某磷矿采矿方法优化研究.pdf

有色金属科学与工程第 10 卷 第 3 期 2 0 1 9 年6月 Vol.10， No.3 Jun. 2019NonferrousMetals Science and Engineering 文章编号 1远苑源-怨远远怨 （圆019） 03-0081-05DOI 10.13264/ki.ysjskx.2019.03.014 引文格式院周根明袁胡建钊袁段永祥. 某磷矿采矿方法优化研究[J]. 有色金属科学与工程袁2019袁员园3院81-85. 某磷矿为新建地下开采矿山袁 属缓倾斜中厚矿 体袁设计分为两期开采袁一期开采 400 m 标高以上矿 体袁可服务约 32 a曰二期开采 400 m 标高以下矿体袁 可服务约 22 a袁最终服务年限为 54 a. 设计生产规模 为 500 万 t/a. 矿山采用主副井开拓袁 主井为箕斗井袁 用于矿石提升袁副井担负全矿人员尧设备尧材料的提 升任务袁副井同时担负进风任务. 共设 1 条主井袁2 条 副井. 采出矿石经铲运机装入自卸卡车袁 卸入主溜 井袁经箕斗井提升至地表. 设计采用上向水平分层充 填法和上向进路充填法进行开采. 某磷矿采矿方法优化研究 周根明袁胡建钊袁段永祥 渊金诚信矿业管理股份有限公司袁北京 101500冤 摘要院某磷矿为新建地下开采矿山袁属缓倾斜中厚矿体袁原设计采用上向水平分层充填法和上向进 路充填法进行开采袁鉴于该采矿方法采切工程量大尧工艺复杂尧安全性差尧生产能力低和劳动强度高袁 难以满足矿山 500 万 t/a 的生产能力要求. 通过对矿山开采技术条件及矿山生产实际的综合研究袁确 定采取盘区布置形式袁预控顶中深孔空场嗣后充填采矿法和掘进机进路式采矿法开采袁并使用大型 无轨设备进行采掘作业. 优化后减少了采切工程尧简化了采矿工艺尧改善了作业条件袁降低了工人劳 动强度. 关键词院缓倾斜曰中厚矿体曰盘区布置曰预控顶采矿法曰大型无轨设备 中图分类号院TD852文献标志码院A Research on optimization of mining of a phosphate mine Z匀OU Genming, HU Jianzhao, DUAN Yongxiang Gold Integrity Mining Management Co., Ltd., Beijing 101500, China Abstract A phosphate mine is a new underground mining mine, which belongs to a gently inclined medium thick ore body. The original design used the upward horizontal stratification filling and the upward approach filling for mining. In view of the large amount of cutting work, complex process, poor safety, low production capacity and high labor intensity, it is difficult to meet the requirement of 5 million t/a production capacity in the mine. Through a comprehensive study of mining technical conditions and actual mining production, it is determined that the layout of the mining area is adopted, and the pre-control of the middle and deep hole empty field is followed by the of filling and filling mining and the mining of the excavation machine. The mining operation is carried out using large-scale trackless equipment. After optimization, the cutting project was reduced, the mining process was simplified, the operating conditions were improved, and the labor intensity of workers was reduced. Keywords gentle tilt; medium thick ore body; disk area layout; pre-control top mining ; large trackless equipment 收稿日期院2019-04-09 基金项目院国家重点专项资助渊2017YFC0602900曰2017YFC0602904冤 作者简介院周根明渊1973- 冤袁男袁工程师袁主要从事有色金属矿山尧黑色金属矿山的采矿技术与生产管理工作袁E-mail院zhougenming. 鉴于设计采矿方法采切工程量大尧 工艺复杂尧安 全性差尧生产能力低和劳动强度高[1]袁难于满足矿山 500 万 t/a 的生产能力的要求. 通过对矿山开采技术 条件及矿山生产实际的综合研究[2]袁确定采取盘区布 置形式袁预控顶中深孔空场嗣后充填采矿法和掘进机 进路式采矿法开采袁并使用大型无轨设备进行采掘作 业. 方案优化后减少了采切工程尧 简化了采矿工艺尧 改善了作业条件袁降低了工人劳动强度[3]袁较原采矿 方法采切比降低了 20 袁 生产能力提高了 83 袁损 失率降低了 23 袁经济效益明显. 1开采技术条件 该磷矿为缓倾斜中厚矿体袁分上下渊a尧b冤两矿 层袁总体呈隐伏状产出. 上层矿为 b 矿层袁倾角 15毅袁 平均厚度 9 m曰下层矿为 a 矿层袁倾角 15毅袁平均厚 度 16 m袁 a尧b 二层矿因用途不一须分采分运. 夹层平 均厚度 3.99 m. 矿体走向北东袁走向长约 3 800 m袁赋 存标高 0耀800 m袁 分东西两翼矿层. 西翼矿层倾向 320毅耀350毅袁 倾角 10毅耀23毅曰 东翼矿层袁 倾向 150毅耀 170毅袁倾角 50毅耀65毅. 矿体的容矿岩石为含炭质磷块岩袁 节理发育袁具 层状构造. 该岩层工程地质特性复杂多变袁稳固性总 体较差. a尧b 矿层及顶底板示意图见图 1. 直接顶板及矿体的夹层均由深灰色厚层含磷泥 至粉晶白云岩和含硅质岩团块白云岩组成袁含磷岩石 软硬不均. 矿体节理尧裂隙发育袁将矿岩切割成大小 不等的碎块袁岩层稳定性较差. 矿体直接底板为深灰色薄层条带状细-中粒含 磷细砂岩夹含磷细晶白云岩和白云岩及少量白云质 黏土岩组成. 该岩层物理力学指标稳定袁工程地质性 能良好袁岩层稳固性较好. 矿区水文地质条件相对简单. 坑内涌水主要是 由大气降水与裂隙水补充袁涌水量不大袁对矿体回采 影响较小. 2原采矿方法评述 原设计采用上向水平分层充填法和上向进路充填 法开采. 其中袁 上向水平分层充填法用于岩石稳固性相 对较好的地段袁上向进路充填法用于岩石较破碎地段[4]. 2 种采矿方法所占的比例分别为 70 和 30 . 上向水平分层充填法采场垂直矿体走向布置袁沿 矿体走向每隔 120 m 划分盘区袁采场长度分别为 a尧b 矿层水平厚度袁中段高度 50 m袁分段高度 12.5 m. 分 矿房矿柱二步骤回采袁矿房尧矿柱宽度均为 8 m袁先采 矿房后采矿柱袁嗣后均采用胶结充填[5]. 上向进路充填法采场沿矿体走向布置袁沿矿体走 向每隔 120 m 划分盘区袁采场长度为 60 m袁中段高度 50 m袁分段高度 12.5 m袁每个分段承担 3 个分层的回 采袁进路宽 4.5 m. 经研究认为原采矿方法存在如下问题院 1冤采准工程基本在脉外布置袁基建和生产过程中 废石量较大[6]. 2冤分段巷道距矿体的水平距离较近袁但由于矿体 较缓袁使得每个分段第 2 分层联络道的倾角达 26毅左 右袁坡度约 48 袁这样大的坡度采用铲运机出矿难以 实现. 经分析实际生产中分段巷道至矿体的距离还 需加大袁相应各条分层联络道的长度也会增加袁故采 切工程量实际生产中会增大[7]. 3冤采准工程极有可能穿过岩性较差的南沱组冰碛 砾岩夹黏土岩层袁施工难度较大袁支护成本较高[8-9]. 4冤a尧b 层矿的矿石性质不同袁难以采用统一的采 场尺寸. 且两层矿之间的缓倾斜夹层难以剔除袁导致 贫损指标较高. 5冤2 种采矿方法回采工艺均较为复杂袁生产能力 偏低袁作业安全性差袁工人劳动强度较高[10-11]. 3采矿方法优化与矿块布置 3.1采矿方法初选 通过对矿体开采技术条件研究袁对比原设计推荐 采矿方法袁拟选采矿方法如下院 1冤 对于 a 层矿袁 采用预控顶中深孔空场嗣后充 填采矿法[12]袁但考虑到 a 层矿厚约 16 m袁若切顶后一 次采全高约 12耀13 m袁则空区两侧围岩可能会发生失 稳破坏袁故进一步考虑了采用分两段开采的情况. 同 时袁 对不同采场宽度情况下袁 采用 FLAC3D 软件对 a 图 1a尧b 矿层及顶底板示意 Fig. 1Schematic diagram of a and b seam and roof and floor . 矿体顶板曰 . b 矿层曰 . a 矿层曰 . 矿体底板. . 矿体夹板曰 有色金属科学与工程2019 年 6 月 82 图 2顶板最大下移量与矿房宽度关系曲线 Fig. 2Relation curve of roof maximum declination and width of ore chamber 图 3两侧围岩最大位移量与矿房宽度关系曲线 Fig. 3Relationship curve of maximum displacement of surrounding rocks on both sides and width of ore chamber 围岩 类型 密度 /渊t 窑 m-3冤 弹性模量 /GPa 泊松比 内聚力 /MPa 内摩擦角 /渊毅冤 抗拉强度 /MPa 上盘2.8417.520.263.139.80.683.64 b 矿层2.7728.400.301.51.635.10.542.66 夹层2.8621.900.324.528.80.743.98 a 矿层2.9829.540.323.736.64.745.96 下盘2.8030.190.214.838.70.724.36 充填体1.851.640.371.0819.20.85 表 1磷矿矿岩物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of phosphate rock 层矿一次采全高和分两段开采时采场受力情况和变形 情况进行了模拟研究袁得出较为合理的采场宽度[13]. 2冤对于 b 层矿袁设计采用综采机进路式开采[14]. 3.2采场数值模拟研究 1冤 建立 FLAC3D 数值分析模型. 模型沿矿体走 向长度取 60 m袁垂直矿体走向宽度 50 m袁高度 60 m. 岩体本构采用摩尔库仑准则. 分两段回采时袁矿房宽 度分别取 6 m尧8 m尧10 m尧12 m袁 预控顶层高 4 m袁每 段采高 6 m. 一段回采时袁矿房宽度分别取 6 m尧8 m尧 10 m尧12 m袁控顶层高 4 m袁采高 12 m. 2冤岩石力学参数确定. 根据磷矿的工程地质特征尧 室内岩石的物理力学参数以及此次计算的要求[15]袁磷矿 矿岩物理力学参数见表 1. 3冤采场稳定性数值模拟. 分述如下. 第 1袁 淤全段回采稳定性数值模拟. 顶板垂直位 移分析院 顶板垂直位移的变化对于采场稳定性具有重 要影响袁在研究采场时袁判断顶板最大垂直位移是衡量 采场是否安全的重要指标[16].主要对比分析 6 m尧8 m尧 10 m 及 12 m 矿房宽度条件下顶板的垂直位移袁而顶 板的最大位移为 12.82 mm袁尚处于稳定状态袁说明采场 顶板稳定袁 顶板最大围岩量与矿房宽度曲线图见图2.于 两侧围岩水平位移分析院采用本采矿方案时袁两侧围 岩高度较高袁暴露面积较大袁存在着安全隐患袁所以该 处的变形特征是判断危险区域的重要参考指标[17]. 文 中主要对比分析以上 4 种矿房宽度下两侧围岩的水 平位移袁两侧围岩最大位移量与矿房宽度关系曲线图 见图 3. 从图 3 可以看出左侧围岩位移大于右侧袁说 明左侧围岩的稳定性较差袁这与矿体的构造和地应力 分布有一定的关系. 第 2袁 分段回采稳定性数值模拟. 淤顶板垂直位 移分析院对比分析分段回采时 6 m尧8 m尧10 m 及 12 m 矿房宽度条件下顶板的垂直位移袁顶板的最大位移为 13.73 mm袁尚处于稳定状态袁说明采场顶板较为稳定. 顶板最大围岩量与矿房宽度曲线图见图 2. 于两侧围 岩水平位移分析院对比分析分段回采条件下以上 4 种 矿房宽度下两侧围岩的水平位移袁两侧围岩最大位移 量与矿房宽度关系曲线图见图 3. 从图 3 可以看出左 侧围岩位移大于右侧. 此外袁与全段回采相比袁分段 回采时围岩的水平位移小于前者袁 这说明分段回采 时袁加入充填体有助于控制围岩的水平位移. 4冤 数值模拟结论. 根据 FLAC3D 软件数值模拟 的结果袁当切顶后一次全段回采时袁矿房宽度为 6 m曰 当采用两段回采时袁 矿房宽度为 8 m 采空区侧帮和 顶板稳定性较好. 分两段回采的方式尽管稳定性较 好袁但是与全段回采的方式相比袁将会增加采切成本. 故对 a 层矿岩石稳固性相对较好的地段采用全段回 采袁对岩石较破碎地段采用分段回采. 分段回采全段回采 15 13 11 9 7 5 5791113 6.54 8.34 10.34 12.82 13.73 11.42 9.17 7.1 矿房宽度 /m 左侧 全段回采 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5791113 6.18 6.5 6.96 7.08 8.07 8.04 7.1 矿房宽度 /m 6.87 7.37 7.61 8.2 8.37 7.74 7.35 右侧 全段回采 左侧 分段回采 右侧 分段回采 6.89 第 10 卷 第 3 期周根明袁等院某磷矿采矿方法优化研究 7.29 83 3.3采矿方法描述 1冤采区尧盘区和采场划分. 矿体沿走向每隔 200 300 m 布置一个采区袁采区在倾向方向采用伪倾斜布 置袁采区之间沿矿体伪倾向留设 35 m 或 25 m 间柱袁 a 矿层分段回采时间柱宽 35 m袁a 矿层全段回采时间 柱宽 25 m袁间柱内布置斜坡道袁其平均坡度 15 曰同 一采区中袁 在高度方向上每 50 m 设置一个盘区袁盘 区矿柱中布置无轨巷道. a 层矿体开采时袁 在盘区内 沿矿体走向划分条带式采场. 2冤开采顺序. 淤采区开采顺序院原则上按照由两 翼端部向回风井的方向进行回采. 于盘区开采顺序院 总体按照自下而上的开采顺序袁 即同一标高的各盘 区均可同时采矿袁 不同标高的盘区可按照两翼的盘 区超前中间盘区的方式进行同时回采[18-19]. 盂a尧b 矿 层的开采顺序院 采用先开采 a 矿层后开采 b 矿层的 开采顺序. 3冤 采准切割. 淤 a 矿层分段回采时采准工程主 要有院斜坡道联络道尧分段联络道尧回风充填道尧a 矿 层溜井尧b 矿层溜井尧b 矿层出矿道尧进风天井尧回风 天井等曰切割工程主要有 1 步骤切割平巷尧2 步骤切 割平巷和切割天井. 其中斜坡道联络道断面为 4.3 m伊3.8 m袁分段联络道断面为 4.3 m伊3.8 m袁回风充填 道断面为 4.3 m伊3.8 m袁溜井断面为 渍2 m袁出矿道断 面为 3.8 m伊3.5m袁 切割平巷断面为 3.8 m伊3.5 m袁切 割天井断面为 3 m伊3 m. a 矿层分段回采采矿方法见 图 4. 于a 矿层全段回采时采准工程主要有院 斜坡道 联络道尧a 矿层回风充填道尧a 矿层溜井尧b 矿层主溜 井尧b 矿层盘区出矿道尧进风天井尧回风天井等曰切割 工程主要有切割平巷和切割天井. 断面规格同上袁全 段回采采矿方法见图 5. 4冤回采工艺. 淤a 矿层.切顶采用 Boomer281 凿 岩台车袁炮孔孔径 45 mm袁孔深 2.5耀3.5 m袁炮孔间距 渊最小抵抗线冤1.1耀1.7 m袁 同时配备 YT28 凿岩机辅助凿 岩[20].下层凿岩采用 T-100G 潜孔钻机袁孔径 76 mm袁为 有效控制采场出矿块度袁设计中深孔凿岩台车于切顶平 巷内向 a 矿层打下向平行孔袁排距 1.8 m袁孔距 1.8 m袁抵 抗线 2.0 m袁孔底距 1.8 m. 矿石由 4 m3柴油铲运机装 入 20 t 运矿卡车袁卸至 a 矿层溜井袁装入 a 矿层主运 输皮带袁经皮带运至主井附近 a 矿层主溜井袁放入主 井箕斗提到地面. 新鲜风流经副井和进风井进入袁 经盘区斜坡道或进风天井进入采场袁 冲洗工作面 后袁污风由回风巷道尧回风天井进入上部回风巷袁由 回风井抽出地表. 采用浓度为 73 的尾砂颐磷石膏 配比为 1颐3耀1颐4 的胶结充填. a 矿层全段回采回采工 艺同上袁不同的是采场宽为 6 m 或者 8 m袁高为 13 m. 于b 矿层. 采用综采机进路式回采袁开采分两层袁进路 高 4.5 m袁宽 4 m袁先采下分层袁待下分层充填达到预 定强度后进行上分层开采袁 采用隔二采一的回采工 艺袁进路沿矿体伪倾斜方向布置袁长度约 100 m袁每条 进路回采后进行充填. 矿石由 4 m3柴油铲运机装入 20 t 运矿卡车袁卸至 b 矿层溜井袁装入 b 矿层主运输 皮带袁运至主井附近 b 矿层主溜井袁放入主井箕斗提 到地面. 通风及充填同 a 矿层袁若先开采 b 矿层袁则 b 矿层开采后形成的采空区必须采用陈化时间在 3 d 以内的新鲜磷石膏制成的充填料浆作为充填材料以 提高 b 充填体的强度. 3.4采矿方法指标对比 采矿方法优化前后主要技术指标对比见表 2. 从表 圆 中可以看出袁 虽然因为需留设保安矿柱袁 综合回收率下降了 3.75 袁但是盘区生产尧综合贫化 率尧废石率尧副产率和采切比指标均得到了大幅度的 优化[21]. 图 4a 矿层分段回采采矿方法示意 Fig. 4a schematic diagram of the of segmented mining back to mine 充填巷道 护顶 b 矿层 a 矿层 夹层 a 矿层 2 步 骤中深孔 充填体 1 步骤 上分段 出矿 . a 矿层 1 步骤上分段曰 . a 矿层切顶层曰 . a 矿层 2 步骤回采条带. . a 矿层 1 步骤下分段曰 充填体 1 步骤 下分段 出矿 1 步骤 中深孔 切割出 矿巷道 a 矿层总体开采顺序院 有色金属科学与工程2019 年 6 月 84 员. 切顶联络道曰圆. a 矿层充填巷道曰3. 护顶锚杆曰4. 切顶平巷曰5. 夹层曰 6. 中段无轨运输道曰7. b 矿层主皮带运输道曰8. b 矿层矿石溜井曰9. 盘 区进风井曰员0. a 矿层主皮带运输道曰员1. a 矿层主溜井曰员2. 切割平巷 渊出矿道冤曰13. 炮孔曰员4. 盘区斜坡道. 序 号 指标 名称 优化前 综合指标 优化后 综合指标 备注 1盘区生产能力 /渊t 窑 d-1冤1 100耀1 5002 750提高 83 2综合回收率 /85耀8883.26降低 3.75 3综合贫化率 /5耀85降低 23 4废石率 /23.220.64减少 97.2 5副产率 /7.0218.02提高 156.7 6 采切比 /渊m 窑 kt-1冤7.065.54降低 21.5 采切比 /渊m3窑 kt-1冤80.2464.23降低 19.95 表 2采矿方法优化前后主要技术指标对比 Table 圆Comparison of main technical indicators before and after optimization of mining s 图 5a 矿层全段回采采矿方法示意 Fig. 5a schematic diagram of mining for the whole section 4结论 通过对原采矿方法优化袁 将上向分层充填法和 上向进路充填法开采改为预控顶中深孔空场嗣后充 填采矿法和综采机进路式充填法袁经综合分析袁优化 后的采矿方法具有以下优点院 1冤 盘区生产能力提高了 83 袁 完全满足矿山 500 万 t/a 的要求曰贫化率降低了 23 袁将大幅度降 低运输尧提升和选厂成本. 2冤废石率得到了明显降低袁不但减少炸药消耗袁 减少雇员袁而且大幅度降低运输尧提升袁减少地表废 石场面积袁节约地表占地袁减少了设备购置费. 3冤由于采用脉内采准布置袁基建和生产期副产 率得到了较大的提高袁 一定程度上加快了业主回收 资金的速度. 4冤通过此次采矿方法优化袁采用大型无轨机械 设备袁不但提高了劳动生产效率袁而且可改善工人井 下作业环境袁为安全尧高效开采打下了坚实的基础. 参考文献院 [1] 刘哲袁金晓刚袁刘培正. 缓倾斜中厚至厚矿体采矿方法探讨[J]. 现代 矿业袁2014袁540渊4冤院20-21. [2] 谢成彬.上下盘均不稳固缓倾斜中厚矿体采矿方法研究[J].中国矿 山工程袁2011袁40渊2冤院3-4. [3] 李兴尚, 吴法春, 许家林. 上向水平分层充填采矿法的优化研究[J]. 金属矿山, 2006袁35841-3. [4] 陈五九袁刘发平袁张钦礼. 预控顶上向进路充填法在白象山铁矿的 应用[J].现代矿业, 2016袁32959-62. [5] 谢文杰袁王宜勇袁孔详业. 缓倾斜中厚矿体采矿方法实验与应用[J]. 黄金袁2012袁8渊33冤院25-27. [6] 曾广辉袁罗佳. 香炉山钨矿缓倾斜中厚矿体采矿方法选择[J].采矿 技术袁2015袁15渊4冤院1-4. [7] 王德州.琅琊山铜矿上向水平分层尾砂充填采矿法及其优化[J]. 采 矿技术, 201153-4. [8] 王新民, 曹刚, 张钦礼,等. 康家湾矿深部难采矿体采场稳定性及结 构参数优化研究[J]. 河南理工大学学报自然科学版, 2007, 266 634-640. [9] 赵兴宽袁 郭蕊. 矿岩稳定性对缓倾斜中厚矿体采矿方法选择的影 响[J].采矿技术袁2015袁15渊1冤院15-17. [10] 姜群袁刘吉兴袁童意章,等. 锡矿山南矿缓倾斜中厚矿体采矿方法 实践[J].采矿技术袁2013袁1渊1冤院9-11. [11] 王发清袁刘志国. 缓倾斜中厚矿体采矿方法优化选择[J]. 采矿技术袁 2009袁9渊5冤院4-5. [12] 李安平袁刘洋树袁皇甫风成袁等. 破碎围岩矿体预控顶分段空场嗣 后充填法的研究与实践[J]. 矿业研究与开发,2014213-17. [13] 仵锋锋.分段崩矿阶段空场嗣后充填采矿法采场结构参数的数值 模拟研究[J]. 采矿技术袁2015袁9渊5冤院9-12. [14] 徐广举袁姚金蕊袁李夕兵,等. 基于悬臂式掘进机的采矿方法研究[J]. 矿业研究与开发,2010袁101-13. [15] 周伟永袁饶运章袁汪弘,等.基于 FLAC3D 的采场稳固性数值模拟研 究[J]. 矿业研究与开发,201421-4. [16] 吴贤振袁 饶运章. FLAC3D 软件在优化深部高硫高品位矿体采场 结构参数中的应用[J]. 有色金属渊矿山部分冤袁2004袁56渊6冤院13-15. [17] 叶海旺,常剑,周磊. 基于 FLAC3D 的采场结构参数优化[J]. 金属 矿山袁2010渊12冤院6-8. [18] 赵奎, 邵海, 徐峰, 等. 某铜矿不同采矿进路布置开采稳定性数值 模拟[J]. 有色金属科学与工程, 2013袁4246-50. [19] 修雷袁乔木袁李志军,等. 缓倾斜中厚矿体开采方法研究[J]. 有色金 属渊矿山部分冤袁2011袁63渊2冤院8-10. [20] 彭康.中厚倾斜破碎磷矿体开采方法研究与应用[D].长沙院中南大 学袁2010. [21] 吴启海袁周礼袁赵国彦.缓倾斜中厚矿体房柱嗣后充填采矿法实 践[J]. 化工矿物与加工袁201312院43-45. 第 10 卷 第 3 期周根明袁等院某磷矿采矿方法优化研究 85