深部厚大破碎矿体回采技术探讨.pdf

S e r i e s No． 3 9 2 F e br u a r y 2 00 9 金 属 矽 山 METAL MI NE 总 第3 9 2 期 2 0 0 9 年第 2期 深部厚大破碎矿体回采技术探讨 崔宏亮 刘立华 张海军 金川集团有限公司 摘要随着采矿工程的深部延伸， 采矿环境变得越来越恶劣。对于深部矿产资源回采技术的研究成为了当 务之急。而对于深部厚大破碎矿体的回采更是一个世界性的难题。以金川二矿区 1 矿体为例， 在采用机械化下向 胶结充填采矿方法的基础上介绍了留矿柱两步回采方案跟无矿柱连续回采方案 ， 并着重分析了各方案的优劣， 这 对类似矿山有十分重要的借鉴意义。 关键词深部采矿破碎矿体大规模 回采采矿方 法 M i n i n g Te c hn o l o g y f o r La r g e Th i c k Br o k e n De e p- Se a t e d Or e b o di e s C u i H o n g l i a n g L i u L i h u a Z h a n g H a u n J ／ n c h u a n G r o u p L t d Ab s t r a c t W i t h t h e mi n i n g g o i n g d e e p e r ，t h e mi n i n g e n v i r o n me n t w i l l b e c o me i n c r e a s i n g l y wo r s e ． I t h a s b e c o me u r g e n t t o s t u d y t h e mi n i n g t e c h n o l o g y f o r d e e p - -l y i n g mi n e r a l r e s o u r c e a n d t h e e x t r a c t i o n o f l a r g e t h i c k b r o k e n d e e p - s e a t e d o r e -- b o d i e s i s n o w a wo r l d wi d e c h a l l e n g e ．T a k i n g t h e 1 o r e b o d y i n J i n c h u a n N o ．2 mi n i n g s e c t i o n a s t h e c a s e ，t h e t wo - s t e p s t o p i n g s c h e me wit h p i l l ars a n d t h e c o n t i n u o u s s t o p i n g s c h e me wi t h o u t p i l l ars b a s e d o n t h e d o w n ward me c h a n i z e d c e me n t i n g b a c k - fi l l i n g me t h o d a r e i n t r o d u c e d ．T h e i r a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s are a n a l y z e d ，wh i c h c a n b e o f g r e a t r e f e r e n c e s i g n i fic a n c e t o s i mi l a r mi n e s ． Ke y wo r d s De e p mi n i n g ，B r o k e n o r e b o d y，L a r g e s c a l e mi n i n g ，Mi nin g me t h o d 经过长期的开采 ， 我国浅部矿产资源逐渐枯竭 ， 而不得不向深部发展。矿山深部 的高应力必然会产 生剧烈的地压活动 ， 给我们的安全生产造成 了严重 的威胁 。而如果矿体本身不稳定 ， 这个矛盾便急 剧尖锐化， 对我们 的回采技术提 出了更高 的要 求 J 。金川矿床赋存条件以“ 富” 、 “ 大” 、 “ 深” 和 “ 碎” 著称于国内外 。通过多年的生产实践 ， 已经探 索出与金川二 矿区 1 厚大矿体 的开采技术条件相 适应的机械化下 向胶结 充填采矿法 J ， 并在一、 二 期工程 1 1 5 0中段以上已经成功地实施 了无矿柱大 面积连续开采方案。但金川二矿 区 1 } ≠ 矿体 8 5 0中 段埋深超过千米 ， 不仅矿体形态发生了变化 ， 而且深 部采矿应力环境与上部相 比也存在显著差异_ 5 ， 将 上部 已成功实施了无矿柱大面积连续开采方案直接 推广应用于深部工程 ， 这不仅在国内没有实践 ， 而且 国外也无先例， 是一个世界性难题。在对矿床岩石 力学进行了充分研究的基础上， 存在“ 留矿柱， 矿 房、 矿柱两步回采 ” 和“ 不留矿柱大面积连续开采 ” 2 种不同开采方案的争论 。本文介绍了2种不同采矿 方案的回采工艺 ， 分析 了这 2种采矿方法存在 问题 和有利条件 ， 得 出了深部开采宜采用 “ 不 留矿柱大 面积连续开采” 的结论。 1 留矿柱两步回采方案 1 ． 1 回采工 艺 如图 1 所示。根据该回采方案， 沿 1 矿体走向 1 0 0 1T I 长 的矿段划分成 1 个盘区。第一步用机械化 下向胶结充填法采完 8 0～8 5 I n ， 留 1 5～ 2 0 n a 矿柱 ， 待采完 1个中段后 ， 再用 同样 的方法进行第二步 回 采矿柱。当采用多 中段开采时， 在每一盘 区形成多 个矿房 ， 这种开采过程 自然就形成 了由垂直和水平 矿柱组成类 似于房屋 的“ 框架结构” ， 如图 2所示。 从而先采矿 房 ， 后采矿柱 水平矿柱和垂直矿柱 。 这就是于润沧院士所说的 2 层楼开采方案 2个中 段同时开采所形成的楼房结构 。 在第一步矿房回采时， 采场地压很小， 十分利于 崔宏亮 1 9 6 8 一 ， 男， 金川集团有限公司， 工程师， 7 3 7 1 0 0甘肃省金 昌市 。 3 7 总第 3 9 2期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第 2期 ‘ ～ l 1 5 0 m中段 图 1 留矿柱 回采方案 柱 图 2 留矿柱和双 中段回采所形成 的框 架结构 巷道稳定性维护。尤其对于具有较高的水平构造应 力的金川矿区 ， 这种矿柱框架结构能够抵抗较大 的 水平构造应力 ， 维护整个采场和充填体的稳定。 由于采用充填法开采 ， 第一步 回采矿房在下 向 回采过程中得到逐步回填。回填的充填体将逐步分 担“ 矿柱框架结构” 所承受 的荷载。在此基础上 ， 再 次回采矿柱 ， 从而完成一个中段的回采。 1 ． 2 方案优点 基于矿房、 矿柱两步回采 ， 可以有效地控制矿床 的水平构造应力 ， 以便 在矿房 回采过程 中免受地应 力的作用， 使占有很大比例 8 0 ％ ～ 8 5 ％ 的矿石能 够在较小地压环境 中得以安全和可靠地 回收。 1 ． 3 方案缺点 1 存在 回采 高应 力矿 柱的 困难 。从理 论上 讲 ， 当矿房得到充分接顶 回填 ， 可以为矿柱结构承担 大部分荷载 ， 由此减缓矿柱的压力。但在实际生产 中， 由于充填技术和充填体的凝固收缩， 很难实现矿 房的完全接顶， 总是在矿房顶部存在一定的空间。 因此， 开采矿房所导致矿柱的高度应力集中得不到 明显的缓解。尤其完成一个中段的矿房回采与充填 需要经历几年的时间， 逐渐增大的矿柱荷载在此期 间已经导致矿柱的几乎是整体屈服， 即使充填接顶 也难以恢复已经濒于破坏状态的矿柱。这就给二次 矿柱回采带来极大困难。 3 8 2 回采工艺复杂 ， 矿 山生产能力低 。由于采 用矿房 、 矿柱两步 回采 ， 留下的矿柱将采场分隔成互 不联系的孤立采场， 不仅减少采场作业面， 而且使采 场通风、 回采巷道变得更加错综复杂； 同时， 由于考 虑二次 回采矿柱的需要 ， 留有一些通风或出矿巷道 对于处于剧烈采动应力环境中的采准工程更加难 以 维护， 或者付出巨大代价。 3 增大矿石的损失与贫化。由于矿柱处于高 应力环境 中， 矿石 回采存在极大 困难 ， 甚至难 以回 收 ， 造成部分甚至全部矿柱的损失 ； 同时 ， 由于矿柱 处于充填体包围之中， 在回采爆破过程中， 很难不破 坏周围的充填体。因此 ， 破碎的充填体混入矿石， 导 致矿石贫化也是难免的。 2 无矿柱连续回采方案 2 ． 1回采工艺 无矿柱连续 回采方案 ， 同样也是沿矿体走向每 1 0 0 m划分一个开采盘区。但盘区之 间不 留矿柱。 对每一盘区 ， 按照下向胶结充填采矿方法逐层开采 ， 直至完成整个中段矿石的回收。在每一分层 回采的 过程中， 将每一层 层厚 4 n 1 沿厚度方 向以巷道分 割成小的矿房 巷道 和矿柱 间柱 ， 首先回采巷道 的矿石 ， 然后充填巷道 ， 待充填体达到设计强度时 ， 再 回采巷道间柱。由此可见 ， 在矿体分层水平 回采 断面上， 实际暴露的临空面是矿体水平截面的一半。 由于二矿区 1 矿体厚大 ， 回采所形成的临空面 较大， 最大将超过 1 O万 m 。 实际形成 的暴露面为 5 万 m 7 3 ， 因此 ， 通常称为无矿柱大面积连续开采。 2 ． 2 方案优点 采用无矿柱连续开采的最大优点 ， 体现在 引 1 采矿回采工艺得 到简化 ， 生产能力大。由 于连续开采取消了矿房间柱， 不仅扩大采场作业面 ， 而且简化 了采矿工艺 ， 大大地提高了采矿生产能力。 之所 以二矿区实际生产能力远远超过二期采矿的设 计能力 ， 其 中重要的原 因之一就在于采用 了无矿柱 大面积连续开采的方案。 2 有利于提高充填体的整体强度。采用连续 一 次开采， 不需要预留二次回采的巷道工程， 使巷道 工程得到及时充填， 不仅提高充填体的整体强度， 而 且还减少保留巷道的维护费用， 提高经济效益。 3 提高矿石回收率， 降低贫化率。由于一次 全面 回收矿石 ， 不仅能避免 回收处于高应力集中状 态的矿柱可能造成的矿石丢失， 而且能降低由于回 收矿柱夹有破碎充填体所导致的矿石贫化。 崔宏亮等 深部厚大破碎矿体回采技术探讨 2 0 0 9年第2 期 2 ． 3方案缺点 采 用无矿柱连续 开采也同样存 在一些不利条 件， 主要体现在如以下 2个方面。 1 巷道 回采过程 中采场地压控制 问题。采用 一 次全断面分层回采 ， 由于水平分层矿体无采场隔 离实现卸压开采， 矿区的水平构造应力直接作用于 水平矿层 中， 与留矿柱回采方案相 比， 地压显现更加 剧烈 ， 巷道稳定性维护更加 困难 。 2 回采水平矿柱困难。当采用双 中段或多中 段开采时 ， 必然在 2个 中段间形成水平矿柱 ， 如 图 3 所示。与留矿柱开采方案相 比， 由于没有垂 直矿柱 形成承载结构 ， 该水平矿柱将具有更高的应力集 中， 因此， 导致开采该水平矿柱存在更大的困难。 采场充填体 中段 间水平矿柱 2 5 0 中段 0 0 0 中段 水平构造应力 l 0 00m 8 5 0 中段 图 3 无矿柱 双中段 回采形成 的水 平矿柱 3 结论 分析研究 中可 以得 出 留矿柱两步 回采方案 回 采大部分矿石安全可靠， 但工艺复杂， 生产能力较 小 ， 回收矿柱困难 ； 无矿柱连续 回采方案工艺简单 ， 生产能力较大 ， 但地压活动剧烈 ， 回收水平矿柱更加 困难。在现场生产当中， 应该根据实际情况， 充分利 用各方案的优点 ， 采取适 当的措施避免其各 自的缺 点 ， 灵活运用。 参考文献 [ 1 ] 杨志国， 于润沧， 郭然． 深部高应力区采矿研究综述[ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 7 3 6 - 9 ． [ 2 ] 王永前 ， 杨志强， 高谦．金川高应力区深部开采技术的地 压控 制[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 2， 2 3 1 8 1 9 ． [ 3 ] 张瑞雪， 李文秀， 等． 破碎矿体地下开采地压控制问题[ J ] ． 化 工矿物与加工 ， 2 0 0 8 4 3 1 - 3 3 ． [ 4 ] 金铭良，靳学奇．机械化下向胶结充填采矿法[ J ] ． 黄金， 1 9 9 5， 1 6 3 1 4 - 2 0 ． [ 5 ] 吴爱祥， 李宏业， 王永前， 等． 金J I l -矿区深部开采面临的问题 及对策 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 2 ， 2 2 6 1 3 1 5 ． [ 6 ] 高谦 ， 吴永博 ，王思敬． 金川矿 区深部高应力矿床开采 关键 技术研究与发展[ J ] ． 工程地质学报， 2 0 0 7 ， 1 5 1 3 8 4 9 ． [ 7 ] 杨长祥， 辜大志， 张海军， 等． 镍矿资源深部开采面临的技术 问题及对策[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 8， 8 4 3 4 - 3 6 ． 收稿 日期2 0 0 8 1 2 ． 1 7 上接第 2 9页 1 通过类比方法， 确定合理的隔离矿柱、 盘区 和采场的结构参数； 2 采取切实可行 的措施 ， 保 证人工隔离矿柱 的强度和充分接顶 ； 3 在尽量提高回采强度、 缩短采场回采周期 的前提下 ， 尽快实施全尾砂或废石充填 ； 4 其它技术措施 ， 如顶板支护 ， 结构弱面的避 让 ， 人工矿柱周边合理的凿岩和爆破参数 的选取等。 3 结论 1 采矿方法选择手段单 一问题 本次采矿方 法选择由于受条件 限制 ， 仅采用 了“ 类 比法 ” ， 没有 用其它的方法作进一步的可行性论证。 2 人工矿柱问题 为了提高资源回采率和提高 经济效益， 推荐采用“ 人工矿柱盘区空场嗣后充填采 矿法” ， 人工矿柱的质量是保证安全回采的关键， 因此 在尾胶充填体施工过程中必须确保质量， 并在盘区回 采过程中采取有效的技术措施避免破坏人工矿柱。 3 大团山一 4 6 0～一 5 8 0 m斜坡道施工问题 本设计将 一 5 8 0 m中段作为联系大团山与花树坡以 及联系老区与新区的无轨设备通道。尽管本设计是 花树坡铜矿床开采方案设计 ， 但是从冬瓜 山铜矿整 体系统考 虑， 建议 大团 山 一5 8 0 m 3 穿 脉、 大团山 一 4 6 0 m～一 5 8 0 m斜坡道与花树坡 一6 7 0 m开拓同 时抓紧施工， 使冬瓜山铜矿老区、 新区斜坡道连为一 体。这样 ， 既增加 了大 团山 一 5 8 0 m 中段和冬瓜 山 一 6 7 0 m中段安全出口， 又可提高无轨设备利用率， 同时又为大团山 一 5 8 0 m 以下开拓和后续生产衔接 创造了有利条件。 参考文献 [ 1 ] 董世华． 冬瓜山铜矿大团山矿床采矿工艺及其应用[ J ] ． 金属 矿山， 2 0 0 7 8 2 4 - 2 6 ． [ 2 ] 马永国． 马坑矿区矿块 回采技术探讨[ J ] ． 有色金属 矿山部 分 ， 2 0 0 6 1 4 _ 5 ． [ 3 ] 采矿手册编写组． 采矿手册 [ M] ． 北京 冶金工业出版社， 1 9 8 9． [ 4 ] 凌同华， 李夕兵， 赵国彦． 大水矿床残矿开采技术研究[ J ] ． 金属矿 山，2 0 0 3 4 1 1 1 3 ． 收稿 日 期2 O O 8 - 1 2 ． 1 5 q