复杂富水矿山采矿方法选择研究(1).pdf

复杂富水矿山采矿方法选择研究 潘宝正 马钢姑山矿业公司, 安徽 当涂县 ２ ４ ３ １ ８ １ 摘 要 通过白象山铁矿地质条件分析, 结合矿体的形态特征, 进行采区划分和矿体分类, 并以此为基础, 进行采矿方法初选.针对西二区厚大缓倾斜厚－极厚矿体, 在初选方案中 提出了分段凿岩阶段出矿嗣后充填法、V C R嗣后充填法、 侧向崩矿阶段空场嗣后充填法 ３种方案; 利用层次分析法和模糊数学理论, 对初选提出的３个方案进行优化选择, 确定 分段凿岩阶段出矿嗣后充填法为最适宜的阶段充填法方案. 关键词 富水矿山; 采矿方法选择; 模糊数学综合评判; 充填采矿法 白象山铁矿隶属马钢矿业集团, 矿山位于安徽 省马鞍山市, 地质储量１． ０ ５亿t, 设计生产能力为 ２ ０ ０万t/a,采用主副井和风井３条竖井开拓.矿山 自２ ０ ０ ５年建矿以来井下涌水频繁, 且涌水量大、 水 压高, 目前矿山已开拓有－５ ０ ０,－４ ７ ０,－４ ３ ０m和 －３ ９ ０m４个中段, 其中－５ ０ ０m中段为运输中段, －３ ９ ０m为开拓中段,－４ ７ ０m为主要采矿中段, 矿 山实测井下涌水量为３ ２ ０ ０ ０m ３/ d, 井下大量频繁涌 水影响了矿山采矿方法的选择. １ 矿山开采技术条件 １．１ 矿体和围岩的稳固性 影响矿体稳定性的主要因素是矿石中的造泥矿 物和鳞片状矿物的含量及其富集程度.影响主矿体 稳定性的软弱夹石层主要夹石岩性为角岩、 大理岩、 闪长岩、 辉绿岩、 正长细晶岩和微晶高岭石岩等.主 矿体基本稳定, 但矿体夹石层和矿体顶底板围岩局 部具有软化岩石特征, 位于上下盘２ ０m范围内存 在一个近矿围岩不稳定带, 是影响矿山开采的主要 工程地质问题. １．２ 不良地质条件分析 １地表水系复杂 区内地表水系十分发育, 沟 渠纵横交错, 积水面积２ ０％左右.青山河由南向北 流经矿区. ２基岩含水层富水性强 经矿区水文地质勘 探线综合分析, 矿区矿体及顶板为基岩裂隙含水层, 且富水性以中等及强富水为主. ３矿坑涌水量大 矿体顶板为厚大的砂岩强 含水层, 该含水层向上承接第四系弱含水层的越流 补给, 向下补给矿体含水层, 目前矿坑涌水量已经达 到了３ ２ ０ ０ ０m ３/ d. ４断层富水性强 矿区内断裂构造较发育, 而 且矿区内的主要断裂带 包括两侧的裂隙发育带 都 具有导水作用, 因此, 水体下开采除要保证垂直 深 度 方向上一定的安全深度外, 在水平方向上, 也要 与导水结构保持一定的安全开采距离, 避免在侧翼 承压水条件下, 因安全距离过小, 导致断层突水. ２ 采区划分及矿体分类 ２．１ 采区划分 根据矿体的形态变化和地质条件, 将整个矿体 划分为４个采区 东一区、 东二区、 西一区和西二区, 具体采区划分见图１.图１右上角矿体因形态变化 较大, 勘探控制程度较低, 划为东一区; 右下角矿体 是靠近风井的小矿体, 相对独立, 因此划为东二区; 左上角矿体属缓倾斜中厚至厚大矿体, 水文地质条 件相对简单, 划为西一区; 左下角矿体倾角较缓, 厚 度极大, 整体性好, 划为西二区.由于西二区靠近 F ２导水断层, 将西二区断层安全矿柱界限与进路胶 结充填界限区域内的矿体称为西二－１区, 胶结充 填界限以东矿体称为西二－２区. ２．２ 矿体分类 采矿方法的选择除了考虑矿体及顶、 底板稳固 性、 赋存地质条件外, 更应充分考虑矿体倾角、 厚度 的变化.为了对矿体的赋存状况有一个更为全面的 掌握, 便于采矿方法的选择, 根据矿体的赋存状况、 倾斜程度和矿体厚度, 对矿体进行分类.东一区矿 量约１ ８ ７ ０万t, 占总矿量的２ ２． ７％, 矿体以缓倾斜中 I S S N１ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ C N４ ３－１ ３ ４ ７/T D 采矿技术 第１ ８卷 第３期 M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l ．１ ８,N o ．３ ２ ０ １ ８年５月 M a y２ ０ １ ８ 厚－厚矿体为主; 东二区为靠近风井的小矿体, 矿量 约３ ８ ５万t, 占总矿量的４． ７％, 矿体以缓倾斜中厚－ 厚矿体为主; 西一区矿量约２ ０ １ ０万t, 占总矿量的 ２ ４．４％, 矿体以缓倾斜到倾斜２ ０ ４ ０ 的厚－极厚 矿体为主; 西 二区矿量约３ ９ ７ ０万t, 占总矿量 的 ４ ８．２％, 矿体以缓倾斜厚－极厚矿体为主. 图１ 矿体区段划分 ３ 西二区采矿方法选择 由矿量分区分类统计情况可知 东一区、 东二 区、 西一区矿体以缓倾斜－倾斜、 中厚－厚矿体为 主.根据地表不允许陷落排除崩落法; 为降低损失 贫化、 保障空区作业安全排除空场法; 考虑到在采场 内留设点柱, 不仅妨碍无轨设备运行, 造成永久损 失, 而且在采矿过程极易被超剥, 失去支撑作用影响 回采安全, 因此排除点柱充填法, 确定这类矿体采用 上向水平分层充填法或上向水平进路充填法. 西二区紧挨F ２富水断裂, 且为缓倾斜厚－极 厚矿体, 厚度超过１ ０ ０m, 依据类似地下矿山相关生 产实际资料, 采矿方法应以阶段充填法为主[ １ Ｇ ２], 包 括 分段凿岩阶段出矿嗣后充填法 方案I 、V C R嗣 后充填法 方案I I 、 侧向崩矿阶段空场嗣后充填法 方案I I I . ３．１ 分段凿岩阶段出矿嗣后充填法 方案I １方案特征与采场布置方式.矿房、 矿柱垂 直矿体走向布置, 一步回采矿柱, 胶结充填, 形成人 工充填体矿柱; 二步回采矿房, 进行非胶结充填或低 标号胶结充填.根据矿山地质资料确定阶段高度为 ４ ０m, 矿房、 矿柱宽度均为１ ８m, 长度为矿体水平厚 度.矿柱回采时, 将阶段划分为若干分段, 在分段凿 岩巷道内钻凿扇形中深孔, 向切割槽侧向崩矿, 崩落 矿石落入采场底部的“V” 型受矿堑沟, 由铲运机自 出矿进路内铲出.出矿底部结构采用堑沟式, 每两 个采场共用一条出矿巷道. ２方案评价.该方案适用于矿石和围岩中等 稳固以上的厚大矿体; 可以多分段同时回采, 作业集 中, 回采强度高, 生产能力大; 作业在专用巷道内进 行, 安全性好.缺点是切割工程量大, 中深孔凿岩与 爆破技术存在一定的难度, 中深孔爆破对周围采场 或充填体影响较大. ３．２ V C R嗣后充填法 方案I I １方案特征与采场布置.矿房矿柱布置同方 案I.在矿块上部水平布置凿岩硐室, 利用凿岩台 车钻凿下向垂直深孔至矿体下部的拉底水平, 采用 球状药包漏斗爆破, 自下而上分层落矿, 铲运机出 矿.出矿底部结构采用堑沟式, 每两个采场共用一 条出矿巷道. ２方案评价.该方案优点是 采场生产能力 大, 劳动生产率高; 不需要掘进全段高的切割天井和 分段凿岩巷道, 采切工程量小; 崩矿质量好, 大块率 低; 采矿成本低.缺点是 凿岩技术要求高; 使用高 密度、 高爆速的炸药、 爆破成本高, 深孔施工与装药、 爆破技术难度较大. ３．３ 侧向崩矿阶段空场嗣后充填法 方案I I I １方案特征与采场布置.该方案采场布置方 式与方案I相同.采场底部开凿拉底堑沟巷道, 采 场顶部布置凿岩硐室, 钻凿下向垂直炮孔, 以切割立 槽为自由面, 侧向崩矿, 铲运机出矿.出矿底部结构 采用堑沟式, 每两个采场共用一条出矿巷道. ２方案评价.该方案生产能力大, 落矿效率 高, 但其缺点是 切割立槽形成困难, 侧向全段高崩 矿, 大块率高, 对顶板及周围采场稳定性影响大. ３．４ 采矿方法优选 如前所述, 东一区、 东二区、 西一区矿体缓倾斜 －倾斜、 中厚－厚矿体, 主要采用上向水平分层充填 法或上向水平进路充填法.西二区矿体厚度超过 １ ０ ０m, 采矿方法以阶段充填法为主, 利用层次分析 法和模糊数学理论, 对初选提出的３个方案进行优 化选择, 确定最适宜的阶段充填法方案, 具体分析 如下. 模糊数学的综合评判主要涉及４个要素 因素 集X, 方 案 集A, 隶 属 矩 阵R和 权 重 分 配 向 量 W [３ Ｇ ５].根据评价指标的不同, 模糊综合评判可分为 一级模糊评价和多级模糊评价, 本次研究为二级模 糊评价, 结合白象山铁矿情况, 根据收益性与消耗性 定量指标的隶属函数法, 对指标体系中的地压管理, 下转第３ ９页 ８ 采矿技术 ２ ０ １ ８,１ ８３ 相一致.工作面初次来压和周期来压时, 支架最大 工作阻力大幅增加, 多次超过其额定工作阻力３ ３． ５ MP a, 支架安全阀多次开启, 与理论分析结论相互验 证一致. 峰丛地貌下工作面推进期间, 未发生冒顶和支 架压死等现象, 说明在工作面支架选型时, 结合理论 分析与数值模拟结果, 将峰丛地貌对顶板载荷分布 影响特别是背谷段开采作为重要参考是合理的. ４ 结 论 １基于峰丛地貌浅埋煤层工作面上覆岩层矿 压显现规律和顶板破断特征的分析, 结合发耳矿区 １ ３ ０ ６工作面浅埋煤层地质条件, 建立了峰丛地貌下 浅埋煤层开采基本顶来压期间“ 支架－围岩” 相互作 用关系模型.计算得出控制初次来压和周期来压顶 板结构滑落失稳的支护阻力, 并对“ 支架－围岩” 相 互作用关系进行了分析. ２采用F L A C ３ D数值模拟软件分析了工作面 过山地沟谷段时煤岩体垂向应力和垂直位移量的变 化规律, 得出了矿压显现剧烈程度呈现“ 背谷段＞向 谷段＞谷底段” 的特征, 应将背谷段开采作为确定支 架合理工作阻力的主要参考依据. 参考文献 [１]黄庆享．浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M]．徐 州 中国矿业大学出版社,２ ０ ０ ０． [２]黄庆享．浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J]．岩石力学 与工程学报,２ ０ ０ ２,２ １８ １ １ ７ ４ Ｇ １ １ ７ ７． [３]王旭锋．冲沟发育矿区浅埋煤层采动坡体活动机理及其控制 研究[D]．徐州 中国矿业大学, ２ ０ ０ ９． [４]黄庆享．浅埋煤层长壁开采顶板结构理论与支护阻力确定 [J]．矿山压力与顶板管理,２ ０ ０ ２,１ ９１ ７ ０ Ｇ ７ ２． [５]黄庆享, 胡火明, 刘玉卫, 等．浅埋煤层工作面液压支架工作 阻力的确定[J]．采矿与安全工程学报, ２ ０ ０ ２,６３ ３ ０ ４ Ｇ ３ ０ ７． [６]钱鸣高, 石平五．矿山压力及其控制[M]．徐州 中国矿业大学 出版社,２ ０ ０ ３． [７]侯忠杰,吴文湘, 肖 民．厚土层薄基岩浅埋煤层“ 支架－围 岩” 关系实验研 究[J]．湖 南科技大学学报 自然 科学版 , ２ ０ ０ ７,２ ２１ ９ Ｇ １ ２． [８]刘国磊．山地浅埋煤层开采覆岩运动规律与结构特征研究 [D]．青岛 山东科技大学,２ ０ １ ０． [９]刘国磊, 樊克恭, 肖同强．山地浅埋煤层工作面支架合理工作 阻力研究[J]．地下空间与工程学报, ２ ０ １ ２,８０ ５ １ ０ ３ ４ Ｇ １ ０ ４ ０． [１ ０] 王旭峰, 张东升, 张 炜, 等．沙土质型冲沟发育区浅埋煤层 长壁开采支护阻力的确定[J]．煤炭学报,２ ０ １ ３,３ ８２ １ ９ ４ Ｇ １ ９ ８． [１ １] 王方田, 屠世浩, 张艳伟, 等．冲沟地貌下浅埋煤层开采矿压 规律及顶板控制技术[J]．采矿与安全工程 学报,２ ０ １ ５,３ ２ ０ ６ ８ ７ ７ Ｇ ８ ８ ２． 收稿日期 ２ ０ １ ８ Ｇ ０ ３ Ｇ ０ ７ 作者简介 郭建达 １ ９ ９ ２－ , 男, 河南南阳人, 硕士, 主要从事 矿山压力理论研究,Em a i l ９ ３ ６ ５ ３ １ ７ ４ ０＠q q ．c o m. 􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙 上接第８页 采场稳定性、 适应性、 难易度共４个定量指标进行计 算, 然后综合评判满意度和优越度[ ３ Ｇ ５].通过计算分 析各方案的综合优越度分别为 ９ ４．８％ 方案I ; ８ ５．１％ 方案I I ;７ ８．１％ 方案I I I ; 因此选择分段凿 岩阶段出矿嗣后充填法法为西二区的采矿方法. ４ 结 论 依矿山的地质及水文地质条件, 分析了矿山采 矿方法选择的影响因素, 进行了采区划分和矿体分 类.结合矿体分类和矿体形态, 在东一区、 东二区、 西一区采用上向水平分层充填法或上向水平进路充 填法; 针对西二区厚大矿体制定了分段凿岩阶段出 矿嗣后充填法、V C R嗣后充填法、 侧向崩矿阶段空 场嗣后充填法, 并通过模糊数学对比分析, 选择分段 凿岩阶段出矿嗣后充填法为最适宜的阶段充填法 方案. 参考文献 [１]汪令松．罗河铁矿富水厚大矿体采矿方法优化选择研究[D]． 长沙 中南大学,２ ０ １ ４． [２]李学锋, 段希祥, 李壮阔．凡口铅锌矿深部倾斜中厚矿体采矿 方法优化选择[J]．昆明理工大学学报 理工版 , ２ ０ ０ ３０ ６ １ Ｇ ３,７． [３]苗胜军, 王子木, 刘亚运, 等．基于层次分析法的采矿方法模 糊评价模型及应用[J]．矿业研究与开发,２ ０ １ ７, ３ ７０ ６ ６ ６ Ｇ ６ ９． [４]吴启坤．模糊数学在采矿方法优化选择中的应用[J]．工程建 设,２ ０ １ ２, ４ ４０ １ １ ０ Ｇ １ ３． [５]赵树果, 宋焕虎, 宋卫东．基于粗糙模糊集理论的采矿方法优 化研究[J]．金属矿山, ２ ０ １ ５０ ５ ４ ８ Ｇ ５ １． 收稿日期 ２ ０ １ ８ Ｇ ０ ３ Ｇ ０ ７ ９３ 郭建达, 等 峰丛地貌浅埋煤层工作面覆岩移动规律研究