诱导冒落技术及其在北沼河铁矿的应用.pdf

I S S N 1 0 o 52 7 6 3 CN 4 31 2 1 5 ／ T D 矿业研究与开发 第2 7 卷 第 1 期 MI NI NG R ＆ D．Vo 1 ． 2 7， N o ． 1 2 0 0 7年 2月 F e b ． 2 0 o 7 诱 导 冒 落 技 术 及 其 在 北 沼 河 铁 矿 的 应 用 任凤玉 ， 韩智勇 ， 赵恩平2 ， 王伟杰2 1 ． 东北大学 采矿系， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ； 2 ． 北沼河铁矿， 河北 武安市0 5 6 3 0 0 摘要 无底柱分段崩落法按分段连续回采， 当回采面积足 够大时， 完全可以利用第一分段的连续采空区诱导上部矿岩 安全冒落。北冶河铁矿应用这一技术形成诱导冒落与强制 崩落相结合的无底柱高效采矿工艺， 创造了投产一年零 7个 月达产的国内最好纪录。 关键词 诱导冒落； 无底柱分段崩落法； 端部放矿； 生产能力 中图分类号 T D 8 6 1 ． 1 ， T D 8 5 3 ． 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 2 7 6 3 2 0 0 7 0 1 0 0 1 7一 O 3 I n d u c e d Ca v i n g Te c h n i q u e a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n Be i mi n g h e I r o n Mi n e R e n F e n g y u 。 H a n Z h n g ‘ ， Z h a o R e n p i n g ，W a n g耽 眦 1 ． De p a r t me n t o f Mi n i n g En g i n e e r i n g ，No r t h e a s t Un i v e r s i t y，S h e n y a n g， L i a o n i n g 1 0 0 0 4， Ch i n a； 2． B e i m l n g h e I r o n Mi n e，Wu a n， H e b e i 0 5 6 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n s u b l e v e l c a v i n g mi n i n g w i t h o u t s i l l p i l l a r ，t h e m i n i n g p r o g r e s s e s c o n t i n u o u s l y b y s u b l e v e l s ．T h e r e f o r e ，wh e n t h e a r e a o f e x p o s e d r o o f i s s u ff i c i e n t l y l a r g e a t t h e fi r s t s u b l e v e l i n s u b l e v e l c a v i n g ，t h e o r e i n u p p e r s u b l e v e l s c a n b e i n d u c e d t o c a v e i n a s a f e w a y ma k i n g u s e o f t h e mi n e do u t a r e a a t fi r s t s u b l e v e 1 ．T h e a p p l i c a t i o n o f t h i s i n d u c e d c a v i n g t e c h n i q u e h a s f o r me d a h i g h - e ff i c i e n c y n o n - s u b l e v e l p i l l ar mi n i n g t e c h n i q u e b a s e d o n t h e c o mb i n a t i o n o f i n d u c e d c a vin g a n d f o r c e d c a v i n g i n t h e B e i mi n g h e I r o n Mi n e ，a n d r e s u l t s i n a C h i n a s s h o r t t i me r e c o r d t h a t t h e d e i g n e d p r o d u c t i o n c a p a c i t y o f t h e mi n e Was r e a c h e d a f t e r g o i n g i n t o p r o d u c ti o n f o r o n e y e ar a n d s e v e n mo n t h s ． Ke y W o r d s l n d u c e d c a v i n g， S u b l e v e l c a v i n g w i t h o u t s i l l p i ll ar， S i d e o r e d r a wi n g ，P r o d u c t i o n c a p a c i ty 北沼河铁矿是“ 九五” 期间恢复建设的大型地 下矿山， 开采北沼河河床之下矿体， 设计生产能力 1 8 0 万 t／ a 。矿床地质条件与水文地质条件比较复 杂， 主矿体埋深 2 6 5 ． 7 6 6 7 9 m， 走向长 1 6 2 0 m， 宽 9 2 3 7 6 m， 最大厚度 1 6 0 ． 6 8 m， 平均厚度4 4 ． 9 1 r fl ， 平均 T F e 含量为 5 1 ． o 4 ％； 矿岩从不稳固到中等稳 固； 顶板为奥陶纪马家沟组中统灰岩， 中等稳固到不 稳固； 底板为燕山期闪长岩， 中等稳固； 在矿体与闪 长岩之间， 有一层厚5 1 0 m矽卡岩蚀变带 ， 极不稳 固。设计采用无底柱分段崩落法开采， 中段高度 6 o m， 分段高度 1 5 m。为提高采场生产能力， 北沼河铁 矿以诱导冒落高效放矿为核心， 开展了无底柱分段 崩落法高效率开采技术研究， 在比较复杂的地质与 水文地质条件下， 创造了投产后一年零7个月即达 到设计生产能力的国内最好纪录。其中诱导冒落技 术， 对矿山前期提高产能起到了重要作用。 1 诱导冒落原理 通过研究采空区顶部岩体的冒落规律， 发现当 采空区规模较大、 埋深较大、 顶板不大的结构面破 坏、 内部无矿柱支撑时， 采空区顶板的变形冒落过程 主要受重力场控制， 冒落线形状能够较好地近于拱 形⋯， 此时顶板围岩受到水平压力 的作用 见图 1 。当 增大到一定程度时， 临空面岩体横向变形 派生出拉应力， 使空区顶板受拉变形， 并使表层岩体 裂缝扩张、 贯通。当岩块问的联系不足以克服自身 重力时， 块体便会脱离母岩自然掉落， 从而呈现出单 块断续零星冒落。 值的表达式为 Tq l ／2 h 1 式中， 为作用在平衡拱边缘上的水平压力， N ； 口为 单位长度上的上覆岩层重力 ， N ／ m； h 为空区高度， m； Z 为空区的半跨度， m。可见空区跨度越大， 增 大的速率就越大。 由式 1 可以导出， 引起顶板围岩破坏的空区 半跨度为 2 式中， 为顶板岩体的极限抗压强度， M P a ； 为上 覆岩层容重， t ／ m ； 日为空区顶板埋深， m； k 为量纲 收稿日期； 2 0 0 6 0 4 2 6 作者筒介 任风玉 1 9 5 6 一 ， 男， 辽宁沈阳人， 博士。 博士生导师， 主要从事放矿理论、 采矿方法与岩体力学方面的研究， h a g p y n t 1 6 3 ． o 嗍。 维普资讯 1 8 矿 业 研 究 与 开 发 因子， 后l O g 1 0 0 s 。当采空区的宽度超过 2 时， 无论增大采空区的宽度还是增大采空区的长度， 都可增大有效暴露面积。当有效暴露面积超过临界 冒落面积时， 采空区顶板围岩便会发生冒落； 当有效 暴露面积超过临界持续冒落面积时， 采空区顶板围 岩便会发生持续冒落。因此， 通过扩大采空区的有 效暴露面积， 即可控制采空区的冒落进程。 圈 1 平衡拱受力分析 无底桩分段崩落法， 将矿体从上往下划分成分 段开采， 在分段回采过程中， 形成连续采空区。因 此， 只要首采分段的回采面积， 足以超过采空区顶板 矿岩的临界冒落面积， 就可诱导顶板矿岩 自然冒 落 。北沼河铁矿以～ 5 0 m中段为首采中段 见图 2 ， 该部位矿体埋深约3 0 6 m， 矿石抗压强度为3 3 ～ 4 6 M P a ， 上覆岩层平均容重 2 ． 7 t ／ m ， 取 h1 5 m， 由式 2 计算可得 lc l l ～ 1 3 m， 对应的临界冒 落面积为3 8 0 ～ 5 3 0 m 。按 1 5 m分段高度从 一 5 0 I n 水平向上划出3 个分段， 每一分段的矿体面积， 均远 远超过5 3 0 m ， 因此， 无论首先开采哪一分段， 其回 采面积都足以诱导上部矿体自然冒落。 0 厂 、 一2 0m ／ ／ F e 、 | ＼ 一1 1 0 m ， ／ ＼s k ＼ ＼ ． 图2 北沼河铁矿首采区段矿体形态 2 北沼河铁矿诱导冒落工程 北沼河铁接近顶板围岩的矿体松软破碎， 稳固 性极差， 在矿体内部稳固性变好。因此， 首采分段离 开矿体顶板围岩的距离大些为好， 推荐以一 3 5 m分 段为首采分段， 矿山为了稳妥起见， 将首采分段选择 在 一 2 0 n l 水平， 即利用 一 2 0 m分段回采提供的空间 诱导上部矿石与顶板围岩 自然冒落。 一 2 0 m分段 采准工程布置见图3 ， 其中进路联巷与切割巷均布 置在矿体内， 原则上它们与矿体顶板的最小距离不 小于 1 3 m。 国 3 2 o m分段采准工程布置 由于二次圈定中发现矿体变薄， 一 2 0 m分段 1 采场2 进路改为房柱法开采， 仅 1 进路用中深孑 L 落 矿。进路间距 1 8 m【 3 J ， 中深孔排距 1 ． 8 m， 炮孔布置 呈扇形。该进路总长 3 5 m， 每次爆破一排炮孔， 当 回采到 1 6 ． 2 m 采空区面积约 3 0 0 m 2 时， 工作面前 方出现冒落块体， 此后为确保装药爆破安全， 出矿工 作只出到进路 口 微露出采空区为止。该进路的后 5 个步距， 出矿量为崩矿量的 9 1 ． 2 ％， 平均矿石贫化 率 5 ％。分析表明， 此时已有部分冒落矿石被放出。 一 2 0／ 11 分段 2 采场回采 了 l 0个月， 用 c y 一 2 型铲运机出矿 ， 一直出到进路端部口轻微敞空或端 部IZ l 出现冒落废石为止。2 采场共崩落矿石 1 7 ． 9 万 t ， 采 出矿石 l 6 ． 5万 t ， 采 出矿量为崩矿量 的 8 5 ． 2 6 ％， 矿石贫化率 7 ． 5 ％。出矿过程中， 经常听 到冒落块体砸击矿石堆的响声， 表明上部矿岩随着 下部矿石的回采而快速 自 然冒落。 一 3 5 m分段 l 采场的 2 进路与 3 进路， 位于 一 2 0 m分段采空区之下， 为第二分段进路 见图4 。 这两条进路回采中一直出矿到废石出露为止， 个别 步距出矿到截止品位。2 进路与 3 进路的平均回采 率为 1 1 2 ％， 矿石贫化率为 1 8 ． 2 6 ％。在大量放出过 程中， 第二分段进路的出矿 口始终不能被放空， 而且 整个出矿过程， 始终听不见冒落块体的落地声， 表明 冒落矿岩已经堆积成较厚的散体堆。 当图4 所示的第二分段 2 与 3 进路 回采时， 一 2 0 m分段 1 进路及房柱法采区的总回采面积为 2 O 6 0 m ， 对应 2 与3 进路出矿部位的回采时间约为 8 个月。由此可见， 当首采面积达到 2 0 6 0 11 1 ， 经历8 维普资讯 任凰玉， 等 诱导冒落技术及其在北洁河铁矿的应用 l 9 J l“- 的冒落时间， 上部矿岩的冒落高度， 就可达到下 部正常出矿时， 出不空端部iz l 的程度。 图4 3 S m分段第二分段进路的相对位置 3 冒落大块的放 出过程 对于第一分段进路回采时诱导冒落的大块矿 石， 原考虑借助散体移动场的流动压力逐步破碎。 由于矿石比较松软， 起初预计经过两三个分段的流 动挤压， 绝大多数冒落的大块矿石可被破碎成适宜 放出的块度。实际生产中， 第一分段进路过量放出， 已经将冒落的矿石放出小部分 ； 从第二分段进路开 始， 大量放出可接收到的冒落矿石。由于矿石质地 松软， 无论是冒落大块还是崩落大块， 块体的棱角都 发生钝化， 因此两者不易从表观上区分开采， 只能根 据出露的时间判别。为研究冒落块体的块度变化， 科研组对第一分段进路、 第二分段进路与第三分段 进路放矿中大块矿石出露的过程， 进行了跟班标定。 第一分段进路的大块标定工作 ， 在 一 2 0 rf1 分段 2号采场 2 一 4 进路里进行， 标定步距的崩矿量为 8 1 3 ， 3 6 t ， 出矿量为 8 0 7 ． 4 1 t ， 矿石贫化率为 7 ％， 回 采率为 9 2 ． 9 2 ％。进路断面尺寸为 4 ． 2 m 3 ． 6 m， 在出矿过程中测得矿石放出角为 5 0 。 。由作图法得 出， 如果没有冒落矿石补充的话， 当端部 V I 不出空 时， 只能放出崩矿量的 6 7 ． 3 2 ％。后期出露的大块 尺寸和大块出现的频率， 明显大于前期。这表明， 冒 落矿石的大块率， 明显高于崩落矿石的大块率 ， 第一 分段进路出矿的总计大块率为3 ． 6 ％。 第二分段进路出矿时， 大块矿石在出矿 口内部 有明显的聚集现象， 而且在出矿后期， 大块出现的频 率， 比出矿中期大很多； 大块矿石的平均尺寸， 也比 出矿中期大一些， 表明到第二分段进路出矿时， 冒落 矿石的大块率仍高于崩落矿石的大块率， 而且冒落 矿石的最大块度 ， 也大于崩落矿石的最大块度。但 第二分段进路出矿时， 同第一分段进路出矿一样， 从 未发生过端部口被大块堵塞而放不出矿的现象， 第 二分段进路出矿的总计大块率为4 ． 0 ％。 第三分段进路出矿时， 大块矿石仍有一定的聚 集现象， 但聚集的程度， 比第二分段进路小很多。此 时出矿后期放出的大块尺寸， 比第二分段进路明显 变小， 表明经过2个分段的流动挤压， 冒落大块得到 了一定程度的破碎， 总的大块率为5 ． 2 ％。 总之， 试验研究表明， 北沼河铁矿矿体上半部分 一 定厚度的矿石完全可以用诱导冒落法落矿， 冒落 的大块矿石， 可以逐步从下部回采进路的端部IZ l 放 出来， 而且随着分段的下移， 经流动挤压后， 冒落矿 石的块度可接近于崩落矿石的块度。但对于冒落块 度较大的部位， 不能完全依靠移动场压力破碎冒落 大块， 而应采取必要的机械破碎， 以消除大块对出矿 效率的影响。 北沼河铁矿采用诱导冒落技术， 同时应用大结 构参数无底柱分段崩落法， 由此形成高效率开采工 艺， 使矿山投产后一年零 7 个月即达到 l 5万t ／ m的 生产能力， 比设计提前 1 a 达产， 开创了国内大型地 下金属矿山快速达产的历史记录。 4 结 论 1 北沼河铁矿厚大矿体与近矿围岩， 具有良 好的可冒性， 采用诱导冒落技术降低采准系数和增 大首采分段的回采工作面， 有效地提高了产能。 2 在北沼河铁矿条件下， 所有诱导冒落的大 块矿石， 在断面尺寸4 ． 2 rfl 3 ． 6 m的进路端部口， 均可被放落到进路的底板上， 而且经过两个分段的 流动挤压后， 基本接近于崩落矿石的块度， 表明散体 移动场对大块矿石具有一定的破碎效应。 3 冒落矿石在大量放出过程中， 大块矿石在 出矿口内有不同程度的聚集现象， 表现为多个块体 同时放出。目前用爆破法二次破碎影响出矿效率， 建议用机械设备冲击破碎。 4 诱导冒落的合理高度有待进一步研究。 参考文献 [ 1 ] 周宗红 ， 任凤玉 ， 等． 诱导冒落技术在空区处理中的应用[ J ] ． 金属 矿山， 2 0 0 5 ， 1 2 7 3 7 4 ． [ 2 ] 任凤玉 ， 陶干强 ， 等。 西石门铁矿南区崩落卸载采矿法试验研 究[ J ] ． 中国矿业， 2 0 0 3 ， 1 2 ， 1 ． 3 9 - 4 1 。 【 3 ] 任凤玉， 韩智勇， 等． 北沼河铁矿采场结构参数的确定方法 [ J ] ． 中国矿业， 2 0 0 6 ， 1 5 ， 3 4 4 4 6 ． 维普资讯