高寒矿井复杂难采矿体采矿方法研究与选择.pdf

摇 2020 年 2 月 第 49 卷摇 第 1 期 中国矿山工程 China Mine Engineering 摇 摇应用研究 有色矿山 高寒矿井复杂难采矿体采矿方法 研究与选择 Research and selection of mining for difficult鄄to鄄mine ore bodies in cold and high altitude mine 刘摇 海1, 葛启发2,3, 王志远2, 朱维根2, 张爱民2 1郾 香格里拉市云矿红牛矿业有限公司, 云南 香格里拉 674400; 2郾 中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038; 3郾 北京科技大学土木与环境学院, 北京 100083 摘摇 要某铜矿具有高寒矿井、开采技术条件复杂等特点,其矿体中厚难采且品位不高,目前采用传统的浅孔留矿嗣后充填采 矿方法已经不再适应其生产要求。 本文进行采矿方法的专项研究,根据矿体开采技术条件,选择分段空场嗣后充填和点柱式 上向水平分层充填两种采矿方法并进行技术经济综合比较,推荐采用沿走向的分段空场嗣后充填法。 根据生产实际确定的 采场结构参数,通过 Mathews 稳定图法进行采场稳定性分析,反演结构尺寸和采矿方法选择的合理性。 经研究表明,该采矿方 案为实现矿山“安全、高效、经济、环保冶的开采提供了借鉴意义,具有很好的实用性和推广性。 关键词高寒矿井; 复杂难采矿体; 分段空场嗣后充填法; Mathews 稳定图; 采场稳定性 AbstractThere are many problems such as cold, high altitude and complex conditions etc in the copper mining, it is necessary to carry out special research on mining selection because the traditional mining of shallow hole retention and backfill is no longer suitable for its production requirements. Therefore, sublevel open stope backfilling and point鄄pillar upward horizontal slicing backfilling are selected for comprehensive technical and economic comparison, and the sublevel open stope backfilling is recommended. According to the stope structure parameters determined by production practice, the stope stability is analyzed by Mathews stability diagram , and the rationality of structure size and mining selection is inverted. The research shows that the mining scheme has good practicability and popularization for realizing the safe, efficient, economic and environmental protection mining of the mine. Key wordscold and high altitude mine; difficult鄄to鄄mine ore bodies; sublevel open stope with backfilling; Mathews stability graph; stoping stability 文章编号 摇 1672鄄鄄609X202001鄄鄄0001鄄鄄05 中图分类号 TD862 文献标志码 A 作者简介 刘摇海1987 - ,男, 矿业工程专业,主要从事采矿技 术及生产组织工作。 1摇 前言 矿区地处滇西云岭支脉,区内地势南高北低,东高西 低,海拔 4 000 4400m,相对高差 400m 以上,为深切割 高山峡谷地貌。 本区属寒温带气候,年平均气温 5郾 4益, 最热月平均气温 13郾 2益,最冷月平均气温 -3郾 8益,日照 百分率为 49郾 6。 5 -10 月气候较为温和,11 月至第二 年 4 月为积雪期。 年平均降雨量 619郾 9mm,雨季5 -10 月降水量占全年降水量的 87郾 1。 无霜期仅 128 天。 矿区处次稳定区,抗震设防烈度为喻度。 矿区主矿体产于大理岩边部矽卡岩带中,呈似层状。 走向北西南东向,倾向 235毅 255毅,倾角 61毅 87毅。 主矿体倾角大、矿层陡立,利于岩层的稳定。 矿层上部向 北西倾伏,下部倾向南东,同一矿层的顶板与底板相互转 换。 矿层的顶板与底板岩性主要是三种,大理岩、角岩化 1 中国矿山工程摇 2020 年第 49 卷 摇 摇变质石英砂岩、糜棱岩化变质石英砂岩含部分板 岩。 矿石工业类型以矽卡岩型铜矿石为主,次为 角岩化变砂岩型铜矿石,RQD 为 62,矿体稳定性 较好。 矿层的主要顶板、底板,空间展布连贯。 结构面 较发育,多为郁、吁级结构面,延伸性差的为主,多闭 合状,钙质、泥质充填为主。 原生层板理面延伸 性极好,宽度一般几毫米,个别达几厘米,砂泥质充 填软弱夹层,对硐室围岩稳定性影响大。 然而,由于 产状与矿层相近,与硐室围岩稳定性的关系不大,不 对硐室围岩稳定性起控制作用。 岩石强度高,缓倾 角结构面不发育,结构面的展布与坑道的延伸空间 组合关系不是最不利于围岩稳定的;矿层顶板、底板 稳定性较好。 该矿属于矽卡岩矿床,矿体变化较大,矿山分为 西部高品位薄-中厚矿体群和东部较低品位的中厚 -厚矿体带,矿山目前采用浅孔留矿嗣后充填法进 行地下开采,上下盘围岩稳定性较差,容易垮塌造成 废石混入,导致采场贫化率高、生产效率低,不能达 到矿山的生产任务要求。 同时,矿山位于环境脆弱 的保护区附近,地表不容许塌陷,矿山充填搅拌站即 将建成,根据矿山的实际情况,以“安全、高效、经 济、环保冶为原则,拟对东部矿体进行单独的采矿法 研究[1 -3]。 2摇 采矿方法选择 2郾 1摇 可供选择的采矿方法 针对该矿区东部中厚矿体且不允许崩落的特 点,以“安全、经济、高效冶的原则,根据国内外部分 矿山的生产经验,经过采矿方法初选后,确定分段空 场嗣后充填法和分层充填法为备选采矿方法[4 -6]。 这两种采矿方法矿块参数如下。 1分段空场嗣后充填采矿法 采场沿矿体走向布置,采场长 60m,宽为矿体厚 度,采场高度即为中段高度,分 4 个分段,分段高度 12郾 5m。 采场之间留6m 间柱,每隔10 12m 的布置 一条出矿进路。 采场底部采用平底结构。 结合开采 技术条件,需要有效控制采场空区的暴露面积,一般 情况下,采场设计为两步骤回采,即一次回采两个分 段,从下往上依次回采;针对局部破碎带及裂隙发育 地段,可按照单个分段进行回采作业[7 -8]。 2点柱式上向水平分层充填采矿法 采场沿走向布置,采场长 60m,两侧分别设置厚 度 3m 的采场矿柱,厚度为矿体厚度。 采场内留点 柱,点柱断面尺寸为 4郾 5m 伊 4郾 5m。 分层充填高度 4m,分层下部 3郾 5m 采用灰砂比 1颐 20 的充填料进行 充填;分层上部 0郾 5m 采用灰砂比 1颐 4胶结充填,掘 进的废石就近用铲运机运到采场充填[9 -10]。 2郾 2摇 采矿方法技术经济比较 根据采矿方法选择的原则,采用技术经济各项 指标进行综合比较,其比较结果见表 1。 表 1摇 采矿方法主要技术经济指标比较表 方案玉 分段空场嗣后 充填法 方案域 点柱式上向水平 分层充填法 盘区大小60m 伊 矿体厚 伊50m60m 伊 矿体厚 伊50m 盘区生产能力600 t/ d500 t/ d 采矿损失率2020 采矿贫化率158 可比采切比36m3/ kt42m3/ kt 可比采矿成本151 元/ t195 元/ t 工业品位 Gu0郾 60郾 77 可比净现值4 465 万元3 850 万元 摇 摇 通过表 1 可以看出,方案域虽然贫化率指标很 好,但由于该方案盘区生产能力低,采矿成本偏高, 该方案经济效益差。 方案玉按现时 50 000 元/ t 铜 价,可比净现值高于方案域,经济效益较好,因此,推 荐选择方案玉,即分段空场嗣后充填采矿法。 2郾 3摇 采矿方法回采工艺 分段空场嗣后充填采矿法如图 1 所示。 1 采切工程 采准工程有分段出矿巷道、分段凿岩巷道、出 矿穿脉、出矿进路、人行回风天井、出矿水平回风 穿脉等;切割工程有切割槽。 分段出矿巷道布置 在下盘脉外,通过采区斜坡道使其与上下联通,凿 岩巷道沿矿体走向脉内布置,凿岩巷道通过人行 回风天井连接,出矿分段凿岩巷道通过联络道与 分段巷道连接。 2 回采 凿岩采用 YGZ -90 型中深孔钻机在分段凿岩 巷道内凿上向扇形炮孔,排距为 1郾 5m,孔底距为 1郾 5 2m,钻孔直径 70mm。 采用粒状铵油炸药和非 电导爆系统起爆。 每次爆 2 3 排孔,可以多分段同 时侧向崩矿,爆破后形成梯段工作面。 爆下的矿石 用 2m3的 ACY -2 型柴油铲运机集中在采场底部 2 摇第 1 期刘摇 海高寒矿井复杂难采矿体采矿方法研究与选择 1 - 运输巷道;2 - 炮孔;3 - 出矿进路;4 - 分段巷道;5 - 凿岩巷道;6 - 采准斜坡道;7 - 人行通风井;8 - 矿石溜井;9 - 矿柱;10 - 充填体;11 - 矿石 图 1摇 分段空场嗣后充填采矿法 摇 出矿。 3 采场通风 新鲜风流由中段石门进入装矿巷道冲洗工作 面,或经过人行回风天井或采准斜坡道进入分段凿 岩工作面,污风由采场空区经充填水平回风天井排 出地表。 4 充填 为了严格控制空区暴露面积和暴露时间,在一 次回采结束后,及时对采空区进行全尾砂胶结充填。 在顶、底部 5m 厚分别采用灰砂比 1颐 6和 1颐 10 的进 行胶结充填,中间 15m 厚可采用灰砂比 1颐 20 的胶 结充填。 充填体设计抗压强度为 1郾 2 1郾 5MPa,最 终设计强度需要进行试验确定。 3摇 基于 Mathews 稳定图的采场暴露面 积分析 摇 摇 Mathews 稳定图法是 1981 年提出的,该方法最 初统计了 50 个工程实例的稳定数和崩落水力半径, 并把他们的关系绘制成了稳定图,其相对简单但理 论上并不严密。 起初该方法被加拿大用于空场采矿 设计 并 制 定 了 相 应 的 工 业 标 准。 在 此 之 后, Diederichs 和 Kaiser、Trueman 等将工程实例的数量 增加到了 500 例,并重新绘制了稳定图。 Mawdesley 采用对数回归的方法,对稳定区、大破坏区等进行了 重新定义,在采用对数坐标系后各不同的区带间,可 用平行的直线表示[11 -12]。 基于对数回归分析改进的 Mathews 稳定图如图 2 所示,Mathews 稳定图法中的调整系数如图 3 所示。 图 2 所示的 Mathews 稳定图被两条直线划分了 图 2摇 基于对数回归分析改进的 Mathews 稳定图 摇 3 个区域稳定区、破坏或主要破坏区及崩落区。 其 中,稳定 - 破坏线表示,落在这条线上的工程,采场 稳定的概率为 57,破坏或主要破坏出现的概率是 43,崩落出现的概率为 0;破坏-崩落线表示,落 在这条线上的工程,采场稳定的概率为 0,破坏或 主要破坏出现的概率是 5,崩落出现的概率为 95。 稳定区表示在此区域的工程时稳定的,破坏 或只要破坏区表示在此区域的工程稳定的概率是 0 57,破坏发生的概率是 5 43,崩落发 生的概率是 0 95,崩落区表示在此区域的工 程发生持续崩落。 Mathews 稳定图的应用分为 2 个步骤首先确 定矿岩体的稳定数 N,该指标表征岩体在给定的应 力条件下的自稳能力;其次是估算采场的水力半径 S,该指标表征拉底面的几何形状。 形状因子或水力半径 S 计算方法为 S S0 C0 a 伊 b a b 伊2 1 3 中国矿山工程摇 2020 年第 49 卷 式中S0 采场帮壁面积; C0 采场帮壁周长; a 采场长度,m; b 采场宽度,m。 稳定 数 N 类 似 于 Laubscher 崩 落 图 中 的 MRMR,其计算方法为 摇 摇 N Q忆 伊 A 伊 B 伊 C2 Q忆 Q e RMR -44 9 3 式中,Q忆为 NGI 分类方法所获得的岩体质量 Q 指 标,近似于 Q 分类方法的 Q 值;A 为岩石应力系数; B 为节理产状调整系数;C 为重力调整系数,A,B,C 均参考图 3 取值。 图 3摇 Mathews 稳定图法中的调整系数 摇 4摇 采场暴露面积和稳定性研究 4郾 1摇 采场暴露面积研究 本次研究采场直接顶板岩组为矿体,平均埋深 100m,顶板与水平面夹角 0毅,上盘暴露面与水平面 夹角 70毅 90毅,上盘围岩分大理岩和低品位矿石两 种情况。 1直接顶板暴露面积计算 该区域矿体岩组的岩体质量参数 RMR 66,由 式3计算得出,Q忆 11郾 52。 由于缺乏相关地应力测量资料,本研究取采场 平均埋深 100m 估算采场中线采矿产生的压应力为 4郾 5MPa,矿体岩组单轴抗压强度为 50郾 75MPa,通过 计算压应力之比 滓c/ 滓1 50郾 75/4郾 5 11郾 3;查图 3 得出 A 1。 通过矿山已有裂隙调查成果分析,矿体岩组内 共发育两组优势节理,其产状分别为 316毅蚁51毅、 195毅蚁31毅;查询图 3 得出,B 0郾 35。 本研究采场与水平面夹角为 0毅;由图 3 得出 C 1。 因此,计算稳定数 N Q忆 伊 A 伊 B 伊 C 11郾 52 伊 1 伊0郾 35 伊1 4。 采场直接顶板稳定数 N 4,对比图 2,此时极 限稳定状态的采场形状系数 S抑5。 此外,本次研究 区域采场长度根据工程实际确定为 42m,根据采场 稳定性要求,根据式1计算采场极限宽度 bmax为 13郾 1m,即采场的最大跨度不能超过 13郾 1m。 2上盘大理岩组暴露面积计算 该区域矿体上盘大理岩组的岩体质量参数 RMR 58,由式3计算得出,Q忆 4郾 74。 由于缺乏相关地应力测量资料,本研究取采场 平均埋深 100m 估算采场中线采矿产生的压应力为 4 摇第 1 期刘摇 海高寒矿井复杂难采矿体采矿方法研究与选择 4郾 5MPa,上盘大理岩组单轴抗压强度为 21郾 74MPa, 通过计算压应力之比 滓c/ 滓1 21郾 74/4郾 5 4郾 8;查 图 3 得出,A 0郾 45。 通过矿山已有裂隙调查成果分析,大理岩组内 共发育三组优势节理,其产状分别为 269毅蚁81毅、 14毅蚁49毅、159毅蚁42毅;查询图 3 得出,B 0郾 3。 本研究采场与水平面夹角为 70毅 90毅;由图 3 得出 C 5郾 6 8。 因此,通过式2计算,上盘为大理岩组稳定数 N 3郾 2 5。 针对该区域较典型的区域,采用 Mathews 稳定 图法对该矿区域内的采场暴露面积进行了综合分 析,采场直接顶板稳定数 N 3郾 2 5,此时极限稳定 状态的采场形状系数 S抑4 6。 通过计算,极限斜 长 b抑10 16郾 8m,采场极限垂直高度 9 16郾 8m,该 高度对于分段空场嗣后充填法较小。 3上盘矿体暴露面积计算 根据矿山的实际情况上盘围岩为低品位矿石, 处于矿体中,通过上述计算得出Q忆 11郾 52,A 1, B 0郾 3,C 5郾 6 8。 通过计算,上盘为矿体稳定数 N 18 27,此时 极限稳定状态的采场形状系数 S抑10 13。 通过计 算,极限斜长 b抑38 68m,采场极限垂直高度 36 68m,该高度对于分段空场嗣后充填法是比较适 合的。 4郾 2摇 采场稳定性分析 通过对采场暴露面积计算,如果以较不稳固的 大理岩作为直接上盘,其采场高度只有 9 16郾 8m, 对于中深孔高度来说,这个距离是不经济的;而通过 调整上盘围岩性质,部分贫矿作为上盘围岩,其稳定 性较好,采场高度可达 36 68m,这与实际是相符 的。 因此,采用 Mathews 稳定图法计算分析,一方面 得出采场稳定性尺寸,盘区走向长 60m,宽度不超过 13m,高度不超过 36 68m;另外一方面证明,该区 域的采矿方法选择的可行性。 5摇 结论 针对矿岩不太稳固和品位不太高的中厚矿体开 采的技术难题,本文以某铜矿东部矿体为研究背景, 选择高效、经济的采矿方法,分析了回采单元的合理 尺寸和采场稳定性,可以得出以下结论 1 在采矿方法初选中,选择了分段空场嗣后 充填和点柱式上向水平分层充填两种采矿方法,从 技术经济的比较可以看出,采用分段空场嗣后充填 采矿法的经济效益最好。 2 通过上盘围岩性质对采场稳定性的影响分 析,建议该区域保留部分低品位矿石作为采场上盘 围岩,以实现高效的开采,这与实际情况是相符的。 3 通过 Mathews 稳定图法计算分析,一方面 得出采场稳定性尺寸,盘区走向长 60m,宽度不超过 13m,高度不超过 36 68m;另外一方面验证了该区 域的采矿方法选择的可行性。 4 该区域开采地应力、围岩性质对采场稳定 性影响较大,生产过程应根据实际情况开展相关研 究工作,及时进行采场结构参数的调整,以实现矿山 持续、高效、经济的开采。 [参考文献] [1]摇 于润沧. 论当前地下金属资源开发的科学技术前沿 [J]. 中国工程科学,2002,498 -11. 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