黄土层下覆矿体采矿方法的探索与实践.pdf

S e r i a l N o ． 5 2 2 0e t o b e r ．2 01 2 现代矿业 M0RDEN MI NI NG 总 第5 2 2 期 2 0 1 2 年 1 0月第 1 0期 技 术交流 黄土层下覆矿体采矿方法的探索与实践 赵 勇 缑 昆贞 徐 明 张 花 1 ． 山东金岭矿业股份有限公司候家庄矿； 2 ． 山东工业职业学院 摘要通过 间柱二次开采、 调整矿房结构参数 ， 以及“ 四步走” 采矿工艺、 “ 切豆腐块” 和“ 交 叉进路式” 采矿方法的应 用， 有效解决了侯家庄矿 区一1 6 0 r n以上地质条件复杂、 矿体回采难度 大、 回采率不高的难题 ， 同时也提 高了矿山回采安全可控性 ， 安全 经济效益显著， 有利 于矿山可持 续发 展 。 关键词二次开采采矿方法过程控制 侯家庄矿为热液接触交代矽卡岩型磁铁矿 ， 矿 体埋藏深度为 一 8 0～一7 2 0 n l ， 地表地势平坦 ， 多为 农田和建筑物。侯家庄矿区深部矿体 回采一般采用 房柱法和空场法 ， 而 一1 6 0 m以上靠近地表部分矿 体矿岩节理发育 、 整体稳 固性较差 ， 局 部矿体上覆 或裂隙连通 第 四系黄土层 ， 矿石泥化现象严重 ， 按房柱法和空场法 回采难度较大 ， 也无法保证 回采 安全和回采率。多年来山东金岭铁矿对侯家庄矿区 一 1 6 0 m以上矿体的采矿方法和 回采工艺进行 了不 断地探索和改进。 1 侯家 庄矿 区 一1 6 0 m 以上 矿体 开 采存 在 的问题 1 侯 家庄 区 一1 6 0 m以上矿体顶板有 的为灰 岩 ， 有的直接顶为第四系黄土层 或黄土裂隙 ， 开采 将不可避免地引起上部灰岩层甚至第 四系土层原有 相对稳定平衡 状态的改变 ， 造成其岩 土层 移动、 沉 降⋯。第 四系表土层中含有大量的地下水 ， 是地面村 庄 、 农 田和工业区用水的主要水源， 不允许破坏 引。 2 一1 6 0 m以上靠近第 四系黄土层的部分矿 体矿石泥质化现象严重， 矿岩整体稳固性较差， 按一 般房柱法和空场法 回采难度较大、 无法保证 回采安 全和回采率 。特别是 一1 2 8 m水平以上矿体直接顶 板灰岩 中， 有一层 0 ． 5～ 2 i n的矿岩接触带泥质充 填 ， 较破碎 ， 给采矿生产带来 了较大的不安全性。 3 下部矿体开采 已对上部矿体及 围岩产生 了 扰动， 其整体性受到一定影响， 产生一定的应力集中 现象 引。 4 矿床内灰岩含水层节理、 裂隙较为发育， 张 性裂隙的倾角高达 8 0 。 一 9 0 。 ， 可见裂隙宽度达 1 0 62 赵勇 1 9 8 O 一 ， 男 ， 工程师 ， 2 5 5 0 8 0山东省 淄博市 中埠镇。 c m， X型裂隙节理亦较为发育 ， 但倾角较小 ， 张开程 度较差 J 。 2采矿 方法的选择 2 0 0 4年 ， 山东金岭铁矿委托化工部连 云港设计 研究院对 一1 6 0 r n以上矿体 回采进行初步设计 ， 同 时委托青 岛理 工 大学 矿 业研 究所 对侯 家庄 矿 区 一 1 6 0 1T I 以上矿体开采方法、 结构参数及安全控制 进行了研究 。 青 岛理工大学矿业研究所采用有限元数值模拟 方法 ， 分别 对矿体 顶板灰 岩厚 度 5 0 m 以上 、 3 0～ 5 0 m、 3 0 in 以下部分 矿体采矿方法 及参数模 拟验 证 ， 最终选定以下采矿方法 。 1 矿体顶板灰岩厚度 5 0 m 以上部分。这部 分矿体顶板稳固， 设计采用开采强度较高的房柱法 开采 ， 矿房宽度为 1 6 m， 矿柱宽度为 6 m， 采用连续 矿柱 ， 只开采矿房不采矿柱 ， 矿房回采后一次充填处 理 [ 引。 2 矿体顶板灰岩厚度 3 0～5 0 r n部分。该 矿 体顶板较稳固， 采用一步房、 二步房嗣后胶结充填法 开采 ， 一步房宽 1 0 m、 二步房宽 1 0 in。先采一步房 ， 一 步房回采后采用胶结充填体充填， 等胶结充填体 形成设计强度后 ， 开采二步房 ， 采用全尾砂充填 。 3 矿体顶板灰岩厚度 3 0 I n以下部分。该 矿 体顶板稳 固性差 ， 特别是直接顶板为第 四系黏土层 的部分 ， 稳固性极差， 采用上向分层胶结充填采矿法 开采， 二步房 矿房 宽度为 6 1 0 rn ， 一步房 胶结 充填体形成的人工矿柱 宽度为6 8 m 4 引。 随着 市场经济的发展、 矿产资源的 日益枯竭和 开采条件 的不断变化 ， 以上采矿方法逐渐暴露一些 问题和不足 ①矿柱作为永久损失 ， 不利于矿山的可 持续发展 ； ②二步房全尾砂充填强度达不到采矿要 赵 勇 缑昆贞等 黄土层下覆矿体采矿方法的探 索与实践 2 0 1 2年 1 0月第 1 0期 求 继续 向上 回采 时， 设备无法在其上作业 ， 需要垫 大量矿石 ； ③ 矿体水平 厚度较大 ， 矿房狭长 ， 控顶 难度较大。因此需对侯家庄矿区 一1 6 0 m以上矿体 的采矿方法和回采工艺进一步研究和改进。 3采矿方法和 回采工艺的改进 3 ． 1 间柱二次 回采， 减少永久损失 ， 提高回采率 在初步设计中， 在靠近 一1 6 0 m部分矿体回采 时预留 6 m宽的连续矿柱作为永久矿柱。通过对该 部分矿体地质资料勘查和采矿方法研究 ， 在保证安 全的前提下， 利用原有巷道工程重新布置 出矿平巷 和切割上山对该部分矿体进行设计 ， 并利用高强度 充填体进行 回采置换 见图 1 a 、 b 。 图 1 间柱 回采布置示意 1 一脉外平巷 ； 2 一补充穿脉平巷 ； 3 一 补充切割上山 ； 4 一 回风平巷 充填平巷 ； 5 一 已胶充矿房 3 ． 2 矿房参数改进 在原设计中矿房 的分层 回采 高度 为 8～1 0 m， 暴露面积不 大于 3 0 0 m ， 但 在实际 回采过程 中， 因 矿岩节理发育 、 整体稳 固性较差 ， 顶板较为破碎 ， 部 分矿房在回采过程中因顶板安全问题而无法将矿石 全部采出 ， 更有甚者在矿房 回采过程中出现安全事 故。通过多年的摸索和研究 ， 对矿房参数进行 了适 当调整 矿房的分层 高度 由原设计 8～1 0 mm降低 为 5～ 6 m， 保证了顶板 的可控性 ； 矿房的尺寸 暴露 面积 降低 为不 超过 1 0 0 m ， 提 高了矿房 回采 的顶 板安全性 。 3 ． 3“ 切豆腐块” 回采方式 侯家庄矿 区 一1 6 0 m 以上在逐步 向上 回采 的过 程 中， 尤其靠近第 四系黄土层或黄土层下覆矿体 ， 矿 石泥质化现象严重 ， 裂隙发育 ， 顶板可控性低 ， 给回采 作业带来较大隐患 。针对上述 问题 ， 提 出了矿房“ 切 豆腐块” 式回采， 将矿房纵 向或横 向切割成多个小矿 房 回采， 小矿房的参数 由现场有经验的安全技术人员 根据 回采采场顶板稳 固性和矿脉形态变化决定 可调 整矿房尺寸和矿房 回采区域 ， 如 图2 ， 但 以不能超过 设计为原则 。既保证了采场的作业安全 ， 又保证了采 场 的生产能力。 3 ． 4 矿房 回采“ 四步走” 的采矿工艺 通过对胶充采矿回采工艺和安全管理方面的探 索与研究， 提出了适合于侯家庄矿区 一1 6 0 m以上 矿体条件的 回采工艺矿房 回采 “ 四步走” 采矿 工艺 ； ①先利用 相邻 矿房 回采 的经验 上下盘围岩 的稳 固性 、 矿体 稳 固性 、 矿 体厚度 、 矿体倾 角等 因 素 布置下一个 回采矿房 矿房参数 、 采准工程 ； ② 借助新施工的巷道对上一个环节各项因素进行再次 认定 ， 排除影响生产安全、 回采强度各项 因素 ， 进一 步确定采矿各项参数， 以提高采场安全生产能力； ③ 以拉底平巷和切割上 山为 自由面 ， 向两边、 向上切 顶 ， 在此过程中根据顶板的稳定性和厚度 ， 确定是否 继续 向上切顶直至安全的顶板 ， 切顶后 由经验丰富 的安全技术人员和现场作业人员对揭露出的顶板进 行检查和安全认定 ， 如存在隐患必须处理 ， 必要时可 采用锚杆喷网支护 ， 确保采区顶板稳 固后方可进行 下一步工作 ； ④起底 、 偏帮， 在做好切顶、 控顶的基础 上 ， 再 回采下部矿石 ， 直至安全采 出矿房 内全部矿 石 。以此方法进行 回采作业 ， 整个采矿过程衔接有 序 ， 能够做到采场回采作业顶板安全 的采前预判 和 过程控制 ， 以及 回采过程安全技术管理的全程跟踪 和全面技术指导 ， 确保 了回采安全。 3 ． 5“ 交叉进路式” 支护 采矿方法 矿房宽度为 3 ． 5～ 4 ． 5 m， 长度为 l 5～ 2 0 m， 高 度为 3～ 3 ． 5 m。首先在矿体下盘施工脉外巷道 ， 每 间隔 1 5～ 2 0 m施 工穿脉平巷 ， 在穿 脉平巷 内每 隔 3 ． 5～ 4 ． 5 m两侧交错施工脉 内进路平巷 见图 3 。 穿脉平巷作为回采退路采用喷锚或旋喷支护方式 63 总第 5 2 2期 现代矿业 2 0 1 2年 1 O月第 l 0期 边掘边喷 ， 脉内进路平巷施工 回采 时一般采用 人员及设备的安全。 木支护或喷浆支护 ， 以保证施工或 回采过程 中作业 图 2 “ 切 豆腐块” 回采方式示意 1 一脉外平巷 ； 2 一穿脉平巷 ； 3 一采区拉底平巷 ； 4 一采 区切割上 山 图 3“ 交叉进路式 ” 采矿法示惹 1 一脉外平巷 ； 2 一穿脉平巷 ； 3 一进路平巷 ； 4 一进路 回采区域 上一水平回采要在下一水平 回采结束并胶结充 填后进行 ， 回采进路平巷 与下水平交叉 见 图 4 。 首先施工上下盘沿脉平巷 喷锚或旋喷支护 ， 其次 在上下盘沿脉平巷内每隔 3 ． 5～ 4 ． 5 m交错施工穿 脉平巷 木支护或喷浆 支护 。利用该采矿法进行 进路 回采时 ， 可在回采退路内同时施工 回采 多条 进路平巷 ， 该采矿法具有较高的安全性和 回采率， 适 合顶板破碎、 围岩不稳固、 矿体品位高、 经济价值高 的难采矿体回采。 6 4 l _ 一 _ _ 一 一 二 一 一 一 一 - 一 - 一 ● 一 ‘ ‘ 上 一 上 一 一 上 一 。一 上 一 ． 一 盘 盘 上 一 盘 盘 1 盘 3 2 5 进 进 进 进 进 路 路 路 路 路 下 下 下 下 下 盘 盘 盘 盘 盘 5 3 1 进 进 进 进 进 路 路 路 一 路 ‘ 一 路 一 _ - 一 ＼ { ／ 图 4“ 交叉进路式” 采矿 法示 意 l 一 下盘沿 脉平巷 ； 2 一上盘沿 脉平巷 ； 3 一下盘穿脉进路 ； 4 一 上盘穿脉进路 ； 5 一进路回采 区域 4实践经验 与经济效益 1 该采矿方法能够有效地控制 围岩地压 ， 避 免 了第 四系黄土层下覆矿体 回采而导致 岩土层移 动、 沉降造成地表塌陷问题 ， 防止了第 四系地下水进 入井下采场 ， 保证 了矿 山的安全生产 。 2 采矿参数优化 。矿房 的分层高度降低 为 5 ～ 6 I l l ， 矿房面积不超过 1 0 0 m ， 保证 了回采安全。 3 “ 切豆腐块 ” 回采方式使得 下转第6 6 页 总第 5 2 2期 现代矿业 2 0 1 2年 l 0月第 l 0期 要是分段高度 、 崩矿步距和进路间距 ， 同时为获得较 低的损失贫化 ， 需优化 回收进路 的断面尺寸。通过 优化研究 ， 确定 Ma l a n j k h a n d铜矿分段高度为 2 0 m。 2 ． 2 进 路 间距 进路间距根据下式确定 一 s 5 、| 8 曲 ， V厶 式中， 日为分段高度 ， 2 0 I l l ； b 为进路宽度； 为系数 ； O r． ， 为垂直进路方 向散体流动参数 。 端部放矿时 ， 垂直进路方 向的散体流动参数为 1 ． 3 2 2 1 ， 0 ． 5 3 8 7 ， 当进路宽度为 4 m 时， 可 得 S1 8 ． 8 ． 当采用低贫化放矿时 ， 取 0 ． 1 0 ． 6， 此时进路 间距合理取值为 1 9～ 2 l 。 由于进路间距的增大 ， 矿石脊部残 留体增大 ， 需 对 回收进路进行优化设计 ， 主要是进路宽度 ， 通过对 3 m3 m， 4 r t l 3 m， 5 m 3 IT I ， 6 m3 m断面进行 放矿试验研究 ， 6 m 3 m断面更有利于控制矿石的 损失贫化 ， 因此确定进路断面尺寸为 6 m 3 m。 2 ． 3 崩矿 步 距 试验表 明， 合理的崩矿步距能使顶面与端部正 面的废石 同时到达矿 口， 基于此 ， 确定崩矿步距 为 3． 5 m 。 分段高度及进路间距布置如图 l 所示。 图 1 进路布置 3 结论 1 通过采场参数优化 ， 降低了采切工程量 ， 提 高了采场生 产能力 ， 每爆破 一次 崩落 的矿石 量为 3 5 9 7 t ， 年需推进距离 4 8 6 6 m， 而矿 山每一分段有 效长度为 1 1 0 0 0 m， 矿 山一个分段 即可满足 5 0 0万 t ／ a的生产规模 。 2 无底柱分段崩落法中， 采场结构参数 包括 进路断面尺寸 与放矿方式 密切配合 ， 可实现低贫 损开采 目标 。 3 优化后 的采场结构参数为分段高度 2 0 m， 进路间距 2 0 n l ， 崩矿步距 3 ． 5 m， 进路断面 6 1 T I 3 m 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 7 ． 1 8 上接第 6 4页 矿房布置和参数运 用机动灵活， 能 够根据顶板稳固情况来确定是否继续 回采 ， 顶板安 全可控性高， 也保证了矿山生产能力。 4 矿房回采“ 四步走” 的采矿工艺， 使得整个 采矿过程衔接有序 ， 能够做到采场 回采作业顶板安 全的采前预判和过程控 制， 以及 回采过程安全技术 管理的全程跟踪和全面技术指导。 5 “ 交叉进路式” 支护 采矿方法的应用 ， 解 决了侯家庄矿 区 一1 6 0 m 以上黄土层下覆矿体 岩 石风化 、 矿石泥质 化严重 ， 矿岩较为松 软、 破碎 无 法回采的技术难题 。 6 通过采矿方法研究和改进 ， 提高 了矿石 回 采率 达到 9 7 ％ ， 增加可采矿量 1 0万 t ， 为矿山增 加经济效益 3 2 0 0万元。 5 结语 安全生产与经济效益已成为矿山的生存之本 ， 侯家庄矿区通过多年对 一1 6 0 m以上矿体采矿方法 的研究和改进 ， 既提高了难采矿体 、 复杂矿体的回采 率 ， 又保证 了回采作业的安全性 ， 综合效益显著 ， 有 利于矿山的可持续发展 。 参考文献 [ 1 ] 解世俊 ， 周德元 、 宋晓天 ， 等． 采矿设计手 册 第 四卷 [ M] ． 北 京 冶金工业出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 赵勇， 张花 ， 张兆林， 等 ． 上 向分层胶 结充填采矿法在侯 庄 矿 区的应用[ J ] ． 山东冶金 ， 2 0 0 6 3 4 6 _ 4 8 ． [ 3 ] 田昌进， 何茂才， 孙德民． 上向水平分层胶结充填采矿法在某 矿山的应用[ J ] ． 有色 台 金设计与研究， 2 0 1 1 1 4 _ 6 ． [ 4 ] 王剑波． 金岭铁矿 侯庄矿 区 一1 6 0 m以上矿体 开采方 法、 结构 参数及安全控制研究[ R ] ． 青岛 青岛理工大学矿业工程研究 所 。 2 0 0 4 ． [ 5 ] 张春方 ， 付海婷、 陈启 荣， 等． 山东金 岭铁矿侯 庄矿 区 一1 6 0 m 水平 以上矿体回采初 步设计 [ R] ． 连云港 化 学工业部连 云港 设计研 究院齐鲁分院 ， 2 0 0 4 ． 收稿 日期 2 0 1 2 - 7 ． 2 6