采采场由于充填采场的积水侵蚀和充填水的渗透等 多种因素， 使人工充填矿柱和采场周边的矿岩的稳 固性降低， 增大了矿石在采场中永久损失和废石的 混入。 针对上述问题 ， 我们进行了如下优化研究工作。 2 上向水平分层充填采矿法的优化研究 2 ． 1 采矿方法的优化⋯ 针对新桥矿现有的上向水平分层江沙胶结充填 采矿法中的缺点， 根据该矿的矿床地质特征及开采 技术条件和多年的生产实践， 经过研究 ， 对其进行了 优化。 优化后的采矿法仍采用两步回采工艺， 将矿体 划分5 m和8 m条带间隔回采， 用浅孑 L 落矿， 用电耙 出矿 ， 其 中先回采 5 m矿柱 ， 采用江沙胶结充填 ， 充 填体作为第二步回采时的人工矿柱； 后采8 m矿房， 采用江沙水力非胶结充填， 用胶结充填体浇面作采 矿工作底板， 浇面厚度6 0 o m。阶段高5 0 r fl ， 分层高 5 r n 。采准切割、 凿岩、 爆破、 出矿工艺不变。 2 ． 2 胶结充填体的强度设计 1 矿柱充填体强度设计心 ] 。根据数力模型 法 的计算可知， 上向水平分层充填采矿法的矿柱 胶结充填体所需单轴抗压强度值为 2 ． 1 M P a 。 2 矿房浇面充填体强度设计。关于浇面充填 维普资讯 李兴尚等 上向水平分层充填采矿法的优化研究 2 0 0 6年第4期 体强度 ， 目前矿山 尚无统一设计 规程。我们参照条 件与新桥矿类似的矿山 ， 结合该矿多年的生产实 践， 运用经验类比法_ 5 选择矿房浇面充填体强度设 计值。考虑到新桥矿实际生产中， 凿岩通常于充填 结束后 1 4 d 左右进场作业， 采场出矿通常需 4周。 因此， 浇面充填体 1 4 d 和 2 8 d强度分别设计为 1 ． 0 MP a， 2 8 3． 0 MP a。 2 ． 3 充填材料及配合 比的优化 充填材料及配合比既是决定充填体强度的关键 指标 ， 又是影响充填成本 的主要 因素 j ， 合理 的充 填材料和配合比应该是以最低成本使胶结充填体满 足采矿工艺要求。为此需要解决两个主要问题 其 一 是采矿工艺所要求的最低强度值， 这是矿山胶结 充填体的强度设计致力解决的问题 ， 在上节 已进行 合理设计。其二是充填料配合的最高强度值， 这是 充填材料及配合比试验研究的 目的。 2 ． 3 ． 1 充填材料及配合比试验 江沙物理力学性质测定结果见表 1 。 表 1 充填骨料物理力学性质 密度 最大孔最小孔中值粒不均匀 渗透系数压缩系数 ／ g c n 1 ～ 隙比 隙比 干 至 ／ 【 『u 『 1系数 ／ c m s 一 ／ k P a 一 极细江砂 2 ． 8 6 1 ． 3 7 0 ． 3 1 0 ． 0 2 4 ． 9 1 ． 61 0 1 ． 7 5 细江砂2 ． 7 2 0 ． 9 8 0 ． 5 6 0 ． 2 8 1 ． 9 1 8l O。 。0 ． 7 9 影响江沙胶结充填体强度的主要因素有 3 个 灰砂 比 质量 比 、 充填体 的养护龄期和料浆浓度 。 本次试验针对细江沙和极细江沙分别测试龄期为7 d 、 1 4 d 、 2 8 d的单轴抗压强度值。根据该矿充填工 艺 ， 灰沙 比取 1 5 、 1 7 、 l 9等 3个位级 ， 浓度取 6 5 ％ 和7 0 ％ 2个位级。江砂胶结试块采用 1 5 o m x 1 5 c m X 1 5 c m 的金属试模 浇注试块 ， 试块总数为 2 2 种充填骨料X 3 每个龄期需3 块X 3 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 3个龄期 X 3 3种灰沙 比X 2 2种浓度 1 0 8块。对试 验试块 做单轴 抗压 强度室 内压力测 试 ， 测试结果如表 2 。 表 2 充填试块强度 分析以上数据， 可以发现 1 细江砂 不均匀 系数 为 1 ． 9 O， 平 均粒度 与 4 2 5 散装水泥的细度相差大， 浆体中水泥和江沙离 析现象严重， 不宜形成高强度的充填体， 不能作为水 泥胶结充填骨料。但其压缩系数小， 孔隙比也较小， 在外载荷作用下 ， 变形小； 同时其渗透系数较大， 采 场脱水快。因此细江砂是水力 非胶结充填优质骨 料。 2 极细江砂渗透系数为 1 ． 6 X 1 0 O l I L ／ S ， 渗 透性较好； 粒级级配较理想， 有利于水泥胶结充填体 强度的提高， 是理想的胶结充填骨料。 2 ． 3 ． 2 充填材料及配合比的优化 根据充填体强度设计值和充填材料及配合比试 验结果， 作如下优化。 矿柱 矿柱采用极细江沙作充填骨料， 4 2 5 水泥 为胶凝材料； 配合比为灰砂 比 1 7 ， 料浆浓度为 7 0 ％。配合比的试验表明极细江砂灰砂比为 1 7 ， 料浆浓 度 为 7 0 ％ 的 充填体 的 3 0 d强 度 为 2 ． 4 l M P a ， 大于矿柱充填体强度设计要求， 能够保证充填 质量 。 矿房i 二步骤矿房每个分层的水力江沙非胶结 充填选用细江沙作骨料； 分层浇面选择极细江沙作 为充填骨料， 4 2 5 水泥为胶凝材料， 灰砂比为 1 5 ， 料浆浓度为 7 0 ％以上的江沙胶结充填体 ， 其强度 14 1 ． 1 2 M P a ， 2 8 3 ． 1 MP a ， 满足设计要求。 2 ． 4评价 从 2 0 0 0年， 研究成果开始在矿山推广应用， 效 果良 好， 其技术经济指标与上向江沙胶结充填法相 比， 具有明显的优越性， 见表3 。 表 3 主要技术经济指标 从表 3可以看出 1 矿块生产能力提高。原因如下 分层高度 由3 m增加至 5 m； 改变了矿石的回采方式 ， 由原来 的一采一充改为二采一充。这样， 每个矿块回采完 毕时， 可减少3～5 个充填循环次数， 极大地提高了 采场的生产能力 ； 矿房采用水力江沙非胶结充填 ， 由 于料浆充入采场后， 颗粒沉降较快， 充填水可以随充 下转第 6页 3 维普资讯 总第 3 5 8期 垒 寓 莓 2 0 0 6年第4期 5 爆破网络连接 孑 L 间微差爆破的地表网络联接属于接力式捆联 起爆网络， 该网络是以延时导爆管雷管作为传爆元 件， 将网络顺序联接下去， 每经过一个联接点， 其后 联接的药包起爆时间就滞后一定时间， 整个网络的 药包按一定 的时差一组 个 一组 个 顺序起爆 。 接力式捆联起爆网络可以实现多段位延时起爆， 整 个爆破过程持续的时间比较长， 单爆药量可以按周 围环境的要求进行控制。地表网络联接如图 2所 不 0 I I I I I I I I I 6 6 0 5 9 5 5 3 0 4 6 5 4 0 0 4 4 2 4 8 4 5 2 6 5 6 8 图2 微差爆破地表网络联接示意 单位 m 我们选用的高精度导爆管雷管， 有孔内延期毫 秒导爆管雷管和地表延期导爆管雷管两种，在接力 起爆网络中， 地表延期雷管是在地表联接孔内导爆 管实现逐孑 L 起爆的毫秒导爆管起爆系统， 其延时规 格有 1 7 、 2 5 、 4 2 、 6 5和 1 0 0 1T I S 几种， 孔内通常使用相 同段别的长延时导爆管雷管。接力网络孑 L 内和孑 L 外 导爆管雷管可以按表 1 进行组合。 表 1 外导爆管雷管段别组合 孔外接 力导爆管雷管段别 2 3 4 5 孔内导爆管雷管段别 56 78 91 1 1 0 1 3 6结论 1 经过近几年应用孑 L 内孑 L 间微差爆破技术， 与排问微差爆破比较， 大块率降低 8 O ． 3 5 ％； 与孑 L 问 微差分层爆破比较， 炸药单耗降低 5 6 k g ／ 万 t ， 延米 爆破量提高 3 2 ． 7 6 Vm。 2 利用本成果可以有效降低兰尖矿采场爆破 震动的不利影响， 通过比较发现 与孑 L 间微差分层爆 破相比， 爆破震动降低 2 6 ． 6 6 ％； 与孔问微差深孑 L 爆 破相比， 爆破震动降低4 3 ． 8 5 ％。 3 应用本次研究成果可以较大提高穿孔、 铲 装设备、 运输设备的效率， 降低了综合采矿成本， 降 低了爆破振动对平硐溜井和高陡边坡的危害， 确保 了兰尖铁矿采场的安全正常生产。 收稿 日期2 0 0 6 -02 - 0 9 n 卜 ‘ 卜 一 ． ． ． ． ” ” n n ” - , - - I - 一 ． ． ” ” n n n - - ” ” - n n n - 一 十 - - ” - - ” ” 上接第 3页 随脱， 脱水效果好， 充填无需因采场集水而限制充填 量和充填时间， 缩短了矿块采充的周期。 2 采矿损失、 贫化指标降低。主要原因有两 个 高分层作业方式、 充填体质量提高。高分层回采 减少了崩落矿石与充填体底板的接触机会， 这对降 低采矿损失和贫化指标极为有利； 由于充填材料及 配合比设计合理， 使充填体质量稳定， 减少了因充填 体强度低， 充填体跨落而造成的损失和贫化。 3 充填成本大幅度下降。导致充填成本下降 的根本原因是水泥用量的减少。矿柱胶结充填料浆 灰砂比从 l 5降低为 1 7 ， 每立方米胶结充填体水 泥用量下降0 ． 1 6 t ； 矿房采用非胶结江沙水力充填 使水泥用量大幅度减少。 4 水平上向分层充填法的充填成本占矿石成 本的3 5 ％， 仍然偏高， 其原因是充填江沙成本较高。 3 结论 1 上向分层充填法的分层合理高度为 5 m； 先 采 5 m矿柱， 后采 8 m矿房的回采工艺合理； 二步骤 回采的矿房采用细江沙非胶结充填可行。 6 - 2 生产实践证明上向水平分层水砂胶结充填 法矿柱充填体的单轴抗压强度为2 ． 1 M P a ， 矿房浇 面充填体的抗压强度为 1 ． 0 M P a ， r， 船 3 ． 0 MP a可行 。 3 极细江砂是优质的胶结骨料， 细江沙不能 作胶结骨料； 充填材料最佳配比 矿柱， 4 2 5 水泥 极 细江沙 l 7 ； 矿房浇面， 4 2 5 水泥 极细江沙 1 5 。 参考文献 [ 1 ] 采矿手册编委会， 等著． 采矿设计手册[ M] ． 北京 中国建筑工 业出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 吴法春． 缓倾斜矿体回采时矿柱设计与岩石力学[ J ] ． 有色全 属 矿山部分 ， 2 0 0 2， 5 4 5 1 8 -2 0 ． [ 3 ] 蔡嗣经． 矿山充填力学基础 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社． 1 9 9 4． [ 4 ] 亚科夫． 国外矿山充填经验[ M] ． 长沙矿山研究院翻译 ． [ s ． 1 ． ] [ s - 『 1 ． ] ． 1 9 8 9 ． [ 5 ] 刘同有， 等． 充填采矿技术应用 [ M] ， 北京 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