北铭河铁矿采矿方法研究.pdf

二 ， ， 一 多 夕 北铭河铁 矿采矿方法研 究 鞍 山冶金 ． 1 1 4 0 0 2 东北 大善 ； 吾 1 1～0 0 0 6 鞍 山 冶 金 设 计 研 究 院 - 东 北 大 擘 沈 阳 摘要本 文简述了北铭河铁矿建矿条件 ， ． 提出 了对采矿方法的要求 ，论述 了因地制宜优选与设 汁 采 矿方法的基本思路，给出了适宜矿山条件的新型采 矿方案 ，并舟绍了新方案的关键技术措施 。 美键词地下开采采矿方 法 工艺参数 S TUDY 0N M I NI NG M ETH0D 0F BEI M I NGHE 0RE M I NE Wa n g Ho n v n A n s h a n E n g i n e e r i n g a n d R e s e a r c h I n c o r p o r a t i o n f o r Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Ren Fe n gy o N o n h e a s t e n Un i v e r s i t y A b s t r a c t Th e a r t i c l e d e r i b e s b r i e fl y t h e f a v o r b le c o n d i t i o n s o f mi n e m n s t r u c t i o n ． p u t s f o r wa r d t h e d e ma n d s o n mi n i n g me t h o d， d is c u s s e s t h e b a s i c a l id e a ∞ s e l e c t a n d d e t e r mi n e o p t i mu m mi n i n g me t h o d s a c c o r d i n g co l o c a l mn d l t io s a n d i n t r odu c e s t h e n e u n d e r g r o u n d mi n i n g me t h od a n d i t s ke y t e c h n i c a l p r o p e r t i e s ． Ke y wo r ds Un d e r gr ou n d mi n i n g． Mi ni n g me t h o d， Techn o [og i c a[ pa r a me t e r s 1 前言 北锚河铁矿是 “ 九五”期间国家唯一批准兴建 的地下铁矿山．由邯邢冶金矿山管理局承建，开采 河床之下大型的接触交代矽卡岩型磁铁矿床。由于 矿体位于河床之下 ，水文地质条件比较复杂，又是 在矿产经济低迷条件下 ，按市场经济体制建矿 ，因 此需要大力研究采矿方法。为此 ，鞍山冶金设计研 究院、长沙矿山研究院、东北大学等单位先后对北 铭河铁矿采矿方法进行设计研究工作，这些研究成 果不仅为北铭河铁矿的诸多技术问题提供了较好的 解决方法，而且对类似条件矿山的开发建设 以及 老矿山在且前条件下的技术改造等，均有一定的参 考价值。特撰写成文，以飨读者 。 2 矿床 地质条件 与水文地质概 况 北铭河铁矿床埋藏于北铭河河床之下 ，产于中 奥陶统石炭岩与燕山期闪长玢岩接触带 ，为一接触 交代矽卡岩型磁铁矿床。已探明储量 级别为 B cD7 9 0 9 ． 7 1万 t ，垒矿平均品位 4 9 ． 7 8 ％，主 矿体为 F e 7和 F e 6 。F e 7矿体产状受接触带控制 ， 3 0 北翼倾角 3 ～4 5 ，南翼倾角 6 。 ～6 0 。 ，矿体走向长 1 6 2 0 m，宽 9 2 ～3 7 6 m，最大厚度 1 6 0 ． 6 8 m，平均 厚度 4 4 ． 9 1 m，平均品位 5 1 ． 0 4 ％，埋深 2 6 5 ． 8 7 ～ 6 7 9 m；F e 6矿体走向长 3 6 0 m，最大厚度为6 8 ． 5 m， 平均厚度 1 6 ． 7 m，平 均品位 4 9 ． 2 7 ％，埋藏 深度 2 8 5 ～4 7 6 m。埋 藏较浅部 位的矿 体形 态如图 1所 示 。 矿体顶板绝大部分 为灰岩，少 量为蚀变闪长 岩，局部为矽卡岩。其中矽卡岩、蚀变闪长岩不稳 固 ，灰岩比较稳固。矿石以磁铁矿为主，整体性 好．除个别地段稳定性差外，一般较稳固。底板基 岩为稳固的闪长岩。在基岩与矿体之间出露的矽卡 岩不稳 固。 矿区西部地表较高，东部较低。北铭河由西向 东流经矿床上部 ，河束宽 3 0 0 ～l 0 0 0 m，为阃歇性 河流，平时无水 ，汛期一般流量 l 0 ～2 0 m ／ s ，最 大洪峰流量为 2 1 8 m ／ s 。北锚河水与其下第 四纪 含水层及矿体上部的厚度为 4 4 ． 0 l ～5 0 5 ． 5 2 m 的灰 岩含水层均有水力联系，水文地质条件比较复杂。 中 国矿韭 2 0 0 0年繁 9卷第 3期 维普资讯 3 矿 山建设 对采矿方法 的要求 由矿床地质条件■水文地质条件以及开采技术 条件决定，北铭河铁矿的采矿方法应满足如下基本 要求 0 2 厂 、、 F o 、 一 3 5 m ， - 一5 0 m ／ ， 8 、t 圈 1 北铭河铁矿 1 ． 号勘探线矿体形态 1 生产安全 。矿床处于复杂的水文地质条件 下 ，须在矿床疏干的条件下开采 。但采矿方法应考 虑到不能按计划疏干的可能性，应能有效地防治水 患事 故的发生 ，确保安全生产 。 2 矿石回采率高。北铭河铁矿是邯邢冶金矿 山管理局生产可持续发展的宝贵资源 ，矿石品位较 高 ，可选性好 ，要求开采损失尽可能少。 3 废石产出率低。矿区靠近村镇，附近地表 没有较好的尾矿存放与废石堆积场所 ，出坑废石量 越少越好。为此，一要减小掘进废石量，二要尽可 能减小崩矿与出矿过程中的废石混人量。 4 采场 生产 能力大。在走 向长 1 6 2 0 m 的范 围内，设计生产能力 1 8 0万 t ／ a ，为此 ，采场生产 能力应该足够大。 5 前期资金需求越少越好。建设资金主要靠 银行贷款，节省前期资金投人 ，可减小矿山建设与 生产的经济压力。 6 早出矿与早达产。北铭河铁矿实现 1 8 0万 t ／ a 的设计生产能力 ，既是矿床经济合理开采需要， 也是邯邢冶金矿山管理局可持续发展的需要。 目前 无论是北铭河铁矿的矿 山建设，还是邯邢冶金矿山 管理局的经济发展 ，都迫切需要早出矿与早达产。 7 回采成本低。河床下开采厚大矿体， 采矿引 起的地表沉陷， 不能妨害地表河水的通道。或者允许 地表沉陷而另改河道； 或者满足河床完整性要求而限 制采矿岩移， 两者必取其一。但无论是改变河道还是 保护河床， 都需要加大矿石 的开采成本。这是因为， 改变河道需增加较多 的投资， 而保护河床， 由于水力 联系势必或多或少地增大井下疏干与排水费用。为 限制采矿总成本 ， 必须降低矿石回采成本。 北铭河铁矿采矿方法研究 ’ 8 矿石贫化率低。北铭河铁矿采出的矿石 ， 在选矿厂未建成之前需运往相邻的玉石洼铁矿选矿 厂与西石门铁矿选矿厂，为降低地表运输成本与选 矿成本，要求矿石贫化率越低越好。 9 工艺过程适合矿山员的技术特长。邯邢 冶金矿山管理局具有多年应用无底柱分段崩落采矿 法的经验，尤其是经过最近十余年的采矿技术攻 关 ，主要生产矿山 玉石洼铁 矿与西石 门铁矿等 工作人员应用无底柱分段崩落法开采的实践经验十 分丰富，对各种难采矿体均能实现正常生产 。为 此 ，北铭河铁矿的采矿方法应尽可能接近无底柱分 段崩落法的开采工艺过程，以便发挥矿山人员的技 术特长，增大生产的可靠性。 4 采矿方法选择 在矿山开拓运输系统确定的前提下 ，为节省投 资 、降低成本 、获得最佳的经济效益 ，采矿方法的 选取是 至关重要 的。 根据北铭河铁矿开采技术条件，如果开采过程 中要求 地面不塌 陷 、河流 不改 道 ，应首 选充填采矿 法 ；为保证矿山生产能力稳妥可靠，应该采用生产 工艺简单的高效的无底柱分段崩落采矿法；由于矿 山人员熟悉无底柱分段崩落法的生产工艺 ，具有丰 富的生产实践经验 ，为便于生产管理 ，应尽可能选 用接近无底柱分段崩落法生产工艺的采矿方法。 无论是充填法方案还是崩落法方案，在基建以 来的两年多的时间内，均由不同单位进行了反复多 次研究。其中在充填法方案研究中，曾提出空场嗣 后胶结充填法方案如图 2所示 ，矿房几何形状呈棱 形，上下端部棱面与水平面夹角为 6 O 。 ，左右相邻 矿房间隔开采，中间不留间柱 ，上下相邻矿房交错 布置，不留顶底柱。这种棱形房式回采结掏 ，不仅 由于没有矿柱而可以得到较高的矿石回采率，而且 由于充填料接顶条件好，可以增强充填体对顶扳 围 岩的支承作用 ，从而有助 于减小顶扳 围岩 的下移 量。同时，本中段矿房顶部的凿岩巷道，利用上中 段相邻矿房的出矿巷道，使部分采准巷道增加了使 用功能 ，有利于减小采准比。此外 ，采切工程的施 工方法 ，以及凿岩 、装药、出矿等工序 的作业方 式 ，与无底柱分段崩落法基本相同，从而可以使矿 山工人的技术特长得到充分发挥，容易实现正常生 产 。 图 2所示的充填法方案，通过提高充填质量来 限制顶扳岩移，可以实现不改河，或是仅局部地段 小改 河道 ，从而可给矿 山建设 带来很大 方便 。由于 矿区附近没有可供永久利用的其他河道 ，改变河道 31 维普资讯 只能是临 时移迁．采矿结束后还需将 河道迁 回原 处，往返移迁不仅费时费力 ，而且需要花费巨额资 金。若不改河，这部分资金便可节省下来 ，而且相 关的人 力还 可用于加 快矿 山的建设 速度 ，这是 崩落 采矿方法无法替代的 此外 ，达 到设计生产 能力 1 8 0万 t ／ a 时，每年制备胶结充填料 的尾砂用 量 ，与尾砂产量相 当，从而可以将选矿厂建在矿井 附近 ，实现采矿、选矿、充填三者的闳路循环的生 产局面。这样既可 以节省矿石的外部运输费用 ，又 可 改善 矿 区的生 产环境 。 口 舀 口 口 口 口 f 圈 2 空场嗣后胶 结充填 法示意图 充填采矿方法尽管有如上优点，但是其致命的 踺点是开采成本高。前文所述的 9条要求 ，确定了 以 “ 四低一高” 低损失、低贫化、低成本、低事 故隐患与高生产 能力为开采 目标；其次 、根据 “ 四低一高”开采 目标 ，结合矿床的 自然条件 ，系 统地研究了无底柱分段崩落法的采场结构参数与开 采工艺过程。研究成果归纳_盘 口 下 1 为便于实现 “ 四低一高”开采 目标 ，采场 结构与放矿方式需要适应矿石散体的流动特性。为 此 ，在东北 大学放矿实 验室 ，按 1 ／ 1 0 0相似 比测定 了北铭河铁矿的矿石散体流动参数，测定结果为 d 1 ， 0 6 4 6 ，B 1 ， 4 7 8 2 。 由此参数确定的放 出体形态与散体流动范围如图 3 所示 。 采用见到覆盖层废石即停止放出的低贫化放矿 方式 ，为使残留于采场内的矿石在下分段具有良好 的回收条件，要求进路 间距与分段高度保持良好的 比例关系。根据图 3所示的散体流动范围和北铭河 铁矿的开采技术条件，经反复研究，最终确定分段 高度为 1 5 m，进路间距为 1 8 m。 32 、 图 3 北铭河铁矿的矿石散体流动特 1 实验放出体；2 散体流动范 围 2 依据矿石力学条件改进落矿工艺。基建工 程排 出的矿 石碴 中 ，碎 、粉矿量 占 4 ／ 5以上 ，块体 边角严 重钝化，标准点荷载强度仅为 4～5 MP a ， 从 而表 明矿石 岩 性较 软 根 据西 石 门铁 矿 的经验 ， 这类 岩体 在 连 续暴 露 面 积 达 到 5 0 0 0 ～6 0 0 0 m0 时 、 经历 6 ～8个月 的 时 间即可 自然 冒落。 因此 我 们 认 为 ，可 以借 鉴西石 门铁矿 的经验 ，利用 第一分段进 路回采提供 的空间诱 导上 面矿石 自然 冒落_ 】 J 。 第一分段进路的布置原则，一要保证其上矿石 能够如期冒落下来 ，二要保证 冒落的矿石具有充分 回收的条件 。一般说来 ，前者 要求连续 回采 的面积 足以能够诱导采空区顶板 自然冒落；后者要求其下 可布置 的分 段数 能 够满 足接 收 全部 冒落 矿 石 的需 要 。图 1所示的矿体 ，上半部分宽度较小而下半部 分宽度较大，如果将第一分段进路布置在接近矿体 中部的 一3 5 m水平 ，则上部分矿石 自然冒落后具有 良好的移动空间条件，可在下部分矿石回采过程 中 ，经 过 3 ～4个 分 段 一5 0 m， 一6 5 m， 一8 0 m ⋯⋯ 的放 矿下移而得到 充分 回收 。 一3 5 m 水 平的 回采范 围如图 4所示 ，回采面积约 为 2 6 0 0 0 m0 ，可 以有 2个采场同时出矿 ，容易达到较大的前期生产 能力。此外 ，由于回采面积远远超过了可以使其上 矿石 自然 冒落的临界面积，根据西石门铁矿的经 验 ，可以通过太面积连续开采，将上部矿石的自然 冒落过程化整为零；而为防治冒落气浪的危害，可 用适 当的矿石散体垫层 ，隔离工作面与采空区的空 间联系，实现安全生产。 该方案的优点，脒了开始回采分段可布置较多 回果工作面有利于提高前期生产能力之外，更主要 的是节省了上部分矿体的采切工程与落矿费用 ，从 而大大降低了采准比，可以将矿山现有的人力物力 更多地用于矿石的直接生产，由此可以大幅度提高 矿石生产能力与降低生产成本。此外，自然冒落的 中国矿业 2 0 0 0年第 9 卷第 3期 维普资讯 矿石在被放出之前充当散体垫层，保护其下的崩落 矿石不与废石接触，可 以降低采出矿石 的贫化率。 同时 ，由于推迟 了顶板 围岩破坏到 地表 的进程 ，可 以延迟 河流 的 改道 时 间。至 于 冒落 气 浪 的危 害 问 题，如前所述，完全可以应用西石门铁矿的经验， 借助散体垫层的方法加以解决。 圈 4 北铭河铁矿一3 5 m分段进路布置囤 应用崩落法开采厚大矿体， 河流改道问题不可避 免。但由于矿体埋藏较深， 采矿引起的岩体破坏不可 能一下子发展到地表 ， 而地表河道在河床遭破坏之前 移走即可满足安全要求。目前围绕河床破坏时间问 题， 已经立项研究， 从采矿工艺方面考虑， 为延迟河床 破坏应尽可能推迟顶板围岩冒落的时间。为此， 在图 4 方案中， 应将每一分段的正常 回采进路 非回收进 路 ， 全部布置在矿体之内， 这样既不人为崩落围岩， 有利于减小采准此与推迟围岩冒落进程， 又使采切工 程远离炭岩， 有利于防止采场水患事故的发生。 此外 ，北铭河铁矿采用 4 m 铲运机出矿，此 时采场出矿效率不仅与爆堆体积的大小 即采场结 构参数有关，而且与二次爆破量有关，二次爆破 量越小 ，出矿效率越 高。为减少乃至 消除二次爆 破 ，在优化爆破工艺的同时，应适当增大采场台格 块度 的尺寸 。在北铭河 铁矿现有条件 下 ，由于矿石 较软容易破碎，可以将采场台格块度从 目前规定的 0 ． 5 m放 宽 到 0 ． 7 5 m 井 下 破 碎 机 允 许 的最 大 块 度 。这 样不 仅可 以 大大 减少 二次爆 破 次数 以提 高 出矿效率 ，而且可 以充分发挥井 下破碎机 的作用 。 总之 ，无底柱分段崩落法方案和上述技术措 施 ，可以节省投资，降低生产成本，提高 回收率 ， 减少贫化，早出矿，早达产 ，提高矿山经济效益。 5 结论 1 北铭河铁矿开采河床之下厚大矿体，既有 应用充填法开采 的可能，又有应用崩落法开采的可 能 ，两种方法都 进行过反复 多次研究 ，只是 由于相 关技术问题解决的程度不同，最终选用 了崩落法。 2 本文推荐的无底柱分段崩落法方案 ，能够 较好 地满足北 铭河 铁矿关 于采矿 方法 的 9条要 求 ， 容易实现 “ 四低一高” 低损失 、低贫化、低成本 、 低事故隐患与高生产能力 开采目标。 3 推荐方案正在实施中，有关设备配套、爆 破参数优化等问题有待于进一步研究。 _ 参考文献 [ 1 ] 东北 大学等，西石门铁矿中区空区监控与采矿方法改进研究 总结报告 ， 西石门铁矿中区空区监控与采矿方法改 进研究 鉴定 资料 ．1 9 9 9年 7月 收稿 日期 1 9 9 9年 1 2月 2 0日 [ 作者简介] 王洪俊 鞍 山冶金设计研究院 副 院长 高级工程 师 任凤玉博士 东北大学教授 我 国沙尘暴呈上升趋势 孜 ；6 0年代发生过 8 次 ；7 0年代发生过 1 3孜 ；8 0年代发生过 1 4次 ；9 0年代发生过 2 3次 展 2 4 6 0 k m2 。沙尘暴就是土地荒漠化的警 报，而沙尘暴发生的频率与强度 的增大 ，则敲响了 塔克拉玛干沙漠 ，位于新疆 ，面积 3 3 ． 7 6万 k ；古尔 班通古特沙漠 ，位于新疆准噶尔盆 地 中部 ，面积 4 8 8万 k ；库姆达格沙漠 ，位于新疆南部东端，面积 1 ． 9 5万 k m ；柴达术 沙漠，位于青薄柴达术盆 地 ，面积 3 ． 4 9万 k ；巴丹吉林沙漠 ，位于 内蒙古高原 西南 ，面积 4 4 3万 k m ；腾格里 沙漠．位于 内鬃古 ．面积 4 ． 2 7万 k ；乌兰布和 抄漠 ，位于河套平原 西南 ，面积 1 ． 1 5万 k ；库布 齐沙漠 ，位于内蒙古鄂 尔多斯高 原北部 ． 面积 1 ． 8 6万 k 。 4大沙地 ；挥善达克抄地 ，位于内蒙古锡林郭勒草原 面积 2 3 8万 k ；科尔沁沙地 ．位于西辽河 中下游 ，面积 5 0 6万 k m2 ；毛乌素沙地 ，位于内蒙古鄂尔 多斯高原 东南部 ，面 积 3 2 1万 k m ；呼 伦贝尔抄地 ，位于 内蒙 古呼伦贝 尔高原 ．面积近 1 万 k 。 北铭河铁 矿采矿方法研究 3 3 维普资讯