采空区内残留水平阶段矿柱综合回采技术研究.pdf

第5 5 卷第4 期有色 奎 满 矿 山 部 分 2 0 0 3年 7月 采空区内残留水平阶段矿柱综合回采技术研究 北京矿冶研究总院余斌‘ 董卫军张银平 寿 王 坟 铜 矿魏连海王玉山 崔景林 摘要 本文针对寿王坟铜矿井下空区残留矿柱综合回采工程， 进行技术论证和经济分析， 以确保该部分矿 产资源能安全高效地获得回收文章详细研究了 矿往回采所要解决的各项关 键技术问题， 并就此制定了 具体的 回采工艺方案。 丁 。 3六 寿王坟铜矿隶属河北省， 地处河北省北部燕山 地带， 位于河北省承德市寿王坟镇， 总面积1 1 2 k 时， 铁路、 公路交通方便。矿区有 6 k m铁路专运线通往 京承铁路线的下台子车站， 下 台子车站距北京 1 8 6 k m, 距承德市 7 0 k m; 穿过矿区的公路距北京 2 1 2 k m, 距承德市 1 2 0 k m, 寿王坟铜矿经过近4 0 年的生产， 保有储量从 2 4 0 0 多万t 降到3 8 0 万t ， 矿山生产进人后期阶段。 但上部采空区中各类残留矿柱资源尚有 3 0 0多万 t ， 矿石品位0 . 6 写 - 0 . 8 0 0 。由于常规采矿工艺难 于回收这部分资源， 长期以来一直存留于采空区， 不 能为矿山带来效益。为使寿王坟铜矿持续发展， 为 国家多回收矿产资源， 寿王坟铜矿与北京矿冶研究 总院进行了多次方案研究并进行了残矿处理工作， 同时决定对南六号采空区残留矿柱进行综合回采与 监测工作。本文针对寿王坟铜矿井下空区残留矿柱 综合回采工程， 进行技术论证和经济分析， 以确保该 部分矿产资源能安全高效地获得回收， 这对稳定矿 山产量， 增加经济效益， 提高矿产资源综合利用水平 具有重要意义。 卡岩黄铜矿， 呈浸染状分布。 南六号矿体位于矿区东部 3 3 - 4 9 号勘探线之 间， 赋存于接触带， 属铜铁多金属共生隐状矿体， 矿 化带水平延长7 0 0 m， 垂高8 1 0 m 、 宽1 0 。 余m。矿体 最大水平延长 3 0 0 m， 倾斜延长 5 0 0 m, 平均厚度 1 8 m, 最大厚度 5 5 m。走向近于东西; 5 0 0 m标高以 上倾向南西， 倾角8 0 0 -8 5 ; 3 0 0 - 5 0 0 m标高矿体呈 直立状; 3 0 0 m以下， 倾向北东。 倾角 7 0 0 -8 0 0 ,整个 矿体由 北西向南东侧伏， 侧伏角6 0 0 - - 6 5 0 , 近矿岩石构造情况， 因该矿体赋存于小北沟接 触带小背斜褶皱挤压带中， 矿体上部受古洞沟1 号 花岗岩台阶构造控制， 下部受小北沟 2 号花岗闪长 岩台阶构造控制， 造成矿体沿走向与倾向延长不连 续及分支复合现象。矿体上部， 上盘为含遂石白云 质灰岩， 下盘透辉石、 透闪石、 绢云母绿泥石矽卡岩 和角页岩; 矿体下部， 上盘为透灰石、 透闪石、 绢云母 绿泥石矽卡岩、 花岗岩和角页岩， 下盘为含遂石白云 质灰岩。 1 矿山地质概况 寿王坟铜矿矿床属气生热液接触交代式矽卡岩 型矿床， 矿体赋存于花岗岩与石灰岩接触线上， 为铜 铝共生、 铜铁共生并伴生金、 银、 硫的矿床。矿区矿 床因赋存的地质条件不同分为三类 第一类以磁铁 矿为主含有黄铜矿; 岩脉有 绿泥石、 阳起石、 蛇纹 石。第二类是在石灰岩裂纹缝中有绿泥石， 并在绿 泥石中充填黄铜矿细脉。第三类是震旦系石灰岩中 含有角页岩， 在角页岩中含有以石榴子石为主的矽 ，余斌教授级高级工程师北京1 0 0 0 4 4 Z 关健技术问题 如何崩落水平阶段矿柱， 形成预期的矿石垫层， 顺利实现留存矿柱资源的有效回收， 保证矿石垫层 的隔离作用是本项目工程的核心。实施中的关键技 术问题有 1 矿柱中有一条纵贯东西的大断层， 该断层与 其它两组断裂交会造成矿柱整体性变差， 而形成矿 柱的矿石却非常坚固， 形成既坚硬又不稳定的结合 体. 这就给崩落深孔设计和施工带来困难。 2 矿柱上下均为较大空区。上部是目前国内 最大、 产状形态最复杂的体积达 4 0 万 m 的特大空 区， 且顶盘围岩存有大范围的拉应力区及 4 1 线东 万方数据 第 4 期 余斌等 采空区内残留水 平阶 段矿柱综合回 采技术研究 2 5 m至4 3 线间的不稳定部位; 下部空区虽小于 卜 部. 但耙道漏斗完全赤露。因而如何保证在上下较 大空区夹击下， 安全地实现整个矿柱完全崩落， 不仅 实现矿石垫层平稳过渡， 且又要降低对下部耙道直 接冲击作用是我们面临的关键问题 3 东西水平阶段矿柱长为2 0 0 m， 水平宽为S m 和2 5 m.崩落用炸药量为各 2 5 0 t 而深部盲主副 井、 变电所、 水泵房等主要结构物位于2 5 -2 7 线之 间， 距西矿桂3 3 0 -5 2 0 m， 最近点只有 3 0 0 m。按计 算， 每次崩矿爆破空气冲击波和地震波均对盲井系 统产生过破坏， 尤其是空气冲击波破坏更加严重。 因而， 保证盲井系统的安全， 使其免受爆破作用的破 坏是崩落工作的一个重要内容。 4 据观测， 矿柱下采场爆破出矿中都有落差， 高度不 一 。所以崩落爆破设计中下部自由面的准确 判断又是一个重要的问题; 崩落矿柱形成矿石垫层 是矿柱回采的关键， 所以保证崩落块度均匀， 大块率 低， 为采场出矿创造一个良好的作业条件是需要解 决的最后一个问题。针对以上关键的问题， 经与北 京矿冶研究总院合作. 开展了大量的前期研究工作， 对南六号空区的残留矿柱回收形成了整体方案。 残留矿柱回采技术方案 1 工艺方法与技术措施 311 工艺方法。 1 因盲井系统距爆源较近， 空区顶板又有不稳 定岩体， 因而， 一定要控制爆破作用。为寻找理论依 据， 爆破前我们进行了爆破质点震动速度的测试， 选 择确定了南六号空区质点震动速度的计算公式 厂 32 5 1 V 3 9 3 9 . 1 7 R Q‘ 式中， V 一质点垂直震动速度， 按规程应小于 S c m / S; Q -爆破中最大一段药量, k g ; R 一计算点与爆源的距离， mo 应用上式可指导我们调整每次崩落爆破的最大 一响药量及爆破中采取相应的维护措施及手段。 2 在东西矿柱的中部4 3 线和3 7 线分别预留2 4 m 宽的临时矿壁， 以起如下作用 ①减少空区暴露面积， 将下部大空区分隔成数个独立的小空区以增加空区顶 盘的暂时稳固性， 并对稳固性变差的水平阶段矿柱起 支撑作用。 ②回 采水平阶段矿柱上部有9 3 m以上的废 石垫层. 矿壁一侧与上部空区揭露后， 可阻挡废石流人 另一侧矿柱之下， 造成矿石垫层贫化。③可起到空区 处理方案转化过程作用。一旦顶板失稳， 矿壁失稳， 矿 壁一侧形成矿石垫层方案， 另一侧仍维待水平阶段矿 柱方案， 可保证过渡期的安全。④于矿柱最西端首先 形成 天窗” . 可起到 切断水平阶段矿柱与西部岩体之 间的联系， 减小爆破空气冲击波对盲井系统的作用; 崩 落爆破空区冲击波可大量地从“ 天窗” 泄露到上部， 减 小空气冲击波对盲井系统的影响。⑤3 8 。处 即水平 阶段矿柱下标高处 布置探空工程， 应用Y Q 1 0 0 型凿岩 机分别钻凿下向、 水平探孔， 以确保掌握空区的第一手 资料， 为崩落深孔设计提供数据。⑥应用加强型布孔 参数， 每一爆破设计层设计加强排， 加强排间距 1 . O m , 两排孔交错布置， 力求空间上分布均匀， 它具有如下优 点 两排孔同段爆破， 起到整体推动作用， 有利于崩落; 第一排炮孔所崩落的矿岩产生与逐排分段爆破相同的 作用， 但两排孔之间矿岩受到双排孔药包爆破能量的 同时作用， 受到多向压缩、 拉伸及剪切的作用， 振动频 率和振幅相应提高， 因而效果好。 3 利用矿柱自身构造选择凿岩爆破方法。如 前所述， 矿柱内有一条走向东西， 倾向北的大断层， 若按传统方法布置炮孔， 必然达不到预期的目的， 据 此， 我们利用断层自身的特点确定布孔原则为 以断 层为界， 南北两侧炮孔向断层区集中， 它具有 ①降 低了炮孔因断层的作用而产生错位， 提高了炮孔的 利用率。②利用断层做孔底爆破的自由面， 改善了 爆破条件; 使矿石得到了充分的破碎。 4 采用新型“ 梅花” 式孔口充填结构， 调整炮孔 扇形面上炸药的分布， 使其趋于均匀; 防止孔口过早 贯通泄压， 方法是 一孔充填3 . O m， 另一孔充填4 - 6 。的交错充填排列， 排面上充填孔口呈“ 梅花” 状。 每一爆层内上下两排交叉进行。 3 . 1 . 2 技术措施。 1 崩落爆破采用高精度毫秒雷管做引爆系统， 以增加爆破雷管的可用段别， 从而达到减小最大一 响炸药量和防止串段之目的。 2 每次崩落爆破前要进行炸药和雷管性能测 试试验， 用高压风吹孔并用炮碾孔， 以保证装药爆破 工作的顺利进行。 3 上部采场切割严重， 整体性差， 用束状深孔 预先一次性拆除， 消除矿柱中最不稳定部位。揭顶 大爆破尽量压缩爆破时间， 尤其是3 9 4 1 线间一炮 的时间间隔， 缩短由水平阶段矿柱方案向矿石垫层 方案的转化期。 4 每次爆破前在通往盲井系统的于线上用木 板墙密闭爆破现场， 以防止爆破空气冲击波对盲井 万方数据 有色 会 属 矿 山 部 分 第 5 5 卷 系统结构的破坏， 同时对风水管线等设施进行必要 的维护。 3 . 2 崩落设计与实施 ”工程布置。根据上下盘围岩稳固程度， 从下 六中段上下盘围岩中掘4 条天井， 利用原4 1 线矿柱 监测井 4 和4 5 线矿壁天井 6 作水平孔凿岩天 井。1 , 2 , 3 , 5 号天井位于空区上盘; 4 号天井位于空 区下盘， 6 号天井位于 4 5 线矿体中。因矿柱最西端 需开“ 天窗“ , 2 , 3号天井布置于 3 8 -4 1 线间， 以利 “ 天井” 的形成。 每个凿岩天井设 7 层凿岩酮室。第一层位于下 六以上4 0 . O m处， 距下部设计空区顶板2 . 9 m， 其余 确室间距 3 . 6 m,俐室呈圆型， 直径为 3 . 5 m, 高为 3 . 5 m。同一天井上下酮室交错布置于天井通道两 侧围岩中， 距 3 8 m处空区边界 3 m以上。3 8 m处探 空区工程利用天井一同布置， 掘进中先打探孔， 遇有 异常情况停止进送， 随后扩铜室， 再用深孔凿岩机钻 凿水平及倾斜深孔探下部情况。根据所探结果， 补 加炮孔并随矿柱一并装药爆破。 2 凿岩深孔设计施工。凿岩设备为Y Q -1 0 0 型 深孔凿岩机， 孔径为1 0 0 - 1 1 0 m m 。每层酮室设计两层 水平孔， 下层距铜室底板0 . 6 m ， 上层在确室底板以上 1 . 6 m处， 按炮孔深度分别上倾3 0 -6 笼工， 炸药单耗为 0 . 5 k g / t ， 孔底距为3 . 0 -3 . 2 m , 爆破层抵抗线为2 . 6 m , 各凿岩 天井负 担的 凿岩范围 是 1 - 3 号天井为3 9 - - 4 1 线间， 以形成“ 天窗“ s 4 -5 号天井为4 1 - 4 3 矿壁以西 部分; 六号井为4 3 矿壁以东部分。 3 崩落爆破雷管分段。开“ 天窗” 一炮的分段 与天窗的形成。理论上讲， 第一炮形成“ 天窗” 应越 小越好， 但过小就会增加第二炮4 1 - 4 3 矿壁的炸药 量并会对盲井系统构成威胁。对此， 设计“ 天窗” 范 围为3 9 -4 1 线间， 分段原则为 每一爆破层内再以 平孔井为单元进行分段， 共可划分 2 4 个段别。位于 大断层下盘的1 号平孔井先爆， 以充分利用该部分 矿体因断层的滑移作用。 第一响炸药量只有 2 . 2 t ， 可爆矿石5 0 0 0 t , 崩落的 矿石既不会对 耙道产生 很大的冲击作用又可迅速形成 一定厚度的矿石保护层。有效地避免了以后各响矿石 对耙道的直接撞击作用， 而且保护层还阻挡降低了空 气冲击波经耙道漏斗向盲井系统的传播强度。 在开“ 天窗” 过程中， 尽量减小每一响炸药量， 目 的是维护4 1 线东2 5 4 3 线易冒落矿体的稳定， 以 便顺利实施4 1 -4 3 矿壁的第三次大爆破。第三次 大爆破后. 西部完全崩落， 具备垫层处理空区条件; 东部仍为阶段矿柱方案， 完全可以保证下部安全生 产和整个崩落过程的实施。 第3 -5 炮分段原则。由于“ 天窗” 已形成可大 幅度地降低空气冲击波和地震波的条件， 因而， 每一 爆层一段。空气冲击波危险半径选自矿山大量使用 的经验公式 R3 、 / -Q 经计算可知， 盲井系统不受地震波的任何威胁， 却在空气冲击波危险半径之内， 但由于选用经验公 式进行计算， 且Q为爆破装药量的总和， 并没有考 虑到实际分段情况及上下空区， 因而， 计算是非常保 守的。若按最大一响药量计算， 空气冲击波的危险 范围只有3 6 7 m， 小于爆源至盲井的距离， 盲井系统 处于安全范围。同时， 爆前矿山还要采取必要的维 护措施， 可进一步减小对盲井系统的作用。所以说 盲井系统是安全的。 4 崩落顺序， 如表l a 表 l 崩落顺序、 姗破质点振动速度和空气冲击波安全半径 地点盲井系统至姗源距离 m 药量 t 最大一响药量C t 质点振动速度 e m / s 空气冲击波危险半径c m 8 4 1 拆底 5 1 02 0 . 6 5 日 3 50 . 8 9 4 3 0 3 9 -们 线 4 3 05 6 . 75 5 2 6 1 . 37 1 4 4 1 -4 3矿壁 4 7 05 6 . 79 . 21 . 6 7 1 4 4 3 矿壁以东 5 2 06 2 . 1 8 . 61 . 1 8 7 4 7 1 3 矿壁 4 9 0 5 8 . 51 4 . 9 62 . 1 7 7 2 5 5 、 生产组织。采场每天两端分别向中间推进 3 m， 每天落矿和出矿量为 7 5 . 8 t . 6 . 6 d回采一个分 , 2 . 4 d 充填养护， 9 d 完成一个循环。两台班作 ， 凿岩、 爆破、 排险和出矿共9 人， 充填 3 人。 层业 万方数据 第 4期 余斌等 采空区内残留水平阶段矿柱综合回采技术研究 4 投资估算与技术经济 4 . 1 投资估算 表2 表2投资估算 费用名称投资〔 万元 {占 总 投 R c 4. 工程 费 1 9 9 . 2 03 6 . 0 2 设备购置费 1 7 7 . 6 03 2 . 1 1 材料 费 1 1 4 . 0 02 0 . 6 1 其他费用 1 2 . 0 0 2 . 1 7 预备费 5 0 . 3 0 9 0 9 估算总投资 一 }1 0 0 . 0 0 次提升运输环节， 节省提升运输费用 3 9 . 4 5 . 每年 节省直接生产成本 2 5 9 万元。根据以上两个方面的 计算， 本次技改年增加经济效益 6 4 9 万元。主要技 术经济指标见表4 0 表4主要经济技术指标 4 ， 2 材料消耗 表 3 表3主要材料消耗 指标名称单位指标 地 质 矿 量一} 万， 3 0 0 . 0 0 地质 品位 0 . 6-0 . 8 损失率 } 9 . 3 0 贫化率 1 0 . 1 0 千 吨 采 切 比一} m / } t 一} 1 2 . 6 采场生产能力 I d 3 0 0 . 0 0 综 合 生 产 能 力}一 t / d{ 1 2 0 0 . 0 0 材料单位指标单价 元成本{ 元1 炸药k g 八 1 . 0 2 4 4 4 54 . 6 1 非电导爆管个八 0 . 5 0I 50. 7 5 火雷管个/t 0 . 5 6 7 6 }0 . 4 2}0 . 2 4 导火索M/ t 0 . 9 6 4 70 . 60 . 5 8 钎头个八 0 . 0 4 53 5 . 01 . 5 s 钎杆个八 }。 . 。 ; 一}1 2 。 一 } 锚杆根/ t 0. 0 62 5 . 01 . 5 0 木材 }m 3 八 0 . 0 0 4S o o3 . 2 0 电耙导向轮个/I t 0 . 0 0 53 0 01 . 5 0 小计 元 八}}1 4 . 4 4 4 . 3 经济效益和社会效益 直接经济效益主要体现在两个方面， 一方面， 通 过开采残留矿柱， 提高了采出矿石品位， 但未增加矿 石采选单位成本， 所产生的经济效益使企业年增加 销售收人 3 9 0 万元; 另一方面， 改造后采出矿石量的 5 0 位于矿体上部， 该部分矿石比深部矿体减少一 本项目不仅具有显著的直接经济效益， 同时， 充 分回收一r 矿体上部已经遗弃的残留矿柱， 使不可再 生的矿产资源得以充分利用， 既符合国家对矿产资 源管理的相关政策， 又可延长矿山寿命 5 年以上， 具 有显著的社会效益。另外， 本项目的另一显著特点 是在进行残留矿柱开采时， 采用采后崩落空区围岩 工艺， 对寿王坟铜矿的特大采空区进行相应处理， 既 能保证作业安全， 减少人身意外事故， 又能有效控制 地压， 减少地压灾害的发生。因此经济效益和社会 效益巨大。 参 考 文 献 龙雄棋. 层破工程. 北京 冶金工业出版杜 1 9 9 2 陶颂红 . 凿岩姗破 . 北京 冶金工业出版社， 1 9 9 6 ， 二中 呼 鑫， ， 、 . ， ， ， .丹 、. 碑， . ‘ 碑.中 中. 才叭. 产、 . 尹， .J， J叫* 今， ，璐中 啥 闷礴， 月 ‘， JJ‘ 曰中 扔 合， ， 刃口 ， 口舟 月 魂J. 诵 护 、 垂， 娜 刁啥 叭 . 开、. 月， .J， 喝 小 ， 边甲 呼 刃泞， 闷 . 户. 月J 门 喝‘， 司 . ‘ 电 右月， 口礴门 .户 ， 二‘ 娜 鑫甲 爪. 碑， 口奇， .月、 口护 声 奋中 呼 闷 ， 、. ， . ， .户、 .， 国际铅锌需求旺盛 国际铅锌研究小组 I L Z S G 称， 2 0 0 3 年亚洲经 济的强劲增长， 尤其是中国的经济发展， 将推动全球 的铅锌需求。 I L Z S G预测， 受中国5 . 7 的增幅影响， 今年全 球锌消费将增长3 . 9 ; 而铅消费将增长1 . 9 。据 估计， 今年西方锌市的过剩量约为 1 0万 t , 铅市的 缺口将不到 5 万 t o 中国锌消费的增长主要源于镀锌钢产能的扩 张。美国的消费也将回暖， 增长幅度约为2 . 6 ; 欧 洲的需求则将增长2 0 0 。但铅消费增长有限， 因美 国电信和计算机行业的缓慢恢复冲击工业用电池的 销量， 从而令美国的铅消费减少 2 。此外， 该组织 预测， 今年全球精炼铅产量将减少 1 . 8 ， 其中英 国、 加拿大和法国产量都将减少。而锌产量将增长 1 . 9 , 因一些国家产量的提高如印度、 伊朗和 纳米比亚将抵消欧洲 法国和英国 因工厂关闭 而导致的产量减少。 I L Z S G估计， 因澳大利亚、 爱尔兰和秘鲁等国 家的锌矿产量将增加， 所以铅矿和锌矿的产量将提 高， 增幅分别约为2 . 8 和3 . 9 . 万方数据