金川三矿区开采设计中的关键技术与研究途径.pdf

第 2卷 第 3期 Vol | 2 NO ． 3 采矿技术 M i n i n g Te c h n o l o g y 2 0 0 2年 9月 Se p． 20 02 金川三矿 区开采设计 中的关键技术与研究途径 王福 玉 ， 高 谦 1 ． 金 川 集 团 有 限公 司 ， 甘 肃 金 昌市 7 3 7 l 0 4 ； 2 ． 北京 科 技 大 学 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘 要 对金 川 三 矿 区 开采 设计 中 的采 矿 方 法选 择 、 采 矿 方案 决 策 以及 采 矿设 计 中所 涉 及 的 关键 技 术 问题 进 行 探 讨 ， 提 出 了开展 此 项 研 究 的 必 要 性 、 研 究 内容 、 技 术 路 线 和 实施 方 案， 供即将进行的金 川三矿 区开采设计参考。 关键 词 采矿 方 法 ； 方 案 选择 ； 崩 落 采矿 法 ； 采 场地 压 控 制 金 川矿 区所 赋 存 的 2 ． 7亿 t 贫 矿 资 源 的 有 效 开 发 和 利用 ， 不仅 是 扩 大 金川 生 产 规模 的重 要 举措 ， 而 且也 是 企业 可 持 续 发展 的战 略 决 策 。根 据 金川 集 团 公 司的发展规划 ， 2 0 0 2年中澳生物浸 出工 艺将 试投 产 ， 矿 石 主要 来源 于 金 J I I 三矿 区。 因此 ， 三矿 区贫矿 开采 已提到议事 日程。根据金J I 』 公司对三矿 区的规 划， 2 0 0 3年进行基建 ， 2 0 0 5 ～2 0 0 6年将 试投 产。因 此 ， 三矿 区工程 地 质 评价 、 采矿 方 法 选 择 与可 行 性 研 究 以及采矿设计所 涉及 的结构 参数 、 岩层 移动规律 和放矿规律等都亟待解决 。 1 采矿 方 法 的选择 与前 期研 究工作 三矿 区的 贫矿 开 采 ， 归 根 到底 ， 关 键 问题 是 开采 成本和效益问题。采矿方法决定 了矿 山开拓 方式 、 矿 块 回采 工 艺 、 矿 山 基建 投 资 以及 采 矿 的 经 济效 益 。 可 以说 ， 它决 定 矿 山企 业 的 生存 和 发 展 ， 是 矿 山开 采 设 计 中最 关键 也 最 难 以决 策 的问 题 。 1 ． 1 拟 选采 矿 方 法 的初 步 分析 金川矿 区现生产的两个矿山全部采用充填采矿 法 。现采矿方法和 回采工艺是经过几十年的不断改 进、 发展才形成的。充填法 的采矿 成本较高 ， 对于品 位 高 的富矿 体 开 采 ， 受 市场 价 格 的 影 响 ， 有 时企 业 也 面 临 巨大 的经 济 压 力 ， 对 于贫 矿 开 采 ， 充 填采 矿 法 采 矿 成 本对 企业 的 压 力将 更 加 突 出 。 基 于 选 择 采 矿 方 法 的基 本 要求 和 影 响 因素 ， 金 川 I 三矿 区 应 首 先 进 行 露 天 开 采 和 地 下 开 采 方 法 评 价 ； 然后 ， 分别就露天开采方法和地下开采进行因素 分 析 、 可 行性 评 价 以及 技 术 与经 济 指 标 研 究 与预 测 ， 在 此基 础 上合 理 选 择 采矿 方 案 。 1 ． 1 ． 1 露天开采的有利和不利 因素 目前 我 国有 色 金 属 矿 石 产 量 的 5 2 是 用 露 天 开 采 的 。 与地 下 开 采 比较 ， 露 天 开 采 具 有 如 下 的 突 出优 点 1 受 开 采 空 间 限 制 较 小 ， 可 采 用 大 型机 械 没 备 ， 从 而 可大 大 地提 高开 采 强 度 和矿 石 产 量 ； 2 劳动生产率高 ， 为地下开采的 5 ～l 0倍 ； 3 开采成本低， 为地下开采的 l ／ 4 ～1 ／ 3 ； 4 矿石损失贫化小 ， 损失率和贫化率一般不超 过 3 ～5 ； 5 劳动条件好 ， 作业 比较安全。 但金川三矿 区采用露天开采可能存在以下几个 方 面 的问 题 1 矿 体埋 藏 的深 度 大 约 2 0 0 m ， 剥 离 废 石 量 太 大 ， 会增 加剥 离 成 本 和延 缓 出矿 时 间 ； 2 矿 体 下延 深 度 大 ， 后期 开 采 所形 成 的 高 陡边 坡 维护 困难 ， 并 潜 伏 边 坡 失稳 的事 故 隐患 ； 3 三矿 区北部矿体北部边缘受矿 区 F 大断裂 带影响严重 ， F 断层将影 响和控制露 天总体边坡的 稳定 ， 使得边坡角变缓， 从而增加边坡废石剥离量； 4 尽管 金 川 矿 区 曾采 用 过露 天 开 采 ， 具有 一 定 的设备和经验 ， 但闭坑时 间较 久 约 l 0年 ， 现有的 设 备、 技术人员以及管理水平 很难 及时适应 露天开 采 的要 求 ； 5 由 于露 天 开采 的开 拓需 要 全 部 建设 ， 而 地 下 开 采可 以考 虑利 用 一矿 区的 工程 ， 相 比之 下 ， 露 采基 建投资可能 比地果还高。 尽 管 露 天 开 采 具 有 很 多 优点 ， 但 是 能 否在 三 矿 区采 用 ， 仍 需 要 与地 下开 采进 行 详 细 的 比较 、 分 析 和 研 究 ， 再 作 出决 策 。 1 ． 1 ． 2地 下开 采 方 法拟 采 用 的方 案 基 于初 步 分 析 ， 三矿 区如 果采 用 地 下 开采 ， 最 好 考虑采用传统的低成本崩落采矿 法。尽管崩落法有 维普资讯 1 6 采 矿 技 术 多种形式 ， 但使用最多 的仍是 有底柱分段 崩落法和 无底 柱 分 段 崩 落 法 。不 同 的 采 矿 方 法 对 开 采 成 本 、 回采工 艺 和 技 术要 求 有 显 著 的差 异 。生产 系 统 一旦 形 成 ， 发 现不 合 适再 进 行 改 造 ， 必 将 给采 矿 带 来诸 多 问题 ， 因而需 要 在 设 汁前 进 行 深 入 细 致 的 研 究 论 证 工 作 ， 根 据 全 国其 它 矿 山崩 落 法 应用 的经 验 ， 结 合金 川 三 矿 区 的具 体条 件 ， 采 用 崩 落 采 矿 法 应 注 意 以下 关键 问题 1 采场 地 压控 制 和 巷 道 稳 定性 维 护 技术 。 国 内外很 多崩落法 矿山的采矿经 验与教训 表明 ， 崩落 采矿法关键 问题之一是采场地压控制和巷道支护技 术 。对 于矿 区地应 力 高 、 围 岩 不 稳 固 的 矿 山尤 为 重 要 ， 对此 ， 小 官 庄 铁矿 的采 矿 实践 是 有 力 的证 明 。不 仅 围岩不 稳 固的 崩 落法 采 场存 在 地 压控 制 和 巷道 变 形 破 坏 问题 ， 就是 对 于较 稳 固的 围 岩 ， 在深 部 开 采也 同样 存在 地 压 和 巷 道 控 制 问题 ， 上海 宝 钢 梅 山铁 矿 就是 其 中一 例 ； 2 岩 层 移 动 对 井 巷 工 程 与 地 表 建 筑 物 的 影 响 。采用崩落法 的一个条件就是使顶板 围岩 自然或 强制 崩 落 ， 形 成 废 石 层 ， 出 矿 是 在 该 废 石 层 下 进 行 的 。当 开采 发 展 到一 临 界 范 围后 ， 崩 落 发 展到 地 表 ， 在地表形成陷落坑 。由此可 见， 崩落法采矿中， 由于 人工强制 爆破 或 自然地 应 力解除 使 围岩 崩落 ， 采 矿 的井 巷 工 程 与 地 表 建 筑 物 应 设 计 在 影 响 区 以 外 。但采矿设计往往是在没有进行科研工作 的情况 下 ， 根据工程类 比和设计规范给 出的设计参数 ， 很难 适应复杂多变的矿 山条件 。所以对很多矿山给出的 设计参数不尽合理 ， 致使矿山在投产运营后 ， 才发现 所选 采 矿 方法 难 以应 用 ， 武 钢 程 潮 铁 矿 便 是 典 型 实 例 。此 外 ， 鲁 中小 官 庄 铁 矿 也 存 在 地 表 移 动对 井 巷 工程 的影 响 。武 钢 的金 山 店 铁 矿 、 新 疆 的 喀 拉 通 克 铜镍矿也都不同程度存在岩层移 动的影响。 综 上 所 述 ， 崩 落 采 矿 法 的 特 点 以及 所 潜 在 的 岩 层 移动 问 题 ， 已 经给 国 内 外 不 少矿 山 带 来 很 多 麻 烦 和难 以解决的问题 ， 致使企业陷入困境 。所以， 金川 三 矿 区的 开采 设 计 必 须 引起 我 们 的 高 度 重 视 、 应 尽 早针对设计决策遇到的地表岩层移动等问题开展前 期 研究 工 作 。 1 ． 2前 期研 究工 作 三 矿区为 尚待 设计开采 的矿 山， 进 行采矿方法 的优化选择 ， 使得技术更合 理 、 经 济效益最显著 、 生 产安全较可靠 ， 是矿 山研究的主要 目的。其次 ， 揭示 崩 落法 采 场 的地 压 显 现 规 律 、 预 测 岩 层 移 动 参 数 和 矿石放 出体形态 、 矿石损失与 贫化 指标 以及采矿 的 技术经济指标 ， 是采矿设计的重要依据 ， 也是矿 山研 究所要 回答的问题 。同时 ， 为控制采场地压 、 巷遭稳 定性维护和回采工艺优化 ， 应提 出关键性技术措施 、 工艺、 实施方案和具体参数。针对上述 目的 ， 应 当重 视以下前期工作 。 1 ． 2 ． 1 矿 床 地 质模 型 1 矿 区水文地质研究 。金 川三矿 区地表为第 四纪沉 积 物所 覆 盖 ， 由 于三 矿 区 最 为 发 育 的第 四 纪 裂隙水直接与矿体接触 ， 虽然在 自然降雨与矿 床地 下 水 之间 关 系不 密 切 ， 但 随着 矿 床 开 采 崩 落 带 的形 成 ， 凹槽 中地 下 水将 通 过 崩落 裂 隙 流入 矿 坑 内 ， 影 响 矿体 开 采 及岩 体 的稳 定 ， 所 以有 必 要 进 行 矿 区水 文 地 质研 究 。通 过 研究 ， 查 明地 下 水来 源 、 分 布 以及 与 矿床开采的关系， 以便采取疏干等处理措施 ； 并研究 大气降雨规律 、 降雨量对矿床开采的影响 ， 以考虑 自 然降水对开采带来的危害 。 2 矿 区断 裂 结构 揭 示 和 节 理 裂 隙 调 查 。通 过 钻 孔 或露 头 查 明 矿 区 断 层 、 剪 切 带 主要 构 造 断 裂 的 位置 、 产 状 以及 断层 充 填 物 的物 理 力学 性 质 等 ， 进 而 评价断层对工程围岩 的影 响范围和影响程度 ； 同时 开 展 矿 区 主要 近 矿 围岩 和 矿体 内的 节 理 、 裂 隙调查 ， 并 进 行 统 计 分 析 ， 确 定 节 理 密 度 、 产 状 、 问 距 、 长度 、 闭合度 、 张开度 、 粗糙度 、 水 理性质 、 胶结情况 、 胶结 物 成 分等 统 计 特征 ， 进 而评 价 矿 岩 的稳 定 性 和 矿 石 的可 崩性 。 3 主 要 岩 石 物 理 力 学 与 变 形 性 质 参 数 的 测 定 。通过 常 规 和非 常规 的 物 理 力学 试 验 ， 确 定 三 矿 区主要 岩 种 的物 理 力 学 与变 形 性 质参 数 。 4 矿 区地应 力 测 试 与 变化 规 律 预测 。 由于 矿 区地应 力 受 多种 因素 影 响 ， 须 对 三 矿 区进 行 一 定 数 量 的地 应 力 补 充 测 试 研 究 。根 据 测 试 结 果 ， 并 结 合 金 川矿 区 已经 进 行 的 地 应 力 测 试 结 果 进 行 全 面 分 析 ， 综合研究三矿区的地应 力大小 和方 向以及随深 度 的 变化 规 律 。 基 于上述研究工作 ， 进行矿 区工程地质综合评 价 、 稳定性分类 和工程地质分 区， 在此基础 上， 进行 地 质 与 力学 模 型 的 建 立 ， 并 将 建 立 的模 型 采 用 地 理 信息系统进行图形显示 ， 建立可供三 矿区工程地质 评价和数值分析的数据与 图件 ， 为矿 区开采 设计和 稳定性分析提供必要的基础资料 。 1 ． 2 ． 2 采 场结 构 参 数 和 回采 工艺 优 化 在上 述 研究 的基础 上 进 行 采 矿方 法 的决 策 。当 维普资讯 第 2卷第 3期 王福玉 高谦金 川三矿 区开 采设计 中的关键技 术与研 究途径 1 7 采用崩落采矿法后 ， 进行采场结构参数优化 ， 揭示随 采场结构参数变化而 变化的地 压显现规律 ， 从而有 效 地控 制 采 场地 压 显 现 ； 根 据 优 化 决 策 的 采 场 结 构 参 数 ， 研 究不 同 回采 顺 序 和 开 采 工 艺 情 况 下 的 采 场 地 压显 现 规律 ， 从 而 确 定 合 理 的 采 矿 顺 序 和 回采 工 艺 ， 同时 开展 采 场 进 路 稳 定 性 评 价 与最 优 控 制 技 术 研 究工 作 ， 改 善 采场 围岩 中巷道 或 进 路 的 应力 环 境 ， 从 而提 高 巷道 的稳 定 性 。 1 ． 2 ． 3崩落 开 采 岩层 移 动 机理 与 移 动 规 律 目前 对 于沉 积 岩 类 的层 状 结 构 多 为煤 系岩 层 的崩落 法 采矿 的岩 层 移 动规 律 与参数 预 测 研 究较 为 深 入和 可 靠 ， 而 复 杂 的 金 属 矿 山 的 移 动 研 究 还 在 探 索 阶段 ， 针对 三 矿 区 的开 采设 计 需 要 ， 该 研 究 将揭 示 围岩物理力学条件及开采状况等因素对岩层 移动 的 影响程度和变化规律。提出可供采矿设计的岩层移 动参数 ， 即移动角和崩 落角。探 索 出有效地 控制岩 层 移 动 的 采场 结 构 参 数 、 回采 工 艺 以 及 必 要 的工 程 处理 措 施 。 1 ． 2 ． 4矿 石 可崩 性 预 测 矿 岩 崩 落 一 般 有 两 种 方 式 强 制 崩 落 和 自然 崩 落 。两 者都 有 必 要 对 崩 落 的矿 岩 破 坏 机 理 进 行 研 究 ， 基 于节 理 统计 分 析 和力 学 试验 ， 采 用模 糊 综合 评 判法 进行 矿 石 可崩性 预 测 ， 以揭示 矿 岩 的 可 崩性 ， 并 进而进行矿石崩 落块度预测 ， 为采矿崩 落方式选择 提 供 依据 。 1 ． 2 ． 5 开采损失与贫化预测 崩落法采矿 的放矿与采场结构参数 以及矿石的 静止摩擦角 、 湿度 、 温度等直接相 关 ， 并决定 矿石 的 损 失与 贫 化 。 为此 ， 应 利 用 室 内放 矿 物理 模 型 试 验 ， 研 究放 出体形 状 、 速 率 、 影 响 因素 与 变化 规 律 ； 同时 ， 利用随机介质理论 ， 采用放矿模 拟程序进行放 矿计 算 机模 拟 ， 并 与 物理 模 拟 相互 对 照 、 对 比分 析 。研 究 不同因素对放 出速率 与放 出体形状 的影响 ， 揭示 影 响放 矿 的 主要 因 素 ， 建 立放 出体 形 态 函数 ， 进 行 放 出 规律 的定 量分 析 和 损失 贫 化 预测 。 1 ． 2 ． 6露 天 开采 可行 性 评 价 基 于 建 立 的 矿 区地 质 模 型 ， 研 究 露 天 开 采 的 可 行性方案 坡角 、 坡高 、 开采境界 、 采剥比、 基建投资 、 投 产 时间 、 边 坡 稳定 性 与 失 稳 风险 、 开采 戎本 与投 入 产 出 比等 。 1 ． 2 ． 7 经 济 技 术指 标 优 化 与成 本 预 测 三 矿 区开采 的主 要 问题 在 于开 采 技术 经 济 指标 和 采矿 的经 济效 益 。因此 ， 对所 选 择 的采 矿 方法 、 回 采工 艺 和 采矿 成 本 进 行 经 济 技 术 指 标 评 价 预 测 ， 以 便 对 三 矿 区 的开 采 投 入 与 产 出有 一 个 初 步 认 识 ， 并 在 此 基 础 上作 出最 后决 策 。 2 研 究指 导 思想 由于 此研 究 目的服 务 于 三矿 区采矿 方法 决 策 和 采 矿 方 案 优化 ， 因此 ， 与 金 川 已经 进行 的研 究 课 题 的 技 术 路 线 与指 导 思 想既 有 密 切联 系 ， 又有 较 大 区别 。 相 同之 处在 于 三 矿 区作 为金 川矿 床 中的 一个 矿 区 ， 其 地 质 构造 、 矿 岩 力 学 与 变形 特 性 与一 、 二 矿 区 存在 相 似 性 。因此 ， 在 三 矿 区 的工 程地 质 评 价 ， 围 岩 的稳 定性分析以及围岩 本的力 学与变形特性 ， 应充分借 鉴 已经 获得 的知 识 与 经 验 ； 但 由于 三矿 区 的 采 矿 方 法 与 目前 生 产矿 区不 同 ， 因此 ， 对 于 同样 岩 体 可能 表 现 出不 同 的力 学 特 性 ， 以致 于 潜 在 着 目前 生 产 矿 区 所不存在 的工程 问题和事故隐患。考虑金川矿床开 采 的 研究 基 础 ， 并 针对 三 矿 区的研 究 目的 ， 提 出研 究 技 术路 线 为 采 用 现 场 调 查 、 理 论 分 析 、 实 验 研 究 和 物 理模 拟 等 综合 研 究 的技 术 路 线 ， 其 研究 特 点 为 以 现场研究工作获取 一手资料 为基础 ， 以适 当的室 内模拟试验为辅助手段 ， 侧重 于采 用先进 的数值分 析技术 ， 实现高效率 、 低成 本的数值模拟研 究， 探 索 利用人工智能进行信息处理 ， 实施系统分析 、 智能预 测、 信息集成 、 动态反馈和综合判断 ， 实现室内、 外研 究 结 合 ， 多 种手 段 并 用 的研 究 技 术路 线 。 3 结 束 语 对金 川 三 矿 区 即将进 行 的开 采设 计 所 采用 的采 矿 方 法 、 潜在 的问 题 进行 了初 步分 析 ， 并 借 鉴 国 内外 已采 矿 山所 出现 的 问题 ， 提 出 了该 矿 区在 开 采设 计 中应 注意 的问 题 ， 强 调开 展 相 应研 究 工作 的必 要性 。 并 在此 基 础 上 ， 根 据 有关 矿 山 的经 验 ， 提 出了相 应 的 研 究技 术 路线 。 牧 稿 日期 2 0 0 20 4 0 6 作 者 简 介 王 福 玉 ，男， l 9 5 7年 5 月 出 生 ． 采 矿 高 级 工 程 师 ． 北 ． 京科技 大学环境 工程专 业在读硕 士 ， 现 任全 川集团有 限公 司 三 矿 区矿 长 兼 第二 机 械 厂 厂 长 。 维普资讯