近地表铁矿床采矿方法和矿房结构参数的确定.pdf

第 3 5 卷 第 4 期 2 0 1 3 年 8 月 山 东 S h a n d o n g 冶 金 Me t a l l u r g y Vo I ． 3 5 NO ．4 Au g us t 2 0 1 3 L L爿 L L L 生产技 术 I 1 t； 1 ， 1 _ t 近地表铁矿床采矿方法和矿房结构参数的确定 邢兆超，卜 祥才 山东金岭矿业股份有限公司 ， 山东 淄博 2 5 5 0 0 0 摘要 运用现场试验和数值模拟方法， 确定了矿柱宽度、 矿房宽度和矿体厚度作为整体或个体都对极限状态下的灰岩顶 板厚度有显著性影响。经比较房柱法及胶结充填法技术经济指标， 针对不同矿体顶板灰岩厚度分别采用房柱法、 一步房、 二步房及胶结充填法相结合的采矿方法， 解决了近地表矿体的安全回采， 确保控制地表沉陷， 已回采矿石近6 O 万t 。 关键词 近地表矿体； 安全采矿； 房柱法； 胶结充填法； 结构参数 中图分类号 T D8 0 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 6 2 0 2 0 1 3 0 4 0 0 1 4 0 2 1 前言 山东金岭矿业股份有 限公司侯庄矿区赋存大 量的高 品位矽卡岩型磁铁矿 ， 但随着多年的开采 ， 下部开采条件较好的矿体 已基本开采完毕 ， 剩余部 分靠近地表黄土层的矿体 。由于靠近地表黄土层 矿体大部分顶板为结 晶灰岩 ， 裂隙比较发育 ， 同时 少量氧化矿石为土状松散假象赤铁矿 ， 顶板直接和 第四系黄土层接触 。矿区地表为 良田， 开采时如何 才能保证地表不产生明显沉降及空 区顶板 的长期 稳定 ， 成为矿山必须解决的重要课题。 通过现场试验和数值模拟的方法 ， 对不同地质 条件 、 不同开采参数条件下近地表黄土层下矿体开 采过程及开采后引起的矿压显现规律 、 空区的稳定 状态 、 上覆岩层及表土层 的变形规律进行分析 ， 提 H { 不 同条件下确保井下及地表安全 的合理采矿方 法和矿房结构参数 ， 用于指导矿体安全回采。 2 建立数值模拟的有限元计算模型 2 ． 1 计算用材料的力学参数 本研究采用T A W一 2 0 0 0 型微机控制岩石三轴剪 切多功能试验机 ， 对矿岩、 充填体进行检验。矿岩 试样取 自井下爆破后 的大块 。为了避免从岩芯制 备岩石试件时岩样性质不一致的弊病 ， 每一组试件 都取 自一个地方 ， 并且尽量从一个大的岩块上采取 密集套钻的方法来获取 ， 以减 少试验结果 的离散 性 ， 保证各试件力学性质的相对一致性。充填体采 用胶 固粉和尾砂 1 5 配 比制成 的 1 0 0 mm1 0 0 m m 试件 ， 经标准养护后进行试验 ， 结果见表 1 。 2 ． 2 有限元计算模型 按照侯庄矿区的地质情况 ， 考虑到矿体开采时 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 6 作者 简介 邢 兆超 ， 男 ， 1 9 8 0 年 生 ， 2 0 0 3 年 毕业于 山东理工 大学采 矿工程专 业 。现 为山东金岭铁 矿计划设计 处工程师 ， 从事采矿技 术工作。 1 4 表 1 有限元模 拟计算 用材料力学参数 材料荦 ／ G P a k 比 N． 重 m ， f 抗压 lj l 2 ／ M 强 抗 P a ／ 拉强 MP a 2 7 1 0 3 ． 9 3 2 3 O ． 3 2 O 4．7 1 9 4．7 3 ． 5 O 31 ． 5 1 ．0 2 ． 7 0 2 8 ． O O ． 7 0 ．45 2 6 ． O O ． 7 0 ．45 2 6 ． 0 0 ． 7 岩梁的受力特点， 参考材料力学的多跨梁模型受力 时 ， 多跨梁较简支梁 的允许跨度值大 的特点 ， 采用 了3 个矿柱布置的模型 ， 用房柱法开采 。计算模 型 的左右宽度为 3 个矿柱和2 个矿房的大小 ， 总深度 为 1 5 0 i n 。 3 有限元试验模拟分析 3 ． 1 试 验结果 试验选用 5因素4 水平正交分析法 ， 选取矿柱 宽度 、 矿房宽度 、 矿体厚度 、 矿体倾角和顶板厚度为 试验 因素 ， 选取顶板最大沉降 、 顶板 的最大拉应力 和顶板塑性 区相对面积作 为评价空区稳定性 的指 标。通过正交有限元试验来评价各参数对各指标 的影响程度。通过模拟计算 ， 分别得到各因素对顶 板下沉量、 灰岩顶板最大拉应力 、 灰岩顶板塑性区 相对面积影响的最大 因素 ， 确定矿房宽度 、 矿柱宽 度和矿体厚度对试验各指标的影响比较大⋯。 3 ． 2 矿体开采参数回归分析 多元线性 回归是研究 多个影响因素与因变量 之间的非确定性关系即相关关系的数学工具 ， 提供 了变量之间的一种近似表达 ， 即经验公式 。可以用 来预测因变量 ， 也可 以控制 自变量的取值。 在正交有限元试验分析的基础上， 重点对影响 矿体开采的结构参数 矿柱宽度 、 矿房宽度 和矿 体厚度 与极限状态下顶板厚度 Y 的关系进行了 研究 。通过5 因素4 水平利用正交表构造 1 6 次不同 试验 ， 通过每个方案确定矿柱宽度 、 矿房宽度和矿 体厚度计算极 限状态下 的顶板灰岩厚度 ， 并 以数值 ∞ 册 舶 如 n 一 排 邢兆超等 近地表铁矿床采矿方法和矿房结构参数的确定 2 0 1 3 年第4 期 模拟的结果作为 回归统计的样本 - z ] 。 通过分析 ， 得到回归方程为 y 9 ． 6 7 5 7 1 40 ． 5 4 靓0 ． 5 9 2 8 5 7 2 0 ． 3 x 3 。 基于 以上分析 ， 此线性回归方程表明 矿柱宽 度、 矿房宽度和矿体厚度作为整体或个体都对极限 状态下 的灰岩顶板厚度有显著性影 响 ] 。通过上述 方程可 以预测在极 限状态时 ， 当顶 板厚度一定 时 ， 可以给定矿体开采结构参数。 4 采矿方法确定及结构参数优化 用房柱法开采。房柱法在顶板围岩稳 固的条件下 ， 矿房宽度大 ， 矿石 回收率高 ， 矿石开采强度高 ， 开采 成本低 ， 安全性好 。胶结充填采矿法几乎可以回收 全部的工业储量， 矿石回收率高， 但需一定的资金 投入 ， 必要的充填系统 ， 同时采矿强度低 ， 矿石成本 高 ， 管理复杂。 为确定采矿方法 ， 对房柱法采矿方案 g - 房宽 度为 1 5 r f l 、 矿柱宽度为6 m 和胶结充填法方案进行 简易技术经济 比较 。为 了方便 比较 ， 针对侯庄矿 区一 1 2 8 m水平的矿体走 向长为 1 1 0 m的矿段进行了 4 ． 1 采矿方法比较 两种开采方案设计。两种采矿方案的技术经济指 矿体顶板灰岩厚度较大时 ， 顶板稳 固， 可 以采 标对 比见表2 。 表2 两种采矿方案技术经济指标对比 可采量／采出量／矿石回矿石贫年产量／采掘比／充填费用／采矿成本服务 米屯 J 万 万 t 万 t 采率 化率， ％ 2 r t m- k t 。 - 元 ． t 一 - 元 ． t - - 年限／ a 房柱法 4 3 ． 6 7 3 3 ． 9 5 7 O 1 0 1 5 7 ． 7 5 ； 1 1 ． 0 1 2 6 ． 1 6 2 ． 2 6 胶结充填法4 3 ． 6 7 4 6 ． 0 9 9 5 1 0 1 5 9 ． 6 2 , 1 5 ． 8 1 3 2 ．9 0 3 ．0 7 由表 2 可知 与房柱法相 比， 胶结充填采矿法单 位矿石采矿成本较高， 但大大降低了矿石损失， 增 加 了矿石的开采年限及采出矿石的总利润 ， 显然总 体上采用胶 结充填法采矿经济效益较好 。当顶板 围岩稳 固时 ， 采用矿房宽度大 、 矿柱宽度小 的房柱 法， 经济效益会更好。 4 ． 2 采矿方法及模拟方案的确定 由上述极限状态下 的矿体开采参数与顶板厚 度的关系可知 在顶板灰岩厚度 5 0 m时 ， 顶板 比 较稳定 ， 可增 加矿房宽度或减小矿柱宽度 ， 对于房 柱法开采 比较有利 ； 当顶板灰岩厚度 5 0 m时 ， 随 之矿柱宽度增大或矿房宽度减小， 矿石的开采率降 低 ， 应选用充填采矿法。 结合矿区实际情况 ， 分别从顶板沉降、 顶板塑 性区、 顶板拉应力分布、 矿柱塑性区、 矿柱最大主应 力分布等方面对不同结构参数的采矿方案进行模 拟分析 ， 并最终确定了经济合理的采场结构参数。 1 矿体顶板灰岩厚度 5 0 m以上部分 ， 顶板稳 固， 采用房柱法开采 ， 保守确定矿房宽度为 1 6 m， 采 用连续矿柱 ， 矿柱宽度 6 m， 矿柱作为永久 损失 b 。 只采矿房不采矿柱 ， 矿房回采后一次充填处理。 2 矿体顶板灰岩厚度为 3 0～5 0 m部分 ， 顶板较 稳 固， 采用合理参数 ， 可以采用房柱法开采 ， 也可以 采用胶结充填法开采。房柱法矿房宽度为 1 5 m， 间 柱宽度 8 m。胶结充填法采用两步法 回采 ， 一步、 二 步房宽度均为 1 0 m。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。采用加少许水泥的尾砂充填b 。 3 矿体顶板灰岩厚度为3 0 m以下部分， 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法开采b ] 。 其中 顶板灰岩厚度为 3 0 2 5 m的采场结构参 数为一步房宽度 8 m， 二步房 矿房 宽度 1 0 m； 顶板 灰岩厚度为2 5 1 0 m的采场结构参数为一步房宽 度 8 m， 二步房宽度 6 m； 顶板灰岩厚度 1 0 m的采 场结构参数仍为一步房宽度 8 m， 二步房宽度 6 m， 但是 回采时要控制爆破药量 ， 采用光面爆破手段 ， 保证顶板围岩支撑能力， 若顶板节理裂隙发育及采 场地压较大 ， 需采用有效 的支护加 固手段 ， 进行锚 喷支护 ， 特别对灰岩厚度极薄 5 m 且稳定性差的 情况， 必须进行锚喷支护 ； 直接顶板为黏土层的采 场结构参数为一步房和二步房宽度均为45 m， 为 保护上盘 ， 开采时需 留一层 1 ～2 m的护顶矿 ， 采用 喷锚网支护 ， 该部分矿体的最小可采厚度为2 m。 5 效果分析 目 前， 侯庄矿床近黄土层下矿体回采工作已全 面展开 ， 回采矿石近6 0 万 t 。经过观测 ， 地层没有发 生任何沉陷， 空区、 矿柱保持稳定 ， 回采率已有 了明 显提高。上述方案不仅解决了近地表矿体 的安全 回采 问题 ， 确保了控制地表沉陷 ， 也 为以后矿房参 数设计提供了更好 的解决思路。 参考文献 [ 1 ] 闫勇山， 贺俊征， 宋艳红．析因试验在某矿体开采参数优选中 的应用[ J ] ． 山西建筑 ， 2 0 1 0 5 6 6 6 7 ． [ 2 ] 于全发， 贺俊征 ， 王在泉， 等- 多元线性回归在矿体开采中的应 用[ J ] ． 西安科技大学学报， 2 0 0 7 4 5 5 5 5 5 9 ． [ 3 ] 赵勇， 缑昆贞， 徐明， 等． 黄土层下覆矿体采矿方法的探索与实 践f J ] ． 现代矿 ． 2 0 1 2 1 0 6 2 6 5 ． 下转第1 7 页 1 5 耿科等 深孔爆破法掘进天井在鲁南矿业公司的应用 2 0 1 3 年第4 期 图 1 炮 孑 L 布 置情 况 L D f 2 1 ／ [ 4 D d 一 1 ] 。 式 中 为 1 孔与0 孔 的孔 间距 ， m m； D为0 孔直径 ， 1 0 9 m m； d 为 1 孔直径 ， 9 0 mm； k 为岩石碎胀系数 ， 1 ． 5 。计算得L 3 9 4 m m。1 孑 L 』 颐利起爆后 ， 后续炮孔 的爆破 自由面和补偿空间显著增加 ， 爆破成功乜 。 4 装药及起爆方法 天井切割分两次爆破成井 。第 1 次爆破天井下 半部分 ， 长度约3 ． 5 m。首先用细铁丝吊装有细沙 的 编织袋封底， 然后用砂充填 1 ．0 m， 确保充填后的炮 孔底落在一个水平面上 。装药使用澳瑞凯高爆速 环保乳化炸药 直径7 5 mm ， 药卷直径 7 5 mm， 药卷 长度4 0 0 mm， 药卷质量 2 k g 。每个孔装药 8 k g ， 药柱 上部用细砂填塞1 ．0 m。采用高精度导爆管雷管起 爆方法 ， 由于导爆管雷管精度很高 ， 可以实现逐孔 起爆 ， 即每个孔起爆 时间都不 同， 以达到减少爆破 震动 、 提高爆破效果 的 目的。具体操作方式 孔内 雷管均为 4 0 0 ms 延期 ， 孔外雷管为 1 7 m s 、 2 5 m S 、 4 2 ms 、 6 5 m s 4 种延期 ， 通过不 同组合实现逐孔起爆。 第 2 次爆破天井上半部分 ， 长度约 3 ． 5 r fl 。装药 和起爆方式与第 1 次基本相同。 5 结语 众多的实际应用表明， 深孔爆破法掘进天井安 全可靠 ， 技术 可行 ， 爆破效果 良好 ， 超挖和欠挖很 少 ， 满足生产要求。以7 m深天井为例， 普通法掘进 成本 4 0 0 元／ m ， 2 8 i n 共计 1 1 2 0 0元 ， 工期至少 3 d 。 中深孔爆破掘进成本 1 2 0 元， m ， 共计 3 3 6 0 元 ， 工期 为 1 ． 5 d ， 比普通法降低掘进成本 2 8 0 元， m ， 减少工 期 1 ． 5 d 。此外 ， 深孔爆破法掘进天井 ， 施工人员不 必进入天井井筒 内作业 ， 工作环境安全 ， 作业条件 改善 ， 比普通法施工方法具有明显的优势。 参考文献 [ 1 ] 史秀志， 周英烈， 邱贤阳． 多空孔单螺旋掏槽一次爆破成井技 术实践 [ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 1 l ， 1 1 5 1 1 3 一 l 1 5 ． 1- 2 3 赵兴东．井巷工程[ M] ．北京 冶金工业出版社， 2 0 1 0 1 0 5 1 0 9 ． [ 3 ] 刘优平 ， 陈寿如． 直眼掏槽爆破参数设计探讨 [ J ] _ 采矿技术， 2 0 0 5 ． 5 3 6 5 6 6 ． Appl i c a t i o n o f De e p-h o l e Bl a s t i ng M e t ho d f o r Dr i v i n g Ra i s e r oc k ho l e i n Luna n M i ni ng GEN G K e ， J I ANG D i n g h a i ， MU J i n c h e n g T h e L u n a n Mi n i n g o f L a i w u I r o n a n d S t e e l G r o u p C o r p o r a t i o n ， L i n y i 2 7 6 4 2 1 ， C h i n a A b s t r a c t L u n a n mi n i n g a d o p t e d d e e p - h o l e c u t t i n g b l a s t i n g t e c h n o l o g y f o r c u t t i n g r a i s e r o c k h o l e ． B y a d j u s t i n g a n d c h e c k i n g t h e p o s i t i o n and d i p o f t h e d r i l l i n g ma c h i n e ． t h e d e fle c t i o n r a t e o f t h e ho l e b e i n g n o t l a r g e t h a n O ． 5 ％ wa s e n s u r e d ． C o mb i n e d wi th t h e o r e c h a r a c t e ris t i c s ， th e l a y o u t p ara me t e r a n d c h a r g e we i g h t o f t h e b l a s t h o l e a n d h o l e s p a c i n g we r e c a l c u l a t e d a n d th e p rimi n g n e t wo r k an d s e q u e n c e we r e c o n fi r me d．Th r o u g h c a r e f u l l y d e s i g n i n g an d c o n s t r u c t i n g ，t h e b l ast i n g e ffe c t i s g o o d a n d t h e o v e r b r e a k o r u n d e r b r e a k i s l i t t l e ．Co mp a r e d wi t h t h e c o mmo n me t h o d，t h e d e e p -h o l e b l ast i n g me tho d d e c r e a s e d d ri v i n g c o s t b y 2 8 0 Yu a rdm’ ， r e d uc e d the c o n s t ruc t i o n p e rio d o f 1 ． 5 d a n d g r e a tl y i mp r o v e d the wo r k i n g e n v i ron me n t ． Ke y wo r d s d ri v i n g r a i s e r o c k h o l e ； d e e p - h o l e b l a s t i n g ； c u t t i n g me t h o d ； bo r e h o l e d ril l i n g 上接 第1 5 页 De t e r mi na t i o n o f M i ni ng M e t h o ds a n d St o p e S t r uc t ur e Pa r a me t e r s f o r Ne a r - s ur f a c e I r o n De po s i t XI NG Z ha o c h a o ， BU Xi a n g c a i S h a n d o n g J i n l i n g Mi n e I n d u s t r y C o ．， L t d ． ， Z i b o 2 5 5 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Us i n g o f fie l d t e s t a n d n u me ric a l s i mu l a t i o n me t h o d，t h e s t o p e s t r u c t ur e p a r am e t e r s s u c h a s wi d t h o f p i l l ar ，wi d th o f c h a mb e r ， t h i c k n e s s o f o r e d e p o s i t ， wh i c h are r e g a r d e d a s wh o l e o r i n d i v i d u al s e c t i o n， h a v e a s i g n i fi c ant i n flu e n c e o n t h i c k n e s s o f roo f l i me s t o n e u n d e r the u l t i ma t e l i mi t s t a t e．By c o mp are d t e c h n i c a l a n d e c o n o mi c i n d e x e s o f roo m and pi l l a r me t h o d w i th t h o s e o f fi l l i n g me thod 。 a c c o r d i n g t o th e d i ff e r e n t t h i c k n e s s o f l i me s t o n e o n 0 r e b o d y ，t h e c o mb i n e d mi n i n g me t h o d o f r o o m- a n d - p i l l a r me t h o d a n d fiU i n g me t h o d i s u s e d ．I t s o l v e s the s a f e mi n i n g p r o b l e m o f n e ar-s u r f a c e o r e d e p o s i t a n d e n s u r e s t o c o n t r o l t h e s u rfa c e s u b s i d e n c e ， a n d n e a r l y 0．6 mi l l i o n t o n s o f o r e h a s b e e n mi n e d ． Ke y wo r d s n e ar- s u rfa c e o r e b o d y ； s afe mi n i n g ； r o o m-an d - p i l l ar me t h o d ； c o n s o l i d a t e d fi l l i n g me t h o d； s t ruc t u r e p ara me t e r 1 7