西石门铁矿卸压开采方案研究.pdf

第 1 6卷第 9期 2 0 0 7年 9月中国矿业 CHI N A M I NI NG M AGAZI NE Vo L 1 6 ，No ． 9 Se p t e mbe r 2 00 7 西石门铁矿卸压开采方案研究王海君，朱兰洋 1 ．内蒙古众兴集团，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ；2 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要安全生产是矿山企业的重要目标，地压问题是非常重要的影响因素，近几年来尤为突出，成为安全生产需要解决的关键问题。作为诸多地压控制措施之一，卸压开采可以避免和减少应力叠加，是控制地压危害的有效手段，确定合理的回采顺序则是进行卸压开采的前提。西石门铁矿矿体底板矽卡岩稳定性差和采动地压大，生产实践表明，采用传统的 “ 支护求稳 ”方法，很难解决大面积开采引起的地压问题。通过在中区和南区调整回采顺序，进行卸压开采，并根据实际情况采用支护相结合，很有效的解决了这一难题。在以后的生产实践中，要进一步加强这方面的研究，以降低生产成本，促进安全生产，并达到进一步提高回收率和降低贫化率的目标。关键词地压；卸压开采；回采顺序；无底柱分段崩落法中图分类号 T D 8 0 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 0 5 1 2 0 0 7 0 9 0 0 7 3 0 3 Th e r e s e a r c h a nd e v a l u a t i o n o f s t r e s s r e l e a s i n g mi n i ng s c h e m e o f xi s hi me n i r o n o r e m i n e W ANG Ha l j u n ，Z HU La n y a n g 。 1 ．I n n e r Mo n g o l i a Z h o n g x i n g Gr o u p，Ba o t o u 0 1 4 0i 0 ，Ch i n a；2 ． Ci v i l a n d En v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g S c h o o l Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Be ij i n g，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r ac t The Pr o du c t i on S a f e t y i s a n i m p o r t a nt t a r ge t of t h e M i ne Ent e r p r i s e ．The gr oun d pr e s s ur e i s a ve r y i mp or t an t i n f l ue nt ，e s pe c i a l l y i n t h es e y e a r s ，ha s b e c o me t he ke y pr obl e m n e e d s t O be r e s ol v e d t o t he Pr od uc t i on Sa f e t y ． As on e of t he me t h ods t O c o nt r o l t h e gr o und pr e s s ur e，s t r e s s r e l e a s i n g mi ni ng c a n a v oi d or r e d uc e t h e s t r e s s s u pe r pos i n g，whi c h i s a v a l i d me t h od t O c on t r o l t he gr ou nd p r e s s ur e h a z a r d． The r e a s o na bl e s e que nc e o f s t o pi ng s ubl e ve l i s t he p r e mi s e t O s t r e s s r e l e a s i ng m i ni n g．Th e s t a bi l i t y of s ka r n i n t he s o l e pl a t e of or e bo dy i s ba d a nd t h e mi ni ng gr ou nd pr e s s u r e i s s e r i o us i n Xi s hi me n i r on or e mi ne ． The pr a c t i c e ha s i nd i c a t e d t ha t a d op t i n g t h e t r ad i t i o na l me t h od一 ” Sup p or t i n g f o r St a bi l i z at i o n”c a n ha r dl y r e s ol ve t he g r o u n d p r e s s u r e p r o b l e m i n t h e b i g a r e a mi n i n g ．By a d j u s t i n g t h e s e q u e n c e o f s t o p l n g s u b l e v e l i n t h e mi d d l e a n d s o u t h mi n i n g a r e a ，a p p l y i n g t h e s t r e s s r e l e a s i n g mi n i n g a n d a d o p t i n g t h e s u p p o r t i n g t O c o mb i n e a c c o r d i ng t he a c t u al c i r c ums t a nc e s，we ha v e b ee n s o l v i n g t hi s h ar d p r obl e m e f f e c t i ve l y ． W e wi l l ma ke f ur t he r r e s e a r c h t o t hi s a s pe c t i n t he l a t e r p r a c t i c e i n o r d e r t O l o w pr od uc t i o n c os t s，p r o mo t e t he pr od uc t i o n s a f e t y a nd a c hi e v e t he t a r ge t t ha t we wi l l i n c r e a s e t he r e c o ve r y r a t e a nd de c r e a s e t h e di l u t i o n r a t e s i gni f i c a nt l y． Ke y wo r d s g r o u n d p r e s s u r e ； s t r e s s r e l e a s i n g mi n i n g； s e q u e n c e o f s t o p i n g s u b l e v e l ； c a v i n g wi t h o u t pi l l a r s 西石门铁矿为典型接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿体赋存于燕山期闪长岩和中奥陶纪马家沟组灰岩的接触带中，按自然赋存位置划分为北、中、南 3个采区。顶板为结晶灰岩与大理岩，节理裂隙收稿日期 2 0 0 7 0 5 1 4 作者简介王海君 1 9 7 0 一，男，汉族，内蒙古众兴集团大中矿业公司总工程师。朱兰洋 1 9 8 3 一，男，汉族，硕士研究生，岩土工程专业。较发育，中等稳固到不稳固；矿石以块状和致密浸染状为主，中等稳固；底板为矽卡岩与蚀变闪长岩，不稳固到中等稳固。矿体一般埋深 1 0 4 9 1 m，全矿共 2 8个矿体，以 l 矿体为主，占总储量的 9 5 以上，矿体走向北东，走向长 5 0 2 0 m，水平宽 3 6 0 m，水平厚度为 1 5 ． 1 3 m，延深标高为 2 7 8～一1 8 6 m。矿体形态较为复杂，总的呈背斜状，矿体延走向、倾向均有波状起伏。矿体总走向为北东维普资讯 7 4 中国矿业第1 6 卷 1 5 0 。～3 0 。，北西翼倾角 5 0 。～2 0 0 。，南东翼 1 5 0 。～ 4 5 。。地压危害问题一直是西石门铁矿的重大难题，治理成本很高，并影响安全生产的进行，是采矿需要解决的关键问题，处理不好，会给矿山生产带来不可估量的损失。 1 合理的回采顺序高应力区矿块的正常回采，归根到底是如何卸压的问题，卸压开采是避免和减少应力叠加的有效手段，确定合理的回采顺序是实行卸压开采的前提。 1 ． 1 正常生产过程的回采顺序坚持先采承压带后采卸压带，但需指出的是，首分层的回采应由一翼向另一翼进行，当地压大，或者矿石不够稳固时，要避免常规的由两翼向中间退采，以免引起中间矿块的应力叠加，造成系统工程破坏如图 1 。图 1 最后回采巷道的压力增高示意图沿走向方向上的矿块，采用前进式回采，能有效地避免后退式回采造成的应力叠加如图 2所示。 D 0 i 二 0 O 图 2 后退式回采应力叠加情况示意图 1 ． 2 卸压开采的回采顺序顶板卸压开采。顶板卸压分为全面顶板卸压和局部顶板卸压，两种方法实质都是创造应力降低区。在高应力区矿块上层采用放顶技术爆破出 3 ～ 5 m厚的卸压层，以暂时切断垂直应力和两翼采空区传递来的水平侧应力，以及利用上分段现有采准工程做卸压巷道，达到部分卸压的目的。上下分段间卸压开采。由于移动支承压力和爆破动载的影响，在回采巷道的上向，将产生不断增加的支承压力，并随工作面的后退而向右移动，同时沿间柱传递给下一分段巷道上，爆破动载不但频繁产生瞬时高度应力集中和强烈的冲击震动，而且频繁的应力交变，容易使节理裂隙分割的位于巷道临空表面的不连续岩体产生垮冒，导致载荷移到周围承压结构上，产生连锁破坏反应，如回采期间的巷道垮冒、支架破坏、炮孔变形等，对下分层巷道掘进或回采极为不利。因此，高应力区矿块回采时，要尽可能避免多段同时作业。根据上分段回采顺序的要求，来合理布置下分段的回采顺序，以不引起应力状态恶化、缩短巷道服务时间为原则。 1 ． 3 卸压开采方案崩落卸压开采。西石门铁矿崩落卸压方案研究，主要针对南区研究顶板卸压开采顺序问题。根据矿体赋存条件和多中段同时作业的要求，将回采顺序由原来的从下盘向上盘、从中间向两翼的推进调整为由上盘向下盘、从南翼到北翼与走向呈斜对角线，台阶式后退开采。由于地压大和矽卡岩围岩承载能力弱，用加强支护的方法解决不了有底柱崩落法大面积开采中采准工程的稳固性问题。经过多方案比较，决定采用 “ 无底柱崩落法卸压开采方案” 。即采用 “ 诱导落项、设置回收进路”的采场结构，先掘进和回采第一层进路，将顶板压力用采空区隔断，卸掉矽卡岩层的采动压力后，再在无压力状态下开掘矽卡岩巷道工程。根据西石门铁矿南区空区冒落造成冲击空气浪实际情况，分别利用气缸理论和绕流理论来计算气流最大速度。气缸理论公式计算 V⋯ 一一 2 8 ． 6 8 m／ s 式中V ～空区崩落排出空气的最大流速，m／ s ；～与空区顶板岩层性质和暴露面积有关的系数； S 一空区顶板暴露面积；g ～重力加速度；一空区底板到顶板高度；S ～与空区相通的全部巷道面积之和。绕流理论公式计算根据矿山条件，忽略空气运动阻力和系统局部阻力的影响，岩体冒落时诱导风流的最大速度为日瞄似维普资讯第 9 期王海君等西石门铁矿卸压开采方案研究 7 5 『- L S P 一．可C g P S A k 2 一 ⋯ 厂一，＼／ S--A L 式中s 一空区横截面积；C 一阻力系数；A 一岩块水平投影面积；P一空气密度；L一空气流动系数通道换算成面积为 s的等效长度。代入具体数值计算得 V 船 1 6 ． 6 9 m／ s ，超过安全规程规定。为防止空气浪对人身设备造成危害，试验中采用了散体垫层隔离采空区与工作面的空间联系的措施，实践证明，散体垫层可对冒落引起的气浪能起到很好的阻隔或减速作用。上下分段间卸压开采。西石门铁矿中区以无底柱分段崩落法为基础，提出了 9 9 m分段辅助卸载， 8 9 m分段全面卸压的技术思路。其主要技术措施为 1 确保 8 9 m分段三联巷不被破坏，以此崩落回采其上 9 9 m 分段的三联巷，并卸掉下传压力。 2 尽量缩短 8 9 m 水平进路的存留时间，分 3步开采 l ～l 0 进路。即将已经存在的 7 ～l 0 进路作为一个独立的回采单元，以梯段工作面退采；l ～ 3 进路作为一个独立的回采单元，先强掘强采 2 进路，并大量放出矿石，用以部分卸掉相邻的 3 进路与 l 进路上部的压力，之后再开掘 l 进路和恢复 3 进路，整个单元呈 “ V” 型工作面退采。4 ～6 进路作为一个独立的回采单元，以进路为单元组织回采，用前一进路大量出矿，为后一进路松动卸压。 3 尽量拖后相应部位 7 7 m 分段进路的施工时间，争取 7 7 m 分段绝大部分采准工程在 8 9 m 分段卸载后再施工。同时，尽量扩大 9 9 m 分段的卸载范围，力争 8 9 m 分段全面卸载。 4 对 8 9 m分段强掘强采，将喷锚网支护全部改为 U 型可收缩式金属支架支护。 2方案实施与效果 2 ． 1 崩落卸压开采西石门铁矿的无底柱分段崩落卸压开采方案，主要是在南区 8 0 m 中段进行试验与推广，选择的区段矿体厚度平均为 l ～2 0 m。根据选择试验矿块的地质条件，矿块沿矿体走向布置，垂直矿体走向布置进路。切割工程布置在矿体的下盘，运输联巷及溜井布置在矿体的上盘。回采进路上下呈菱形交错布置，溜井间距 6 0 m ，即 5条进路一条溜井。分段之间设斜坡道，与采区运输巷相联。采场结构参数分层高度 1 0 m ，进路间距为 1 0 m。由于回采进路面向采空区，因此如何保证在出矿过程中，不被空区冒落的气浪危害和确保回收率及贫化率指标的良好，是崩落卸压法的另一技术难题。解决这一难题的主要技术措施有 ① 出矿时，在第一分层留一定厚度的矿岩作为覆盖层；②随着向下回采时间的延长，在下分层采用诱导放顶，使顶板围岩自然冒落形成一定的垫层。通过实施无底柱崩落卸压法，矿石回收率平均为 8 1 ． 7 2 ，贫化率为 2 0 ． 5 ，与原有底柱法相比，矿石回收率提高 3 ． 1 9 ，贫化率降低 4 ． 5 。 2 ． 2 上下分段间卸压开采现场观察发现，中区 9 9 m分段冒落部位岩体已经被高应力压碎，出矿时表现出散体流动现象，由于在移动中发生松散，由此形成松动体。其有效松动范围为 R 一式中 a ，散体流动参数；z 一柱坐标的高度值。对于释放碎裂体压力来说，释放压力的有效范围，比宏观位移上的有效松动范围更大。因此，适当增大放矿量以增大松动体，可释放附近碎裂岩体的压力。基于这一认识，从 9 9 m分段下盘侧冒落部位的进路口，进行了大量放矿并开始回采剩余进路与三联巷，回采结束后，形成了宽约 2 0 m、长约 1 0 0 m 的卸压带，同时采出矿量 2 1 4万 t 左右。回采过程中，因地制宜地采用了 u 型可收缩式金属支架加强支护充分回收方案，这一措施有效地阻止了巷道的破坏，为进路的大量出矿提供了保证。通过技术攻关，采取有效支护，崩落支承柱与大量放矿松动卸压及合理调整回采顺序等综合技术措施，有效地减少了地压活动对回采作业的影响，并大量地回收了因地压活动而损失的矿量。 3 结论卸压开采技术是解决高应力区矿块回采的有效手段，合理的回采顺序是进行卸压开采的关键。西石门铁矿矿岩稳定性差，采动地压大，采用无底柱崩落卸压法，不但较好地解决了地压破坏问题，而且还有效地降低了采准比和生产成本。崩落卸压法的突出优点是，减小了采准巷道工程量和提高了巷道工程的稳固性。下转第 7 9页维普资讯第 9期苗胜军等基于正交试验设计的滑带土参数敏感性分析 7 9 5 结论由表 7可知，粘聚力对边坡的稳定性有高度显著的影响，其次为内摩擦角和重度，方差分析结果与极差分析结果相一致。通过上述分析可得到如下结论 1 稳定计算参数的敏感性由大到小为粘聚力、内摩擦角、重度； 2 土的抗剪强度指标是影响土坡稳定的最重要参数，其参数变化对稳定安全计算结果有很大的影响； 3 极限平衡法的力学模型比较简单，所包含的假设条件和经验成份比较多。文中所用三种方法适用于不同的破坏方式，简化 B i s h o p法可以计算圆弧滑坡；精确 J a n b u法可以计算复合破坏的滑坡；S a r ma 法可以计算受岩体结构面控制的滑坡，而且结果最接近。通过文中的计算可知三种极限平衡法计算结果是一致的。 ■● 参考文献 [ 1 ] 王家臣．边坡工程随机分析原理 E M] ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 6 ． [ 2 ] 苗胜军．复杂岩体边坡变形与失稳预测研究 [ D] ．北京北京科技大学， 2 0 0 6 ． 3 3 马希文．正交设计的数学理论[ M] ．北京人民教育出版社，1 9 8 1 ． 4 3 姜同川．正交试验设计 [ M] ．济南山东科学技术出版社， 1 9 8 5 ． 4 ． 5 3 Y． M．Che n g ．SL0PE 2 0 0 0 1 ． 6 Th e or y Ma nu a 1 ．De p a r t me nt o f Ci v i l a n d S t r u c t r u a l En g i n e e r i n g H o n g Ko n g Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， Ap r i l ， 2 0 0 1 ． 6 3 刘嘉煜，王家生，张玉环．应用概率统计 [ M] ．北京科学出版社，2 0 0 4 ． 7 3 汪荣鑫．数理统计[ M] ．成都西南交通大学出版社，】 9 8 6 米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米上接第 7 5页随着卸压开采的进行，更多承压部位问题必将更加凸显，于是下一步应更加注意相关承压部位的支护研究问题，以进一步降低地压危害，保证安全生产。西石门铁矿后续的卸压开采方案研究，要进一步结合巷道的服务年限来进行，这样才能更大程度地降低生产成本，提高企业的经济效益。参考文献 1 3 蔡美峰．金属矿山采矿设计优化与地压控制 [ M] ．北京科学出版社，2 0 0 1 ． [ 2 ] 王喜兵，王海君．高应力区卸压开采方法研究[ J ] ．矿业工程，2 0 0 3， 8 2 0 2 1 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