某大水矿床治水方案与采矿方法的选择.pdf

第 3 4卷第 2期 2 0 0 2年 3月 7 文章编号 1 0 0 41 2 7 3 2 0 0 2 0 2 0 0 0 7 0 6 某大水矿床治水方案与采矿方法的选择 朱中立 中国华北冶金建设公 司 总工办．河北 邯郸 0 5 6 0 3 4 摘要对中关铁矿大水矿床治水方案的确立与采矿方法的选择进行了探讨。通过技 术经济比较， 指出了采用尾砂胶结充填法的合理性， 并对该工艺及高水材料充填新技术进行 了详细阐述。 美麓词铁矿山；太水矿床；开采；尾砂胶结充填；高水材料 中国分类号 T D 8 5 3 ． 3 9 9 ． 2 文献标识码A De t e r mi n a t i o n o f wa t e r c o n t r o l s c h e me a n d s e l e c t i o n o f mi n i n g me t h o d s f o r a wa t e r y d e p o s i t ZHU Zh o n l i Ab s t r a c tDe t e r mi n a t i o n o f wa t e r c o n t r o lh e me a n d s e l e c t i o n o f mi mn g me t h o d s f o r a wa t e R,d e p o s i t i n Z h o n g g u a n i r o n mi n e we r e d i s c u s sed ， t h r o u g h t e c h n i c al a n d e c o n o mi c c o mp a r i s o n，t h e r e a s o n a b l e n e s s o f 印 p i n g c e me n t e d t a i l i n g f i J J me t h o d was p o i n t e d o u t ．Th e me t h o d a n d n e w f i n g t e c h n i q u e o f h i g h mo i s - t u l e ma t e r i a l we r e d e s c r i b e d i n d e t ail Ke y wo r d si r o n mi n e ； wa t e r y d e p o s i t ；mi n i n g ； c e me n t e d t a i l i n g f i l l me t h o d ； h i g h mo i s t u r e ma t e r i a l 中关铁矿是一座拟建年产铁矿石 2 O O万吨 的大型铁矿山。它具有矿石储量比较大、品位 较高、交通比较方便等开发的优越条件，但同 时又存在着矿床涌水量大、水文地质条件复 杂 、矿床上部有河流和公路通过，村庄又位于 开采错动医内等不利因素。所以选取合适的采 矿方法及解决好有关技术问题．对矿山今后的 经济效益及安全开采具有重要意义。为此．本 文对该矿的治水方案与采矿方法进行探讨。 1 矿区地形地质特征及矿床开采 技术条件 收稿 日期 2 0 0 2 一叭 一1 6 作者简介朱中立 1 9 5 2 一 ， 男 ， 河南温县人， 中国华北 冶金建设公 司高级工 程师 ， 大 学本科 ， 主要 从事矿山建设的管理工作。 矿区位于太行山东麓中段，属太行山脉与 华北平原间的岳陵地区，地势西高东低，矿区 内南北均为低级山兵，中为沟谷分割，地形起 伏一般不大， 最高标高为2 8 5 m，比高约9 5 m 。 矿区中部近东西向的主要沟谷，在雨季接受两 侧 山谷的洪水形成季节性河流 ，河床宽约 5 0～ 1 0 0 m ． 在无雨期河流千涸。矿 区中部近东西 向有一条公路跨矿体上部通过。大量民房紧靠 矿床东部边界。 该矿为一埋藏较深的隐伏矿体，埋深距地 表 3 0 0 ～ 8 0 0m之间。矿体走向长 2 4 0 0m，平 均宽度 3 0 0～1 0 0 0 m 。矿区内分布有 I号、Ⅲ 号、I V号及 v号四个矿体，I号为主矿体， 点总 储量的9 2 ％， 是开采的主要对象 ．矿体顶 板与中奥陶纪岩强含水带接触，矿区内水文地 质条件复杂．涌水量大，据测算，枯水期水量 维普资讯 8 冶金 矿 山设 计 与 建 设 第 卷 第2 期 为每昼夜 1 3 ， 6万 t ，平水期水量为每昼夜 1 6 ． 6 万 t ．最大水量达每昼夜 2 4 ． 6万 t 。 矿体产于辉石闳长岩及 中奥陶纪灰接触带 上及其附近的灰岩中，矿体顶板岩石主要为结 晶灰岩或大理岩，稳定性一般较好，局部为矽 卡岩 角砾状灰岩、构造角砾岩，稳定性差c 1 0 0 6 底析岩石主要为蚀变闳长岩及矽卡岩，阕长岩 稳定性好。 主矿体宽一般为 2 0 0 ～5 0 0 m，最大宽 8 8 0 m，平均厚度 3 5 ． 5 7 m，最 大厚度 1 7 4 1 4 m。 矿体倾角 1 0 ～ 1 5 。 ； 局部 1 0 6 o 。 。矿石平均品 位为 T F e 4 6 ． 3 7 ％，见图 1 。 O 一1 1 1 2 2 2 0 a a ‘ 4 5 5 5 6 6 ～ 6 BB 7日 一7 e 8 一q g l O C 搬 o ．C K 4 7 6 0 7 日 日 7 ～1 4 巴 7 5 4 C 啊 C 搬 2 9 C 髓 7 7 8 a 1 q 一 C ， 一 三 二 三 0 ； s K ， 。 o 一 - ～ 至 磊 簧 a 23 ＼ ． 参 弗 一 ● F e ，o l 5 0 7 豫 E O }‘ 5 叽 1 。 ； - 5 一 5 一 0 ； 。 I 5 姐 帅 5 舯 a柏 跎日 c B 畸 0l 5 一 7 2 e 1 2 2 1 a 0 1 ￡ 0 2 兰 ]口 7 、 0 ＼ 、 、 ～ 一 笠 L 一 1 、 ＼ ～ ／ B 一 V 、 ； ＼ o ￡ o ； l4 T 2 2 - 5 、 、 、 一 5 7 a∞Ⅲ 5 日 1 3 D 囤 1 第 3 勘探线模 剖面 围 。 狂岩 ；q 袅 土；S K． 矽卡岩 ；J 长岩 】 一矿体编号 F ． 断层 2 采矿方法的选择及比较 从该 矿 的矿体 赋存 条件来 看，采用崩 落 法 、空场法 、充填法来技术上都是可行的，同 时也都存在着各种优制点，现分述如下 2 I 无底柱分段崩落法 维普资讯 2 0 0 2 年3 月 朱中 盘 查 壅兰 查室墨鲞 兰查兰 塑兰鲎 一 竺 无底柱分段崩落法 的特点是随着矿石的采 出，有计划地强制或自然崩落矿体顶盘围岩来 充填采空区。以控制和管理地压。该采矿方法 已经成为我国地下金属矿 山主要的采矿方法之 一 。但 由于以下两方面 的原因，制约了无底柱 分段崩落法无该铁矿的应用。 2 ． 1 ． 1 对矿 区影响 大 矿床上部地面有公路、河流通过，且矿床 上部边缘有村庄。要应用该方法必须将公路改 线 、河流改道和村庄搬迁，而从该铁矿 区的实 际情况来看，实施其中的任何一项都具有一定 的难度。另一办法是留保安矿柱，但这样又造 成了国家矿产资源的浪费。 2 ． 1 ． 2 矿床涌水量大 由于地下涌水量大，必须对地下水进行治 理，一种方式可采用常规的全疏干方式；第二 种方式是帷幕注浆方式。但任何一种方式都严 重影响着矿山的经济效益，在实施中存在着一 系列问题。现分述如下 1 全疏千方式 该方式就是在地下通过疏干硐 室及疏干巷 道将地下水导至井 下设置的水仓，通过排水系 统将地下水排至地表，这样做势必增加 大量的 基建投资。如在基建期需要放水及降压，需排 水1 ． 6 7 4 L Ilfl ，费用高达 2 ． 1 7元。另从设置水 仓一项来 看 。该 矿 的正常 涌 目量 为每小 时近 7 0 0 0t ，若将规定的下限4 h 来考虑，也需要 近 3 万 m 。则仅水仓一项需投资 8 1 0 万元 按 每立方米需 2 7 0元计 ，再加上泵房、设备及 其他费用，投资是相当可观的，该方式在基建 期需要疏干放水时闻，再加上增加的井巷工 程， 基建期需延长 3年左右；从采矿成本来 看，经计算采一吨矿石需排水约 3 0 t ，若按每 吨水排水费用 1 ． 5元计 ，则每吨矿石 的成本需 增加 4 5元 ，也 就是 说 每 年 仅排水 费用则 达 9 0 0 1 3 万元 。因此可见采用全疏千方式的经济效 益是比较差的。同时带来的另一 个问题是还水 问题，由于矿床地下水与区域地下水联系，矿 床硫干势 必造成 区域地 下水的大面 积水位 下 降．其影响范围非常大，将会造成该范围内的 工农业生产严重缺水。按规定应由该铁矿进行 还水，但这笔投资该铁矿是难以承受的。 2 帷幕注浆方式 帷幕注浆方式就是在距矿床开采错动界线 外一定距离内，上至煤系地层底板，下至闪长 岩，利用帷幕注浆的方法将矿体与外界的水力 联系隔断。这样可大大减少矿床疏干大量，减 少了排水设施及排水费用，也不影响区域水 位， 解决了水的治理问题。但要形成帷幕，帷 幕线长需要 4 3 0 0m ，按孔间距 1 0 i lfl 计算，需 钻 3 8 1 个注浆孔 ， 6 1 个工程勘察孔 ，l 2个注 浆试验孔．共需 4 5 4孔，工程量比较大，同时 因最探孔达一千余米， 施工超深孔在国内无论 是设备或技术方面，都还存在着一定的难度， 无法保证钻孔的质量。所以不宜采用该方式。 2 ． 2 分段采矿法 分段采矿法同样能满足每年 2 0 0万 t 生产 能力的要求，贫化率指标要优于无底柱分段崩 落法，但分段采矿石回收率低。损失率达 3 5 ％ 左右，浪费了国家宝贵的矿山资源，也解决不 了地下涌水量大及地表需保护的问题。 2 ． 3 尾砂胶结充填采矿法 充填采矿法就是随着回采工作的推进，采 空区用充填料充填，其作用是支撑两帮，控制 岩移， 保护矿体顶板岩石不因矿体开采而塌 落、错动。该矿铁矿用尾砂充填采空区后，保 护了地表河流、公路、村庄。同时利用尾砂作 充填料， 解决了该矿尾矿库难选的困难，节省 了建库投资，也起到了保护环境的作用，对地 下水的防治仍采用帷幕注浆的方式，由于采用 充填采矿法，矿体上部岩体未被破坏， 帷幕线 可大大缩短为2 9 4 0 13 1 ，只需2 5 8 个注浆孔，4 2 个工程勘察孔，l 2 个注浆试验孔，平均孔深为 5 1 0 m， 最大孔深为7 0 0 余 m， 施工费用为 1 ． 8 亿元，比大帷幕节约不少投资。但如何保证钻 孔垂直度和提高帷幕注浆隔水效果，仍是今后 施工中研究的课题。 2 ． 4 采矿方法的技术经济 比较 本文以无底柱分段崩落法 全疏干与全 尾砂胶结充填法 加帷幕进行比较，结果见 维普资讯 1 O 冶 金 矿 山 设 计 -5建 设 第3 4 卷 第2 期 表 l 。 表 I 采矿方法选择的技经 比较表’ II 靛 鑫 是 措 地质圈定矿 置 B十C万 I 5 7 3 0 5 7 3 0 矿 石 品 位 T F e ． ％ 地质 4 6 4 6 混率 采 j 3 4 ． 5 4 l 4 崩落法 2 5 ％、 充填法 1 0 ％ 采d l 矿i 量 ． 万 I 6 t 1 2 5 9 2 1 损失翠崩落法 ∞％、 充填法 7 ％ 采出金属量， 万 t 年生产金属量 ， 万 t 可比基建费用， 万元 井巷工程及安装费 竖井工程 泵房系统 水也系挠 帷幕疏千工程 充填系统 尾矿系统 采准工程差值 排水 供电 免填 尾 矿 基建放水及降压 音计 相对经营费， 万元／ 年 尾矿脏结处理 空区 采矿戚丰差值 5 Y r ． t 排水费用 足矿输送费 卉计 2l O 8 6 2 7 2 3 7 6 9 8 2 8 1 8 8 8 ． 】 l 5 8 5 6 不含主井及风前 l i 0 3 6 3 4 7 2 2含泉房 ， 变电所 8 41． 2 3 3 0 7 6 41 ． 6 4 1 8 3 2 5 7 o 6 2 7 7 5 0 【 5 0 o 1 9 6 0 t 3 4 4 5 2 2 t 4 0 t l o o 5 5 9 t 3 7 】 5 2l 7 09 6 2 5 0 2 8 4 8 7 ． 8 4 2 4 9 0 7 2 差值 3 5 8 0 6 4 4 7 6 4 1 0 0 O 3 2 5 0帷幕隔术率 8 0％ 一9 0％ O 9 0 2 3 差值 2 9 5 ． 5 ’．；l二 寐桩 分段崩落法基建 投资中未包括河流改道 、村庄搬 迁的费用、以及还水所需的费用 综上所述 ，从表 1 可看 出该铁矿采用全尾 砂胶结充填法较为合适 。 3 尾砂胶结充填法的回采工艺 3 ． 1 采矿方法构成要素 1 铲运机出矿分段空场嗣后充填法 矿体厚大部位用该采矿法。阶段高度 6 0 m ，分段高度 1 2m， 矿块宽度3 6m，矿房与矿 柱各宽 1 8m，矿块长度 4 06 0I Y t 。矿块垂直矿 体走向布置。运输穿脉间距 8 0 m，矿石溜井间 距 为 8 Om，用铲运机出矿 ，见围 2 。 2 电耙出矿分段空场嗣后充填法 矿厚小 于3 0 m的缓倾斜矿段用该采矿法， 矿 块宽 3 o m， 矿房与矿柱各宽 1 5 m， 矿块长度 4 0 m 与运输空 沿 脉间距 4 0 m相适应。矿房与矿柱 均设置电耙， 采用底盘漏斗接矿， 见图3 。 3 ． 2 回采凿岩 中深孔凿岩 ，采用 Y GZ 9 0型凿岩机 ，配 F J 2 5 型凿岩 台架，爆 破参数 W 1 ． 4 m，Q 1 ． 6 ～1 ． 9m，每料孔崩矿量 5 ． 7t 。 3 ． 3 装药爆破 使用 2 岩石炸药，用 B Q F～ 1 0 0型装药器 装药， 用非电毫秒雷管导爆管起爆。 3 ． 4 采场装矿 1 铲运机出矿分段空场嗣后充填法，选 用 WJ D～2型 电动 铲运 机 出矿 ，铲 斗容积 2 m ，铲运机效率可达 1 2 一l 5 万 t ／ 台 a 。 2 电耙出矿分段空场嗣后充填法选用 2 D P J ～5 5型电耙 绞车，0． 6 I T 1 0 耙斗 ，电耙 效 率为 5 ～6万 [ ／ 台 a 。 3 ． 5 充填 矿房与矿柱尺寸相同，先采矿房，采后空 区用全尾砂水泥胶结充填，接顶部位 2 IT I 左 右高度采用高水材料全尾砂胶结充填，使接 顶密实，防止顶板岩体塌落。全尾砂胶结灰砂 比为 1 4 ～ 8 ， 胶结体强度要求达到2～ 4 MP a ， 确保胶结体站立高度 的稳定性。后采矿柱 ，采 后空区可用尾砂充填 ，若空区下部有矿需继续 回采，则该空区底部仍需用全尾砂水泥胶结充 填，胶结充填体上部可用尾砂充填。接顶部位 仍需用高水材料全尾砂胶结充填，达到接顶密 实，防止顶板岩体塌落沉降。 4 充填材料的制备工艺及系统 4 ． I 垒尾砂水泥胶结充填 从选厂来的尾砂贮存于砂仓，需要充填 时，尾砂通过虹吸管路进入搅拌槽，与从水泥 仓输送来的水泥混合，强力搅拌后送往采场进 行 充填 。 4 ． 2 高水材料全尾砂胶结充填 高水材料充填时需将甲、乙料分别置于两 水泥仓内，然后输送至搅拌槽 ，与砂浆混台后 分 别通过 管道送 往 采场 ， 在到达 采 空 区前将 5 5 。。 瑚m 9 9 维普资讯 2 0 0 2年 3月 米 中立某大水矿床活水方案与采矿方击的选择 尾砂 懈 1 5 l ‘ 图 2 铲运机出矿分段空场嗣后充填法示意图 1 阶段措脉运输巷；2 ． 穿脉运输巷道；3 ． 铲运机斜坡道； 4 进风天井}5 ．出矿层 铲运机联巷 ；6 出 矿层进风联巷； 7 ． 凿岩层铲运机联巷； 8 凿岩层进风联巷；9 ． 采区漕井；1 0 ．措脉出矿巷道；I 1 ． 穿 脉出矿巷道；1 2抬脉凿岩联巷；1 3 ． 穿脉凿岩联巷；I 4 出矿层回风联巷；1 5 ．凿岩层回风联巷；1 6 ． 回风天井；1 7 ． 堑掏巷道；1 8 ． 装矿巷道；1 9切割井；2 0 切割巷 』 二l 二I ‘ I 3 矿律界线【 技嚣’ ．1 二 9 1 0 l 1 一 I 图 3 电耙 出矿分段空场嗣后充填法示意图 1 措脉运输巷i 2 ． 穿脉运输巷；3 行硒风井； 4 ．耙道联络巷 5 溜并 ；6 ．电耙道 ；7 斗 穿；8 斗井；9 ． 凿斯巷遁联络巷；1 0 切割巷_ _ 剖井 1 2凿岩巷；1 3 中深孔 维普资讯 l 2 冶金 矿 山 设 计 与 建 设 第3 4 卷 第2 期 呆婿【 高水 材抖先壤 图4 充填系统示意圈 甲、乙两种砂浆液并人一条管道，自行混合后 充人采空区。 充填系统示意图觅强4 。 水泥胶结充填时只开动一套系统即可，另 套备 用。高水材 料充填 时需 两套 系统 同时 开动 。 该系统内的砂浆浓度、 水泥输送量等全部 由仪表显示并集中控制 5 全尾砂水泥胶结交填的特点 用尾砂作为充填材料，可减少尾矿库的费 用， 还利于环境保护，同时尾矿输送工艺简 单 ， 但尾砂的特点是粒径小，比表面积大，要 使水泥颗粒包裹尾砂颗粒，则水泥消耗量大。 ～ 般情况下，水泥包裹不住的细尾砂 ，在采场 悬浮于充填体的表面，必然会 随充填水流人巷 道和水仓 ，增加 了井下排泥量，也污染 了井 了 工作环境。所以，以前一直认为．尾砂的分级 脱泥，只需使用强力搅拌机进 入强力搅拌即 可 ， 这种方法国内外矿山都有使用，国外像苏 联的阿齐赛斯克多金属公司等，国内有凡口铅 锌矿、张马屯铁矿等。 6 高水材料全尾砂胶结材料特点 高水材料是中国矿业大学北京研 究生部研 制出的一种新型无机非金属材料，全称为高水 速凝材料。高水速凝材料是选用铝钒土、石灰 和石膏为主要原料，配以多种无机原料和添加 荆等，象制造水泥那样，经鸯细、均化等工 艺，而配制成甲、乙两种固体粉料。该材料具 有下列性质 1 固水能力强该材料能将 9 倍于自己 体积的水，固化成固体，形成高结晶水的人工 石，该材料的水和固体粉料体积比含水率 8 7 ％ ～ 9 0 ％，重量比水固比为 2 、 2 2 、 5 7 1 。充填 井下 1 rrl 空间．若采用全水充填，固化剂用量 为2 9 7 4 4 7 k g ，若用尾砂作骨料，固化剂用 量则大大减少，在强度一定的情况下 ， 尾砂浓 度越高，固化剂掺加量就越少。 2 材料具有可泵性甲、乙两种固体粉 料与水搅拌制成的甲、乙两种浆液，输送或单 独放置可达 2 4 h 以上不凝固、不结底 ， 非常适 合机械化泵送施工。 3 材料具有速凝性甲、乙两种材料浆 液混合后才开始凝，3 0 ra i n 之内即可凝结成固 体，1 h 后即可开始承载。 4 材料的强度性能甲、乙两种材料浆 液混合后强度增长很快，1 h 强度可达 0 ． 5 ～1 MP a ，2 h 强度可达 2MP a ，l 天可达 3 ． 0～4 ． 0 MP a ，7天以后可达 5 MP a以上。 5 材料本身无毒无害在全尾砂固化胶 下转 第 2 9页 维普资讯 2 0 0 2 年3 月 程 翔等 B 1 2 0 0 进口 钢芯 输送帚联 接苎壁接 堇 堕堡 数量增多 ，强度并没有增大 ，反而因胶层 的变 薄而降低了联接头的强度。 采用二级搭接方式，联接 头中的钢芯数 目 由原来的 1 3 0 根 减少到 l l 7根 ，钢芯之阔的胶 层 由原来 的 1 ． 3 7 mm增 加到 2 ． 3 1 mm，增厚 0 ． 9 4 i r il ，胶层的附着力能得到明显的提高。 我们对二种搭接 方式做了一个物理性能对 比试 验，其结果如下表 表 1 不同搭接方式下单根钢芯的物理性能 可见单根钢芯的粘台强度增加了 1 6 0 N ／ cm，增幅达 l 8 ％。 5 ． 2 禁用清洗剂 改变原来使用清洗剂清洗钢芯的传统方 式 采用干式清洗法。即用钢丝刷和电吹风小 心地对钢芯表面进行清洁， 减少引起联接头表 面起泡和内部 “ 蜂窝”现象的因素。 5 ． 3 少用胶浆 我们向外方专家了解到，胶浆只起清洁钢 芯的作用，而不是用来增加粘台力的。少用胶 浆不会影响到联接头的强度 ．并能避免联接头 的起泡和 蜂窝”现象 。 5 ． 4 增加联接头长度 把联接头长度由 1 6 0 0m m增加到 2 0 0 0 mm，钢芯的搭接长度 了也 由原来 的 1 2 5 0 mm 增加到 1 6 5 0 m m，搭接长度增加 了 4 0 0 r a m， 相应增加了钢芯的抗拔脱力 。 5 ． 5 尽量减少水分 做联接头时， 提前将胶料从冰柜中取出晾 干； 对联接头硫化场地预先做好隔离措撼 ， 避免 水分在胶接过程中进入联接头， 影响胶接质量。 6 改进工艺后的联接头情况 0 ,2 O 0 O 年度 ，我们在 2 钢芯输送带换带过程 中，采用了新的胶接工艺。从效果上看 ，联接头 的表面质量有明显好转， 无起泡、凹坑现象。用 仪器检测，各项性能指标都满足技术要求。输送 带运行到目 前为止，未出现任何问题。 7 结论 B 1 2 0 0钢芯输送带联接头的改进工艺 ，对 联接头强度的提高有明显的作用。它不仅适用 于国外及国产的钢芯输送带，对普通输送带也 有一定的指导作用。 口 上接 第 l 2页 结充填采空区的工程中，使用高水速凝材料做 固化剂。这种新型 的固化剂的主要特点是可将 高比例的水凝结为固态结晶体，从而使得充填 料浆可在较宽范围的浓度条件下脱水而变为固 体。从而解决了充填采矿以往无法克服的一系 列重大难题。该充填技术主要有以下优点 1 全尾砂不分级直接利用，充填料浆在 采场内不用脱水便可凝结为固体 ，简化 了充填 工艺系统，改善了矿山作业和环境条件。 2 充填料浆便于输进 ，具有快凝 、早强 、 充填效率高等突出优点，并有利于充填接顶， 可以满足采矿生产要求。 3 充填料浆允许浓度范围广、不离析、 流动性能好，有利于实现远距离输送，充填工 艺易于控制。 7 结论 通过以上的技术经济的比较和论述说明， 在该铁矿矿体埋藏较深，地下涌水量大，地表 不允许塌陷的情况下，采用全尾砂胶结充填采 矿法在技术上是合理的，经济上是优越的．解 决了该矿开采中的一系列技术难题。同时应用 了全尾砂作充填料及高水速凝材料充填等新技 术，在技术上是合理的，把这项技术应用于黑 色冶金矿山，将会产生巨大的经济效益和社会 效益。另外矿山生产时，可继续进行试验，减 少水泥胶结充填，加大高水材料胶结充填，进 一 步降低高水材料成本，逐步用高水材料替代 水泥是有希望的。 n 维普资讯