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矿床开采工程实验指导书 北京科技大学土木与环境工程学院 2005年9月 实验项目之一采矿方法作图实验 矿床开采工程的采矿方法主要分三大类采矿方法，为了们对采矿方法有充分的认识和了解，学生有必要对空场采矿法、崩落采矿法和充填采矿法的采场结构的剖面图有深刻认识，从而掌握这些采矿方法的实质。 一．空场采矿法三视作图 空场采矿法在回采过程中，将矿块划分为矿房和矿柱，先采矿房，后采矿柱。空场采矿法三视图包括房柱采矿法、留矿采矿法、阶段矿房法。 1． 房柱采矿法 房柱采矿法用于开采水平和缓倾斜矿体， 矿体和围岩要求稳固，在矿块或采区内矿房和矿柱交替布置，回采矿房时留连续的或间断的规则矿柱，以维护顶板岩石。开采的矿体厚度从23米至3040米。 1 结构和参数矿房的长轴可沿矿体走向，沿倾斜或伪倾斜布置，主要决定与所采用的运搬设备和矿体的倾角。设计的矿房长度为4060m，宽度为820m，矿柱直径为37m，矿柱的间距为58m。 2 采准和切割工作阶段运输巷道可布置在脉内或底板岩石内。在放矿溜井中储存部分矿石。 3 回采工作矿体为23m时，一次采全厚；矿体厚度大与3m时，分层回采。 4 评价房柱法是开采水平和缓倾斜矿体最有效的采矿方法。它的采准切割工作量不大，工作组织简单，坑木消耗小，通风良好，矿房生产能力高。但矿柱损失较大，（1540） 。且一般不回收。 根据不同的采场结构尺寸，分组设计以下五组不同采场结构尺寸的房柱采矿法 1组矿块长度40m, 矿体厚度2m，矿房宽度8m，矿柱直径4m，矿柱的间距5m。 2组矿块长度45m, 矿体厚度2.5m，矿房宽度9m，矿柱直径5m，矿柱的间距5.5m。 3组矿块长度50m, 矿体厚度3m，矿房宽度10m，矿柱直径6m，矿柱的间距6m。 4组矿块长度55m, 矿体厚度4m，矿房宽度11m，矿柱直径6m，矿柱的间距7m。 5组矿块长度60m, 矿体厚度5m，矿房宽度12m，矿柱直径7m，矿柱的间距8m。 2． 留矿采矿法 留矿采矿法的特点是工人直接在矿房暴露面下的留矿堆上面作业，自下而上分层回采，每次采出的矿石靠自重放出三分之一左右，其余留在矿房内作继续上采的工作平台。矿房全部采完后，暂留在矿房中的矿石大量放出，叫最终放矿或集中放矿。留矿采矿法主要用于开采围岩和矿石均稳定，矿体厚度薄和极薄矿脉，矿脉为急倾斜，矿石无结块性和自燃性的矿体。 （1） 采场结构和参数阶段高度（3050m），矿块长度4060m，宽度为矿体厚度，矿房间距为212m，底柱高度810m，顶柱厚度为26m。 （2） 采准工作采准工作主要是掘进阶段运输巷道，天井（作为行人，通风用），联络道，拉底巷道，和漏斗颈等。在间柱中的人行天井中每个45m掘进联络道与两侧矿房贯通。 （3） 切割工作以拉底巷道为自由面，形成拉底空间和辟漏，它的作用是为回采工作开辟自由面，并为爆破创造条件。 （4） 回采工作回采工作包括凿岩、爆破、通风、局部放矿、撬顶平场、大量放矿等。回采工作自下而上分层进行，分层高度一般为23m。 根据不同的采场结构尺寸，分组设计以下五组不同采场结构尺寸的房柱采矿法 1组阶段高度30m，矿块长度40m, 矿体厚度2m，矿房间距6m，底柱高度8m，顶柱厚度3m。 2组阶段高度35m，矿块长度45m, 矿体厚度3m，矿房间距7m，底柱高度9m，顶柱厚度4m。 3组阶段高度40m，矿块长度50m, 矿体厚度4m，矿房间距8m，底柱高度9m，顶柱厚度5m。 4组阶段高度45m，矿块长度55m, 矿体厚度5m，矿房间距9m，底柱高度10m，顶柱厚度5m。 5组阶段高度55m，矿块长度60m, 矿体厚度6m，矿房间距10m，底柱高度10m，顶柱厚度6m。 3. 垂直深孔落矿阶段矿房法 阶段矿房采矿法可分为分段凿岩和阶段凿岩。国内多采用分段凿岩。特点回采工作面是垂直的，需开切割槽和准备底部结构。 （1） 矿块布置和结构参数阶段高度4060m；矿块长度4060m；沿走向布置的矿块矿房宽度为矿体厚度1030m，间柱为812m；垂直走向布置的矿房宽度为1520m，间柱为1014m。顶柱610m，底柱高813m。 （2） 采准工作采准工作包括阶段运输巷道、通风人行井、分段凿岩巷道、电耙道、溜井、漏斗井和拉底巷道等。阶段运输巷道一般沿矿体下盘接触线布置，分段凿岩巷道靠近下盘。 （3） 切割工作切割工作包括采场拉底，劈漏和开切割槽等。切割槽可以布置在矿块中央或一侧。切割槽的开掘方法有浅孔拉槽、垂直深孔拉槽、水平深孔拉槽。 （4） 回采工作回采工作包括在分段巷道中打上向中深孔（最小抵抗线为1.5m1.8m）或深孔（最小抵抗线为3m）。全部炮孔打完后，每次爆破35排孔，上下分段保持垂直工作面或上分段超前一排炮孔，以保证上分段安全。 （5） 适用条件矿岩稳固的厚和极厚急倾斜矿体。 根据不同的采场结构尺寸，分组设计以下五组不同采场结构尺寸的垂直深孔落矿阶段矿房法 1组阶段高度40m，矿块长度40m, 沿矿体走向矿块布置的矿房宽度为10m，矿房间柱8m，底柱高度8m，顶柱厚度6m。 2组阶段高度45m，矿块长度45m, 沿矿体走向矿块布置的矿房宽度为12m，矿房间柱9m，底柱高度9m，顶柱厚度7m。 3组阶段高度50m，矿块长度50m, 沿矿体走向矿块布置的矿房宽度为13m，矿房间柱10m，底柱高度10m，顶柱厚度8m。 4组阶段高度55m，矿块长度55m, 沿矿体走向矿块布置的矿房宽度为15m，矿房间柱10m，底柱高度12m，顶柱厚度8m。 5组阶段高度60m，矿块长度60m, 沿矿体走向矿块布置的矿房宽度为18m，矿房间柱12m，底柱高度12m，顶柱厚度10m。 4. 无底柱分段崩落采矿法 无底柱分段崩落法的基本特点是，分段下部不设由专门出矿巷道所构成的地步结构，分段的凿岩、崩矿和出矿等工作均在回采巷道中进行，因此，大大简化的采场结构，给使用无轨自行设备创造了有利条件，并可保证工人在安全条件下作业。 （1） 结构参数阶段高度6070m，分段高度1020m，进路间距1020m，矿块尺寸（40m60m）（60m80m），溜井间距一般40m60m，溜井一般布置在脉外。 （2） 采准工作采准工作主要有阶段运输巷道、人行天井、溜矿井、回采进路、人行联络道、设备井、斜坡道等。回采进路垂直矿体走向布置，上下进路之间交错布置。 （3） 切割工作回采前必须在回采巷道的末端形成切割槽，作为最初爆破的自由面及补偿空间。切割槽的形成包括切割平巷和切割天井拉槽法，切割天井拉槽法，炮孔爆破拉槽法， （4） 回采工作落矿，出矿和通风等。 根据不同的采场结构尺寸，分组设计以下五组不同采场结构尺寸的无底柱分段崩落法 1组阶段高度60m，分段高度10m，矿块长度50m，垂直矿体走向矿块布置的矿房宽50m，进路间距为10m。 2组阶段高度60m，分段高度12.5m，矿块长度60m，垂直矿体走向矿块布置的矿房宽60m，进路间距为12.5m。 3组阶段高度70m，分段高度14m，矿块长度60m，垂直矿体走向矿块布置的矿房宽50m，进路间距为12m。 4组阶段高度75m，分段高度15m，矿块长度70m，垂直矿体走向矿块布置的矿房宽60m，进路间距为14m。 5组阶段高度80m，分段高度20m，矿块长度60m，垂直矿体走向矿块布置的矿房宽60m，进路间距为15m。 二．充填材料力学性质实验 充填材料是用各种砂、石以及它物料将采过的空间充填满，借以达到支撑围岩、防止或限制围岩大面积移动和地表沉陷；在分层采矿时，充填体可作为继续上采的工作地板或人工假顶。 1． 充填材料的物理性质 1 充填材料的比重与密度 固体颗粒充填材料在密实状态下单位体积所具有的重量，为该材料的比重，用 表示。固体颗粒充填材料在密实状态下单位体积所具有的质量，为该材料的密度，用表示。 其中W 充填材料固体颗粒的重量，kg； V0 充填材料的总体积，m3； V1 充填材料的孔隙体积，m3。 2 充填材料的容重 处于松散状态或自然堆积充填材料的单位体积（包括颗粒实体和孔隙）所具有的重量，称为该材料的容重，用表示。 其中W 松散充填材料的重量， V 松散充填材料的体积。 3 充填材料的孔隙比与孔隙率 充填材料中孔隙体积与充填材料固体颗粒纯体积之比，称为该材料的孔隙比，用表示。充填材料的孔隙率是指在堆放的松散充填材料总体积中孔隙体积所占的百分率，用（）表示。 孔隙比与孔隙率的关系如下式 其中V0 充填材料的总体积，m3； V1 充填材料的孔隙体积，m3。 比重，容重和孔隙率之间的关系 或 根据所提供的充填材料测出充填材料的如下物理性质。 表1 充填材料的物理性质 充填材料 比重 密度 容重 孔隙比 孔隙率 尾砂 河砂 碎石 4 充填料浆浓度 由水与充填材料混合形成的两相流称为充填料浆。料浆浓度是指砂浆中固体物料所占得比例。有两种表示法一种是指一定量的砂浆中，固体物料的体积与砂浆总体积之比，叫该砂浆的体积浓度。另一种是指一定量的砂浆中，固体物料的重量与砂浆总重量之比，叫该砂浆的重量浓度。 其中 砂浆的体积浓度，； 砂浆的重量浓度，； 砂浆比重，kg/m3； 水的比重，kg/m3； 固体物料的比重，kg/m3； 其中Wj 砂浆的重量，kg； V 砂浆的总体积，m3。 要求配制重量浓度分别为40 、50、60、70 的砂浆。 2． 充填材料的力学性质 充填材料的力学性质主要是指充填材料与水泥和水混合后，在一定的养护条件下所具有的强度。充填体的力学性质主要与砂浆浓度、水泥含量及养护时间有关。因此，通过实验来了解充填体的力学性质。 1 充填体的力学性质与砂浆浓度的关系 充填固体料与水泥和水混合后就形成了砂浆，在砂浆养护时间和水泥含量相同的条件下，砂浆的浓度越高，则充填体的强度越高。 其中 充填体的单轴抗压强度，Mpa； P 充填体所受到的最大压力值，N； S 充填体的受压面积，m2。 表2 充填体强度与砂浆浓度的关系 砂浆浓度， 40 50 60 70 充填体强度，Mpa 根据表2，做出砂浆浓度与充填体抗压强度的图。 2 充填体的力学性质与水泥含量的关系 在砂浆养护时间和砂浆浓度相同的条件下，砂浆的水泥含量越高，则充填体的强度越高。 表3 充填体强度与砂浆的水泥含量的关系 砂浆浓度， 40 50 60 70 充填体强度，MPa 根据表3，做出砂浆水泥含量与充填体抗压强度的关系图。 三．放矿动力学物理模拟实验 分段崩落法与阶段崩落法的基本特点是在覆岩下放矿，如果管理不善，则导致大量矿石的损失贫化。因此必须了解放矿过程中崩落矿岩的移动规律。 1. 单孔放矿时崩落矿岩移动规律 1 从漏孔放出矿量Q时，矿石Q在采场崩落矿岩堆中原来占有的形体称为放出体。当无边界条件限制时，实验得出，放出体为一近似椭球体，称之为放出椭球体。 在矿岩堆中产生移动（松动）的部分称为松动体，它的形状也是一个近似椭球体，故称松动椭球体。在松动范围内，各水平层成漏斗状凹下，称之为放出漏斗。设放出体高度为，大于的水平层上放出漏斗称为移动漏斗；等于的水平层上放出漏斗称为降落漏斗，小于的水平层的放出漏斗为破裂漏斗。 2 放出体的基本性质。放出体的基本性质有三个。 1 放出体为一近似椭球体。 放出椭球体体积按下式计算 其中 放出体高度； r 放出漏孔半径； 放出椭球体偏心率。 值根据实验求得，它取决于崩落矿岩的松散性质与放出条件。松散性好的值小，反之，值大。放出条件指放出体高度与放出漏孔直径的比值（），该比值小时，值小，反之，值大；当比值增大到一定数值之后趋于常值。为了便于建立计算方程，将体积计算式写成 式中椭球偏心率，该偏心率是根据实验按完全椭球求算的。 2 放出椭球体在被放出过程中，其表面仍然保持近似椭球体状，称此为移动椭球体。随着放出矿石，移动椭球体表面颗粒点同时被放出。 3 移动椭球体表面上各点的高度相关系数在移动椭球体的移动过程中保持不变，即 3 放出漏斗表达式。根据放出体的三条基本性质推导出放出漏斗曲面方程 其中为二次松散系数， K，n 为实验常数。 4 岩石混入过程 矿石放出过程中岩石混入情况取决于矿岩接触面条件。如图，当放出体高度小于矿石层高度时，放出的矿石为纯矿石，最大纯矿石量等于矿石层高度的放出体积。放出体高度大于矿石层高度时，岩石开始混入，混入岩石数量等于进入岩石中的椭球冠体积 。 椭球冠体积与整个放出体体积比率等于岩石混入率。若继续放出，使放出体由增大至时，此段时间放出量为-，设此量等于一个当次放出量，其中岩石量为- ，岩石所占比率为（- ）/（-），此为当次体积岩石混入率，若放出矿量很小时，可称为瞬时体积岩石混入率。 当矿石层高度足够大时，可取值为常数，此时体积岩石混入率y 其中Ｋ＝，Ｑ0为高度等于矿石层高度H0 的放出体体积。 2. 多漏孔放矿时崩落矿岩移动规律 多漏孔放矿时，方矿初期矿岩界面平缓下移，下移到某一高度后，开始出现凹凸不平。随着矿岩界面下降，凹凸不平现象愈来愈明显。当矿岩界面到达漏孔水平时，在漏孔间形成脊部残留，称此时脊部残留高度为岩石开始混入高度。接着再放出贫化矿石，一直放到截止品位时停止放矿。停止方矿时的脊部残留高度小于开始混入高度。 3. 根据放矿实验做出单孔放矿时崩落矿岩的移动 4. 根据放矿试验做出多孔放矿时崩落矿岩的移动 9