露天转地下不扩帮延伸采矿方法研究.pdf

S e r i e s No ． 4 2 2 Au g u s t 2 01 1 金 属 矿 山 ME T AL MI N E 总 第4 2 2 期 2 0 1 1 年第8期 露天转地 下不扩帮延伸采矿方 法研 究 徐 帅 ’ 李元辉 高振领 戴星航 1 ．东北大学资源与土木工程学院； 2 ．山东黄金集团烟台设计研究工程有限公司 木 摘要通过对露天转地下不扩帮延伸技术的研究与分析 ， 结合归来庄露天矿具体情况， 从理论上计算了该 矿不扩帮延伸开采的合理深度， 提出了不同区段不同深度的延伸方案。露天延伸开采后 ， 利用混凝土胶结充填， 铺 设形成地 下开采 的人工 顶柱 ， 平均厚度 1 2 m。对上 盘遗 留的三角 矿柱 ， 采用 上 向进路 胶结充填 法 回采 ， 回采完 毕 ， 采用嵌入式锚固充填 ， 使回采矿房的充填体与人工顶柱铆合为一体， 充填形成的人工假底大大提高了原有边坡的 稳固性和安全性。解决了后期境界矿柱回收损失大、 回采难度大的问题 ， 能够保证露天转地下产能平稳过渡， 实现 安全高效开采。 关键词露天转地下不扩帮延伸 分区延伸锚 固充填 S t ud y o n t h e Ex t e n s i o n M i n i n g M e t h od wi t h ou t Ex pa ns i o n S i de Sl o p e d ur i ng Tr a ns i t i o n f r o m Ope n- pi t t o Un de r g r o u nd M i ni ng Xu S h u a i L i Yu a n h ui Ga o Zh e n l i n g Da i Xi n g h a n g 1 ．C o l l e g e o f R o s o u r c e s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ； 2 ．Y a n t a i D e s i g n R e s e a r c h E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ．of S h a n d o n g G o l d G r o u p Ab s t r a c t T h r o u g h t h e r e s e a r c h a n d a n a l y s i s o f e x t e n s i o n mi n i n g me t h o d wi t h o u t e x p a n s i o n s i d e s l o p e f r o m o p e n p i t t o u n d e r g r o u n d mi n i n g， a n d c o mb i n i n g wi t h t h e a c t u a l s i t u a t i o n i n G u i l a i z h u a n g o p e n p i t mi n e，t h e r e a s o n a b l e mi n i n g d e p t h i n t e r ms o f t h e e x t e n s i o n me t h o d wi t h o u t e x p a n di ng s i de s l o p e wa s t he o r e t i c a l l y c a l c u l a t e d，a n d t he s c h e me o f d i f f e r e nt d e p t h f o r di f f e r e n t s e c t i o n wa s pu t f o r wa r d ． Af t e r t he e x t e ns i o n mi n i ng o f o p e n p i t ，c e me nt s h a l l b e e mp l o ye d a s fil l i n g s t u f f ， w h i c h ma y s e r v e a s t h e ma n ma d e s h o r e f o r u n d e r g r o u n d mi n i n g w i t h a n a v e r a g e t h i c k n e s s o f 1 2 m．As f o r t h e t r i a n g l e p i l l a r s r e ma i n e d f r o m t h e u p wa r d s i d e ，t h e e x t r a c t i o n p r o c e s s s h o u l d b e c o n d u c t e d w i t h t h e u p p e r i n l e t c e me n t a t i o n fi l l i n g me t h o d ．Th e n t h e c e me n t a t i o n fi l l i n g wi t h r e i n f o r c e me n t s h a l l b e u s e d t o c o mb i n e t h e fi l l i n g s t u ff o f t h e e x t r a c t i o n r o o m w i t h t h e ma n - ma d e s h o r e ． T h i s a r t i fi c i a l b o t t o m s h a p e d f r o m fi l l i n g ma y g r e a t l y i n c r e a s e t h e s t a b i l i t y a n d s a f e t y o f t h e o ri g i n a l s i de s l o pe ．I n t hi s vi e w，t h e aft e rw a r d pr o b l e ms ，s u c h a s t he l o w r e c o v e r y r a t e o f t he i s o l a t e d pi l l a r s，d i ffic ul t y i n mi n i n g， ma y b e r e a d i l y s o l v e d ，w h i c h e n a b l e s t h e s t a b l e t r a n s i t i o n fr o m o p e n p i t t o u n d e r gro u n d mi n i n g a n d a c h i e v e s a h i g h e ffic i e n t pr o du c t i o n ． Ke y wo r d s Tr a n s i t i o n fro m o p e n pi t t o u nd e r g r o un d mi ni n g， Ex t e ns i o n wi t h o u t e x p a n s i o n s i de s l o p e， Zo ni ng e x t e n s i o n，C e me n t a t i o n fi l l i n g w i t h r e i n f o r c e me n t 露天转地下过程 中不扩帮延深开采 ， 指露 天坑 底在不扩帮情况下， 将开采深度向下延伸 ， 以露天开 采的方式尽可能多地将矿石开采出来。不扩帮延深 开采不仅可以充分发挥露天矿现有设备和辅助设施 的作用 ， 而且可以解 决露天矿结束后向地下开采过 渡的产量衔接问题。国内石人沟铁矿、 凤凰山铁矿、 折腰山铜矿等均在在露天矿开采到最终设计水平 后， 不立即结束开采而在地下开采工程施工的同时， 继续用小设备进行不扩帮延深开采 ， 充分发挥矿 山 现有人员和设备的潜力， 并且部分地解决了露天向 地下开采过渡的产量衔接问题⋯。 露天转地下不扩帮延深开采如图 1所示。归来 庄矿业公司露天矿露 采设计 开采深度 为 一4 0 m标 高 ， 地表标 高为 1 3 5 IT I ， 采深 1 8 0 i n 。 目前开采标 高平均 一 3 0 r f l ， 局部 已经达到 一 4 0 1 T I ， 已达到设计最 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 9 7 3计 划 项 目 编 号 2 0 1 0 C B 7 3 2 0 0 6 ， 教育部基本科研业务费青年教师科研启动基金项 目 编号 N 0 9 0 3 0 1 0 0 2 ， 中央高校基本科研业务费专项资金项 目 编 号 9 0 4 0 1 0 0 6 。 徐帅 1 9 8 1 一 男， 博士研究生 ， 讲师， 1 1 0 0 0 4辽宁省沈阳市和平区。 41 总第 4 2 2期 金 罱 砖 2 0 1 1年第 8期 终标高， 归来庄矿业公 司露天开采转入地下生产迫 在眉睫。但 由于地下生产系统 尚未形成 ， 地下工程 投产达产尚需 1 a左右。为了保持企业生产的稳 定， 延长露天服务年限， 对归来庄矿业公司露天坑进 行不扩帮延伸开采研究， 意义重大。 1 一 上盘三角柱 ； 2 一不扩 帮延 伸开 采矿体 ； 3 一延伸 前 开米 『朱 度 ； 4 一延伸后 开采 深度 ； 5 一 地下开 采矿 体 ； 6 -- 露 天边 坡 图 1 露天转地 下不 扩帮延伸 开采示意 图 1 不扩帮延伸深度计算 不扩帮延深开采深度主要取决于露天坑底的最 小宽度和所留的三角矿柱 的损失量 以及上盘边坡稳 定情况。露天坑底 的最小宽度决定于矿床的产装和 矿石装运方法 。当矿体厚度越大 ， 倾角越 陡， 顶盘边 坡越稳定 ， 采用装载设备越小时 ， 露天底 的允许宽度 越小 。最小宽度 一般为 1 0～1 8 1T I 。延 伸开采深度 按三角矿柱的损失量来确定 时， 一般有 以下 2种情 况。 1 当露天矿延深所 留的三角矿柱矿量不超过 矿体露采延深部分 以地下开采的平均矿石损失量 ， 露天矿的延深显然是合理 的， 其深度为 h 2 M 1 -“r ／ _ c t g c z c t g ／． 4， 1 十 式 中， 为矿体 的倾角 ； 为露天矿上盘边坡角 ； 为 矿体的水平厚度； r ／ 为地下开采矿石的回收率。 2 露天矿延深所 留的三角矿柱 和边坡矿柱 ， 回采的矿石损失量， 不超过矿体露采延伸部分以地 下方法开采的矿石损失量 ， 露天矿所延伸的深度是 合理的。合理深度用下式计算 ， 并通过制图求得 h 2 M ， 2 _ _ X■ ， I ， c t g c t l 一 式中， h 为合理深度； 叼为露天延深的矿体用地下法 开采的回收率； 叼 为三角矿柱回采的回收率。 归来庄矿业公司露天坑底 一5 0 m水平矿体厚 度平均约 1 0 n l ， 上盘坡面角 5 6 。 ， 矿体倾角4 5 。 ， 该部 分矿体采用上向分层充填法， 回收率 8 0 ％。三角矿 柱采用进路充填法， 回收率在 8 0 ％， 则根据式 2 ， 计算延伸开采深度为 42 h 1 2 m ， 理论计算 ， 归来庄露 天矿可 以延伸深 度为 1 2 m0 从勘探线剖面图上可看出 在 2 9至 3 2线 间， 矿 体位于露天坑底下方如图 2 a 所示 ， 此时向下延伸 是合理 的。在 2 8线 至 2 9线 间， 矿 体如图 2 b 所 示 ， 矿体变薄， 此时下延 5 m深度可 以将矿体开采 出， 延伸到 一5 0 m深度 ， 不能多开采出矿石 。在 2 8 线 以东 ， 矿体侵入露天上盘边坡下 ， 如图 2 c 所示 ， 不扩帮延伸， 延深露采已经不能开采出矿石。 a 2 9 线 b2 8 “ 线 C2 7 线 图 2 各勘探线延伸示意图 2 露天采场不扩境延深境界的确定 根据露天采场底宽尺寸能满足 目前矿山采用的 挖掘设备作业空间的原则 ， 确定延深开采境界 ， 然后 对延深开采后终了边坡进行稳定性验算 ， 并在地质 剖面图上确定延深开采后露天底宽。 如图 2所示 2 9 勘探线 以东代表剖面 ， A B线 为原设计露天底宽 ， 宽度为 3 0 i n ， 按照设计台阶坡 面角 上盘为7 0 。 ～ 7 5 。 ， 下盘为 6 5 。 一 7 0 。 分别向下 延深开采； C D线为延深开采后露天底宽， 延深高度 为 1 0～ 5 m， 宽度为 1 5 m， 能满足采装运设备最小工 作宽度 1 5 in的要求。延深开采后对终了边坡角进 行了计算， 计算结果见表 1 。 从表 1可以看出 ， 延深开采后 2 6 ～3 2 勘探线 终了边坡角均小于或等于初步设计的终了边坡角， 故可以认为边坡是稳定的， 符合安全边坡角的规定。 ＼ ＼ 徐帅等 露天转地下不扩帮延伸采矿方法研 究 2 0 1 1年第 8期 表 1 边坡角 比较 。 综合以上分析 ， 设计为分区延伸如图3 所示， 确 定延深开采境界深度为 2 9 线以西为 1 0 m， 2 8 到 2 9 线间为 5 m， 2 8 线以东为 0 m。延深开采后新增 矿岩量见表 2 。 图 3不扩帮延伸 开采平面图 表 2延伸开采后新增矿岩量 延深开采后主要技术参 数 ① 台阶高度为 2 9 ～ 3 2 勘探线间 1 0 m， 2 9 线 ～ 2 8 线5 m； ②工作台阶 坡面角为上盘7 0 。 ， 下盘6 5 。 ； ③安全、 清扫平台宽度 为 4 m； ④运输坑线宽度为 1 2 m； ⑤最终边坡角为 2 9 线以西上盘 5 6 。 ， 下盘 4 5 。 ； 2 9 线 以东上盘 5 4 。 ， 下 盘 4 6 。 。 3露天不扩帮延深开采方案 根据前文分析 ， 在露天坑底采取不扩 帮延伸方 式， 回采坑底 一 4 0 ～一 5 0 m部分矿体。将坑底划分 为 3 个区域， A区为第 2 8 线以东部分； B区为第 2 8 号线至2 9 线之间； C区为第 2 9 线以西部分。其中 A区开采到 一 4 0 m水平 ， B区开采到 一 4 5 m水平 ， C 区开采 到 一5 0 m水平 。采用露天 开采方式 ， 回采 时 ， 从 一 4 0 m水平 ， 在 2 8线与 2 9线之 间矿体变薄 的地方， 向矿体西侧掘沟， 以8 ％的坡度， 掘进 6 3 m 斜长， 下降到 一 4 5 m水平， 以1 5 m水平宽度向上下 盘推进 ， 直至推到最终边坡 。在 一4 5 m水平 2 9线 勘探线 附近 ， 同样 以 8 ％的坡度 ， 掘进 6 3 m下 降到 一 5 0 m水平， 以1 0 m宽度掘沟， 将 2 9 线至 3 l 线间 矿体回采至 一 5 0 m 。开采之后， 用混凝土铺设人工 假底， 形成人工境界矿柱， A区底面标高为 一 4 2 m， 顶面标高为 一 3 0 lq l ； B区境界矿柱底面标高为 一 4 6 m， 顶面标高为 一 3 4 m； C区境界矿柱底面标高为 一 5 0 m， 顶面标高为 一3 8 I n 。 对于赋存在露天边坡下的 一 5 0 m以上的矿体 ， 从 一 4 0 n l 水平向矿体上盘施工一条 4 m 3 ． 2 m X 1 ／ 4的斜坡道， 到矿体上盘， 沿走向施工沿脉运输巷 道 ， 以 4 m 4 m的回采进路 ， 垂直矿体 向露天坑 内 回采剩余矿体。进路回采完毕， 在进路端部和侧壁， 安装锚杆后 ， 用钢筋混凝土充填回采进路 ， 使人工假 底与上下盘围岩胶结成一体 ， 如图4所示 。 图 4 三角矿柱 回收示意 图 施工时为降低开采深度和爆破振动对边坡稳定 性的影响， 西区延深分 2个分层开采， 每层延深 5 m， 当 一 5 0 m水平露天采场沿走 向由东 向西拉开 2 5 ～ 3 0 m长时 ， 可同时进行边帮下三角矿柱开采。为 保证充填假底 的整体性 以及假底 与 围岩 的充 分结 合， 回采进路在岩石中超深 2 m， 然后在顶板和侧帮 安装锚杆已胶结混凝土形成一体。 通过分步开挖， 逐渐形成嵌入式露天坑人工境 界矿柱 。人工境界矿柱由下部的人工假顶和上覆的 充填体 2部分组成 。人工假顶厚度为3 m， 采用 C 2 0 钢筋混凝土结构 ； 充填体采 用 目前露天挂帮矿体开 采的充填材料 ， 即 C 1 5素混凝土结构。人工假顶部 分穿矿脉方向应进人上盘岩体 3 ． 0 m， 进入下盘岩 体2 ． 0 m； 沿矿脉方向应分别进入东、 西端帮边坡坡 脚6 ． 0 m 。通过人工假顶的延深及上覆混凝土充填 体的浇筑， 可与上下盘围岩形成完整的嵌入式境界 矿柱 ， 可有效防止露天采场汇水 的渗透和保证地下 开采的安全生产。 4 结论 1 归来庄露天矿露天转地下采用不扩帮延 ．43 总第 4 2 2期 金 属 矿 山 2 0 1 1年 第 8期 伸 ， 开采深度 3 2线到 2 9线 问为 1 0 m， 最低开采水 平 一5 2 m， 最小平台宽度 1 5 I n ； 2 9线至 2 8线问延伸 深度为5 In， 最低开采标高 一 4 5 In， 最小平台宽度 2 0 I 1 3 ； 2 8线 以东到 2 6线不延伸 ， 最低开采深度为 一4 2 In0 2 归来庄矿业公司露天转地下 采用不扩帮延 伸后开采及对上盘预留三角矿柱 的回收 ， 可 以多采 出矿石 1 0 6 7 1 1 t ， 延长服务年限 1 3 3 d 。 3 通过从 一 4 0 In水平施工上盘斜坡道到 一 5 0 In水平 ， 采用进路充填采矿法 ， 回收边坡下部分三角 矿柱 ， 回收率可达 9 0 ％ ， 贫化率 5 ％。 4 不扩帮延伸 开采后 和三角矿柱 回收后 ， 利 用混凝土胶结充填 ， 形成厚度为 1 2 i n的人工境界矿 柱。三角矿柱回收采用混凝土交结充填， 其充填体 与人工境界矿柱形成嵌入交叉锚固体， 大大提高了 边坡的稳定性。 参考文献 [ 1 ] 徐 长佑． 露天转 地下 开采 [ M] ． 武 汉 武汉 工业 大学 出版社 ， 1 9 8 9． [ 2 ] S w i f t G M， R e d d i s h D J ． S t a b i l i t y p r o b l e ms a s s o c i a t e d w i t h a n a b a n d o n e d i r o n s t o n e m i n e 【 J ] ． B u l l e t i n o f E n g i n e e r i n g G e o l o g y a n d t h e E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 2 ， 6 1 3 2 2 7 2 3 9 ． [ 3 ] 郑永学 ， 矿山岩体 力学[ M] ， 北京 冶金工业出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 4 ] N o m i k o s P P ， S o f i a n o s A I ， T s o u t r e l i s C E ． S t r u c t u r a l r e s p o n s e o f v e r t i c a l l y mu l t i -j o i n t e d r o o f r o c k b e a ms [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f R o c k Me c h a n i c s ＆ Mi n i n g S c ie n c e s ， 2 0 0 2 ， 3 9 1 7 9 - 9 4 ． [ 5 ] Z h e n g Y i n g r e n ， T a n g X i a o s h o n g ， Z h a o S h a n g y i ， e t a 1 ． S t r e n g t h r e d u c t i o n a n d s t e p l o a d i n g fi n i t e e l e me n t a p p r o a c h e s i n g e o t e c h n i c a l e n g i n e e ri n g [ J ] ． J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9， 1 1 2 1 3 0 ． [ 6 ] Z h e n g Y i n g r e n ， D e n g C h u j i e ， T a n g X i a o s h o n g ， e t a 1． D e v e l o p m e n t o f fin i t e e l e me n t l i mi t i n g a n a l y s i s me t h o d a n d i t s a p p l i c a t i o n t o g e o t e c h n i e a l e n g i n e e r i n g [ J ] ． E n g i n e e r i n g S c i e n c e s ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 O_ 3 6 ． [ 7 ] T e r z a g h i K ． R o c k d e f e c t s a n d l o a d o n t u n n e l s u p p o rtf G] ／ ／ P r o c t o r R V ， Wh i t e T． Ro c k T u n n e l i n g w i t h S t e e l S u p p o rts ． Yo u n g s To wn， OH Co mme r c i al S h e a ri n g C o， 1 9 4 6 1 5 - 9 9 ． [ 8 ]L a n e P A， G r i fi t h s D V ． A s s e s s m e n t o f s t a b i l i t y o f s l o p e s u n d e r d r a w d o w n c o n d i t i o n s f J ] ． J o u rna l o f G e o t e e h n i c a l a n d G e o e n v i ron me n t a l E n g i n e e r i n g ， A S C E， 2 0 0 0， 1 2 6 5 4 4 3 - 4 5 0 ． [ 9] l t a s e a C o n s u l t i n g G r o u p I n c ． F I A C F a s t L a g r a n g i n a n A n a l y s i s o f C o n t i n u a i n 3 D i m e n s i o n s V e r s i o n 3 ． 0 [ M] ． M i n n e a p o l i s I t a s e a Co n s u l t i n g Gr o u p I n c， 2 0 0 5 ． [ 1 0 ] L i u B a o c h e n ． G r o u n d S u rf a c e M o v e m e n t D u e t o U n d e r g r o u n d E x e a v a t i o n i n P ． R ． C h i n a C o m p r e h e n s i v e R o c k E n g i n e e ri n g[ M] ． Ox f o r d Pe r g a mo n P r e s s ， 1 9 9 3 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 0 6 - 0 2 卜 ” 卜 ” ” ” 卜 “ 卜 ” “ ” ” 卜 n ” ” n ” ” ” - _卜 ” ” ” ” ” ” ” 卜 上接第 2 4页 对增加的， 导致单位通风费增大。 3 结论 1 针对缓倾斜薄矿床阶段高度优化特征， 以 鄂西铁矿为研究对象， 分别计算了阶段高度为 1 0 、 2 O 、 3 0 、 4 0 In的矿井基建成本 、 矿石 运输成本、 通风 成本和排水成本 ， 并用线性 回归法建立 了各成本 与 阶段高度的回归函数关系 ， 经各 函数计算 出的吨矿 石成本与阶段高度呈二次函数关系。采用有限方案 比较法综合比较了上述 4种 阶段高度 ， 最终确定当 阶段高度为2 3 ． 6 3 5 In时， 单位矿石开采成本最小。 实际生产过程中， 根据矿床条件， 确定阶段高度以 2 0～ 2 5 In较合适。 2 利用线性 回归优化了各项费用与阶段高度 的关系 ， 复合各回归 函数得出吨矿石成本与 阶段高 度呈二次函数关系。利用该数学函数关系计算得出 的最优阶段高度不仅能优化开采结构， 而且可降低 矿石生产成本 。 3 除上述确定的阶段高度影响因素外， 矿体 厚度 、 倾角等也为影响阶段高度优化研究 的重要 因 44 ． “ ” 一 ” ” ” “ ” “ ” “ ” ” “ “ 素 ， 不同的矿体厚度 、 倾角对最优阶段高度的影响也 不 同 。 参考文献 [ 1 ] 王素银． 实施探采结合， 合理确定段高[ J ] ． 矿产与地质， 1 9 9 9 6 3 7 9 3 8 2 ． [ 2 ] 李征夫， 叶义成． 对求解井下开采最佳阶段高度的讨论[ J ] ． 西 部探矿 工程 ， 1 9 9 4 6 6 3 - 6 8 ． [ 3] 史传哲 ， 袁建江 ， 彭志华． 某矿 一 4 6 0 m至 一5 8 0 m 中段 开拓 方 案研究 [ J ] ．有色金属 ， 2 0 0 9 5 4 - 6 ． [ 4] 赵喜林 ， 李德宜 ， 龚谊承． 应用 数理统计 [ M] ．武汉 武汉 大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 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