三鑫矿业公司充填体强度与采矿方法匹配研究.pdf

2 0 1 3年第 6期／ 第 3 4卷 黄金 GoLD 三鑫矿业公司充填体强度与采矿方法匹配研究 李电辉 ， 孙德胜 1 ． 甘肃省天水李子金矿有限公司； 2 ． 湖北三鑫金铜股份有限公司 摘要 充填体强度是影响充填采矿法应用的关键 因素之一。从 充填体强度设计和稳 定性分析 入手 ， 应用工程类比法和理论分析计算方法， 开展 了充填体强度与采矿方法的匹配研 究。研究应用 表明， 针对不同采矿 方法和回采顺序对充填体强度的要求不 同， 匹配研究可确定合理、 经济的灰砂 配比， 有效控制充填体胶结材料 用量， 降低充填成本 ， 达到控制采矿损失贫化 ， 降低 采矿成本的 目 的 。 关键词 充填采矿法； 充填体强度 ； 匹配； 灰砂 配比； 直立性 ； 充填成本 中图分类号 T D 8 5 3 ． 3 4 3 文章编号 1 0 0 11 2 7 7 2 0 1 3 0 6 0 0 3 9 0 4 文献标志码 A D O I 1 0 ． 1 1 7 9 2 ／ h j 2 0 1 3 0 6 0 9 湖北三鑫金铜股份有限公 司 下称“ 三鑫矿业公 司” 成 立 于 1 9 9 9年 ， 位 于 湖 北 省 大 冶 市 城 西 南 3 ． 5 k m 处 ， 地理位置优越。三鑫矿业公 司经过二期、 三期扩建工程建设 ， 目前年采选生产能力 9 0万 t 。三 鑫矿业公司是以采选金 、 铜为主要产品的资源开发型 企业 ， 现拥有鸡冠嘴和桃花嘴 2个矿 区， 采用主副井 联合开拓 ， 以阶段空场嗣后充填采矿法为主多种采矿 方法联合 回采 ， 已进入持续 、 稳定的发展 阶段。 目前 三鑫矿业公 司每年需充填采空区 2 8万 m 左右 ， 充填 体强度和采矿方法匹配的研究 ， 既可以有效地控制采 矿过程中的损失贫化 ， 保证 回采安全 ， 更能达到降低 充填成本的 目的。 1 采矿方法及充填简述 三鑫矿业公司矿区地表为 围湖 垦 区， 地 表不允 许沉陷和岩层剧烈移 动 ， 只能采用充填采 矿法。因 井下主要为厚大矿体 ， 目前采矿方案 主要为分段 凿 岩 阶段空场 嗣后 充填 采矿 法和上 向水平分 层充 填 采矿法两步骤 回采方案。中段高度 5 0 m， 矿块划 分 为矿房和矿柱 ， 先 采矿房后采矿柱 。当矿体厚度小 于 2 5 m 时 ， 采 场 沿 矿 体 走 向 布 置 ， 即采 场 长 约 4 0 m， 宽度为矿体厚 度 ； 当矿体水平厚度 大于 2 5 m 时 ， 采场垂直矿体走 向布置 ， 矿房 和矿柱宽度 1 2～ 1 5 m； 底柱厚度 1 O～1 4 m， 第一步骤回采矿房 ， 第二 步骤 回采矿 柱。底 柱 内布置铲 运机 出矿平底 堑 沟 底部结构 。 一 采空区采用分级尾砂胶结充填 ， 胶结材料采用山 东淄博海易水泥厂研发的新型尾砂 固结材料。经过 近二三年 的使 用 ， 充填 效 果较好 ， 现 每年充 填量 达 2 8万 m ， 需消耗充填胶凝材料约 1 ． 8万 t 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 2 作者简介 李电辉 1 9 7 1 一 ， 男， 河北无极人， 高级工程师， 从事岩金矿山生产技术及管理工作； 甘肃省天水市娘娘坝镇李子园， 甘肃省天水李子金 矿有限公 司， 7 4 1 0 0 5 En g i ne e r i n g g e o l o g i c a l i nv e s t i g a t i o n a nd r o c k ma s s qu a l i t y e v a l u at i o n o f Hu d e h e c o p pe r mi ne C h e n Z a n c h e n g ， ， Y u B i n ， H u J i a n j u n ， C a o H u i 1 ． B e n g G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o fMi n i n g a n d Me t a l l u r g y ； 2． S h a n d o n g G o l d Gr o u p Co ．， L t d．； 3 ． S c h o o l of C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e e n g i n e e rin g g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s ， h y d r o l o g i c a l a n d g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s a nd r o c k ma s s me c h a n i c a l c h a r a c t e ri s t i c s o f H u d e h e c o p p e r m i n e ， e n g i n e e ri n g g e o l o g y i s d i v i d e d ， j o i n t f r a c t u r e s t a t i s t i c s i s m a d e a n d r o c k ma s s s t r u c t u r e i s c l a s s i f i e d a p p l y i n g g e o l o g i c al me c h a n i c s o f r o c k e n g i n e e ri n g ． At t h e s a me t i me ，CSMR c l a s ． s i f i c a t i o n me t h o d i s a p p l i e d t o c l a s s i f y a n d e v a l u a t e t h e q u ali t y o f c o p p e r o r e r o c k s y s t e ma t i c a l l y a n d c o mp r e h e n s i v e l y ． T h e e v a l u a t io n r e s u l t s h o w t h a t r o c k m a s s s l o p e q u a l i t y l e v e l o f th e d i s t r i c t s o f a n d② o f is I I I b ， a n d t h e l e v e l s o f th e d i s t ri c t s o f ④、 ⑤ a n d ⑥ is I I I a a n d t h a t o f th e d i s t ri c t ③ i s l i b ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ； e n g i n e e r i n g g e o l o gy i n v e s t i g a t i o n； r o c k ma s s s t r u c t u r e q u a l i t v e v alu a t i o n o f r 0 c k m a s s ；C S MR c l a s s i f i c a t i o n 编辑 邢万芳 黄金 2 采矿方法与充填体强度匹配研究 在回采过程中要保证整个矿区岩层的稳定性和二步 骤矿柱 回采的安全。一步骤矿房 回采胶结充填体强 目前 ， 三鑫矿业公司二步骤采场主要采用水平分 度大小及稳定性对二步骤矿柱 回采及底柱的 回收至 层充填采矿法， 生产效率低， 机械化水平不高， 很难与 关重要， 设计合理的充填体强度需要从技术、 经济等 一 步骤采场同步 回采。近几年随着井下充填体质量 方面考虑。目前具有代表性 的充填体强度计算分析 的提高 ， 现计划二步骤采场采用分段凿岩阶段空场嗣 方法有 3种⋯ 后充填采矿法或浅孑 L 留矿嗣后充填采矿法 ， 以提高二 1 类比法 将所要设计矿 山的开采与充填条件 步骤回采强度和效率。为此 ， 三鑫矿业公司与长沙矿 和相类似的矿山进行 比较 ， 从而选择一个认为较适 当 山研究院合作进行采矿技术研究 ， 在现有充填系统及 的充填体强度值。 充填材料的基础上进行充填体质量与采矿方法的匹 2 模型法 将充填体抽象成一个力学模型或模 配试验 ， 一方面满足以后采矿方法的需要 ， 另一方面 拟缩小一个物理模型 ， 从而推导 出充填体所需要 的 减少胶结材料 ， 降低充填成本。 强度值 。当前 使用模 型主要 是将 充填体 视为 自立 2 ． 1 充填体强度设计和稳定性分析 性人工矿柱 ， 主要 承受 自重。其原 因是 ①充填 体 采矿引起 的围岩活动一般情况下 是先 由侧向临 的刚度 与岩 石 的刚度 相 比， 小得 几乎 可 以忽略 不 空面开始发生小规模 片落， 使 整体 围岩失去应 力平 计 ； ②采场 充填体一 般接顶不 密实 ， 很难直接 承受 衡 ， 最终发生大规模岩移 。充填体就是限制围岩移动 顶板压力 ； ③ 当回收两充填体 之间 的矿 柱时 ， 充填 的量值 ， 维持岩体表层 的完整 ， 使其破 坏不 向纵深发 体的暴露面积应有一定限制 ， 并据此设计充填体的 展 。因此胶结充填体所起 的作用在于 ①给矿柱提供 强度值 。 侧压力 ， 提高矿柱的承载能力 ； ②减少 矿柱 的变形 以 3 数值分析法 应用边界元法或有限元法来分 及 围岩 中破 裂带扩 展， 提 高矿 柱及 围岩 的稳 定性 ； 析充填采场 围岩的闭合 、 围岩 中位移与应力的分布以 ③消除或基本消除空区， 承载采场顶板破碎带 内松动 及充填体中位移与应力的分布， 从而预测出充填体所 岩块 ， 减小顶板离层松动范围。 需的强度。 胶结充填体的强度设计因矿山而异 ， 主要取决于 2 ． 2 工程类比法 具体的开采技术条件和充填条件 。为了使胶结充填 国内外部分矿 山采场充填配 比设计实例及充填 体在技术上达到可靠 ， 经济上得到优化 ， 就需要合 理 体强度见表 1 。 的确定充填体的强度 ， 保证其稳定性。三鑫矿业公司 类比分析三鑫矿业公司一步骤采 场胶结充填设 表 1 国内外部分矿 山高大采场充填体配 比设计参数 矿山名称 采矿方法 采场尺寸 长 宽 高 ／ 暴露 面积／ 充填材料及 配比 充填体强度／ MP f m i1 1 XIT I 广东凡 口铅锌矿 V C R法 3 5 7～1 0 4 0 1 4 0 0 尾砂 ， 棒厝砂胶结 ； 1 8 ， 1 1 0 2 ． 5 湖北大冶铜绿 I U 矿 V C R法 1 2 4 0 水泥尾砂炉渣胶结 ； 1 7 1 ． 9 r 6 0 1 O 0、X f 1 5～1 8 广西大厂铜坑锡矿 分段空场嗣后充填 f 5 ～ 0 棒磨砂胶结 ； ， 甘肃 白银深部铜矿 分段空场嗣后充填 5 0～8 0 X 2 0 X6 0 分级尾砂胶结 ； l 4 ， 1 1 0 辽宁抚顺红透山铜 矿 阶段空场嗣后充填 2 0 X 1 2 6 0 分级尾砂胶结 ； 水泥 2 5 0 k g ／ m 2 7l～3． 4 7． 安徽安庆铜矿 大孔侧 向崩矿采矿法 1 5 4 0 1 2 0 8 0 o 0～l 2 0 】 分级尾砂胶结 ； l 4 ， 1 2 ． O 8 ～2 ． 4 9 ’ 新 布罗肯希尔矿 澳大利亚 大商径深孔4 0 6 ． I 9 1 1 8 0 0 尾砂胶结 ； 1 1 6 ， I 2 0 0 ． 7 8 克莱顿铜镍矿 加拿人 V C R法， 采场棋盘式 1 5 X1 5 9 1 1 4 0 0 尾砂胶结 ； I 1 6 斯特拉 斯康纳矿 加拿大 V C R法 6 0 X7 X 4 5 高 6 1 m， 宽 1 0 7～1 2 2 m 尾砂胶结 ； 1 8， 1 3 2 0 ． 3 5～ 0 ． 4 0 1 3 0 奥基普铜矿 南非 大直径深孔 3 O 3 0 x 9 1 2 7 3 0 尾砂胶结膏体 ； 1 1 5 加伊铜矿 俄罗斯 大直径束状深 L 5 0 2 0 x 9 0 4 5 0 0 尾砂胶结； 1 8 ， 1 1 0 塔拉铅锌矿 爱尔兰 深孔崩矿 2 0～ 6 0 1 2 ． 5 8 0 1 6 0 0- 4 8 0 0 尾砂胶结 ； 1 6， l 1 6 1～ 4 鲁比 尔斯 铜锌矿 西 班牙 V C R 法 2 5 x 2 0 x 6 0 1 5 0 0 计强度要达 2 ． 0 MP a以上 ， 即充填灰砂 比为 1 8～ 1 2 ， 能够满足三鑫矿业公司采矿方法的要求。 2 ． 3 理论分析计算方法 根据充填体现场调查和强度试验结果， 主要分析 2 0 1 3年第 6期／ 第 3 4卷 测试配 比为 1 1 0的充填体稳定性 。根据现场试验结 果 ， 取灰砂 比为 1 1 0的充填体强 度参数 内聚力 为 0 ． 1 5 MP a ， 内摩擦角为 4 0 。 ， 泊松 比为 0 ． 2 5 ， 充填体容 重为 2 2 ． 5 6 k N ／ m ， 充填体与围岩问的内聚力与内摩 擦角计算时与充填体 的值相同， 充填体沿走向长度即 矿房宽度为 1 5 m。 2 ． 3 ． 1 蔡嗣经经验公式法 蔡嗣经教授对 国内外矿 山实际的充填资料进行 分析 ， 回归出经验公式 Y 。 1a 式 中 Y为胶结充填体高度 m ； 为胶结充填体强度 MP a ； a为系数 ， 建议充填体高度小于5 0 m时 ， a取 6 0 0 ， 充填体高度大于 1 0 0 m时， a取 1 0 0 0 。 根据公式 1 计算的充填体强度值见表 2 。 表 2 蔡嗣经经验公式计算的充填体强度 充填体高度／ m 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 充填体强度／ MP a 0 ． 5 5 0 ． 7 2 0 ． 8 7 1 ． 0 1 1 ． 1 4 1 ． 2 7 1 ． 3 9 2 ． 3 ． 2 T h o m a s 计算法 T h o m a s 计算法认为 ， 设计胶结充填采场底部的 挡墙时， 应考虑一种成拱作用， 这种作用主要是由于 水砂充填材料与围岩壁间的摩擦力所致。因此 ， 考虑 到充填体与围岩间摩擦力所引起 的成拱作用 ， 利用岩 土力学 中的极限平衡分析 ， 通过对充填体的三维楔体 稳定分析 ， 确定胶结充填体的强度。由该算法得出充 填体底板的垂直应力为 一 2 式 中 h为暴露的充填体高度 m ； b为暴露 的充填体 宽度 m ； 为充填体容重 k N ／ m ； 为作用在充 填体底部的垂直应力 MP a 。 式 2 的适用范 围是充填体 的长度 不小于充填 体高度的一半。充填体不 同暴露宽度 高度 情况下 的应力计算结果见表 3 。 表 3 T h o m a s 公式计算的充填体应力结果 暴露高度／ 充填体不 同暴露宽度情况下的应力／ MP a 0． 1 l 5 0． 1 3 8 0． 1 5 3 0． 1 6 4 O ． 1 7 3 0 ． 1 7 9 0 ． 1 8 4 0 ． 1 8 8 0． 1 9 2 0． 1 9 8 O． 1 5 3 0 ． 1 9 7 0 ． 2 3 0 0 ． 2 5 6 0 ． 27 6 0 ． 2 9 3 0 ． 3 0 7 0 ． 31 8 0． 3 2 9 0． 3 4 5 0 ． 1 6 4 0 ． 2 1 6 0 ． 2 5 6 0 ． 2 8 8 O． 3 1 4 0． 3 3 5 0． 3 5 4 0． 3 7 0 0． 3 8 3 0． 4 0 6 0 ． 1 7 9 0． 2 4 2 0． 2 9 3 0． 3 3 5 0． 3 7 2 0． 4 0 3 0． 4 2 9 0． 4 5 3 0 ． 47 4 0 ． 5 0 8 为了保证矿柱回采充填体的稳定及 回采过程中 爆破对充填体 的影响 ， 充填体 强度设 计安全 系数取 2 ． 0 。根据采 矿方法 回采工 艺和 回采 参数 ，T h o m a s 计算法充填体强度设计值在 0 ． 5 3 0 ． 9 2 MP a 。 2 ． 3 ． 3卢平计算法 卢平计算法修正了 T h o m a s 计算法， 修正公式 J 为 J 1 k 一 t a n s i n 式中 为侧压力系数 ， Ij} 1一s i n 1 ； 4 5 。 ／ 2 ； C 、 分别为充填体与围岩问的内聚力 MP a 与摩 擦角 。 ； C、 分别为充填体的内聚力 M P a 与 内 摩擦角 。 。 充填体不同暴露宽度 高度 情况下的应力计算 结果见表 4 。 表4 卢平计算法计算的充填体应力结果 暴露高度／ 充填体不同暴露宽度情况下的应力／ M P a m 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 为 了保证矿柱回采充填体的稳定及 回采过程 中 爆破对充填体 的影响 ， 充填体强度设计 安全系数取 2 ． 0 。根据采矿方法 回采工艺 和回采参数 ， 卢平计算 法充填体强度设计值在 0 ． 7 2～1 ． 3 0 MP a 。 综合上述 计 算 分析 ， 充 填 体 的强 度 设计 值 为 0 ． 5 3～1 ． 2 4 MP a ， 从安全角度考虑 ， 按类 比法取其设 计强度 2 ． 0 M P a 是合理的。 2 ． 4 充填体的自立性 目前， 三鑫矿业公司二步骤回采是在充填体作为 矿柱下回采矿石， 采场两侧是暴露的充填体， 回采揭 露的充填体的 自立性好坏将决定 回采期问采场安全 性及回采率和矿石贫化率 的高低。根据充填体 的强 度计算和推断充填体的自 立高度的实例不多， 大部分 矿山采用经验类比法判断充填体失稳状况， 为保证充 填体 自 稳性 ， 多数矿山通过减小充填体的暴露面积和 提高充填体强度着手， 没有充分的理论和实际数据进 行评价。 三鑫矿业公司一步骤 回采嗣后充填 ， 是采用新型 町 舛 ∞ 盯 l 2 3 3 3 4 4 4 5 5 3 O 6 4 5 2 4 4 1 O “ ” 钙 8 3 7 6 O 2 1 9 5 6 “ m 2 加 如 ∞ 如 ∞ 圈[ 二 _垂 ] 黄 金 尾砂 固结 材料 作 为胶凝 剂 的分 级尾 砂 胶 结充 填 ， l 8～1 2 的灰 砂 比充 填 体 2 8 d的试 块 强 度 达 2 ． 0 MP a 以上。实际揭露的充填体强度也达 2 ． 0 MP a 以上。根据上述矿山实例的类 比， 足以说明现在的胶 结充填体 自立性比较好 ， 大面积暴露的充填体稳定能 保证二步骤采矿的要求。 3 结论 1 三鑫矿业公司以新型尾砂固结材料作为胶凝 剂 ， 灰砂 比为 1 1 0 ， 充填浓度 7 0％的分级尾砂胶结 充填体 2 8 d强度可达 2 ． 0 MP a以上 ， 完全可以满足 井下采矿的需要。 2 在充填料 的制备及 充填 过程 中， 尽量提高充 填浓度 ， 做好充填滤水 ， 以保证充填 质量及充填体整 体完好性 。 3 矿柱回采 应采用 中深孔 多段微差爆破 ， 以减 小爆破震动对充填体的破坏性影响。 4 加强出矿和充填 进度， 以减少 充填体暴露 时 间。 5 限制充填体暴露 面积 ， 使充填材料混 入矿石 所引起的矿石贫化率小于 3％。 6 三鑫矿业公司通过采矿方法与充填体强度匹 配研究 ， 针对不同采矿方法和不同的采矿阶段采用不 同的充填强度， 既保证 了回采的需要 ， 也实现了降低 采矿综合成本 的目的。 [ 参 考 文 献] l 1 ] 周先明． 金属矿 山充填体作用机理研究实践 [ J ] ． 长沙矿 山研究 院季刊 ， 1 9 9 2 ， 1 2 增刊 1 1 7 91 8 6 ． [ 2 J 长沙矿 山研究院． 湖区厚大矿体高效 开采技术研究 [ R] ． 长沙 长沙矿 山研究院 ， 2 0 0 8 ． 1 3 ] 卢平． 确定胶结 充填体强度 的理论与实践 [ J ] ． 黄金 ， 1 9 9 3 3 1 4 1 R S t u dy o n t h e ma t c hi n g o f mi n i ng me t h o d a n d s t r e n g t h o f ba c k fil l i ng ma t e r i a l s i n S a n x i n mi ni ng c o mpa n y Li Di a nh u i ， S u n De s h e n g 1 ． G a n s u P i o v i n c e T i a n s h u i L i z i G o l d Mi n e C o ． ， L t d ． ； 2 ． H u b e i S a n x i n G o l d C o p p e r L i m i t e d C o m p a n y Abs t r a c t Th e s t r e n g t h o f b a c k fil l i n g ma t e r i a l s i s o n e o f t h e d e c i d i n g f a c t o r s o f t h e s e l e c t i o n o f b a c k fi l l i n g me t h o ds ． S t a r t e d f r o m t h e d e s i g n o f b a c k fil l i n g ma t e r i a l s t r e n g t h a n d s t a b i l i t y， t h e s t u d y u s e d e n g i n e e r i n g a n a l o g y a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s me t h o d s t o c o nd u c t t h e ma t c h i n g o f mi n i n g me t h o d a n d s t r e n g t h o f b a c k fil l i n g ma t e r i a l s ．T h e s t u d y s h o ws t h a t f o r d i f f e r e n t s t r e n g t h r e q u i r e d b y d i f f e r e n t mi n i n g me t h o d a n d r e c o v e r y s e q ue n c e， t he ma t c h i n g s t ud y c o u l d d e t e r mi n e p r o p e r a n d e c o n o mi c a l c e me n t s a n d r a t i o a nd t h u s e f f e c t i v e l y c o n t r o l t h e a mo u n t o f t h e c e me n t i n g ma t e r i a l s ， l o we r s fil l i ng c o s t s a n d a c h i e v e s t h e g o a l o f a l o w d i l u t i o n r a t e a nd mi n i n g c o s t ． ’ Ke ywo r d s b a c k fi l l i n g mi n i ng me t ho d； s t r e n g t h o f fi l l i n g ma t e r i a l s ； c e me n t s a n d r a t i o； e r e c t n e s s ； fi l l i n g c o s t 编辑 邢万芳 十” ””- 4 -““十””” 十““十一”””卜 ““十“””卜 ““十””十”卜 ” 卜 ”“ 一 。 - “卜 ”” - ． 卜 科技新书 贵金属生产技术实用手册 ““””一 贵金属生产技术实用手册 以下简称 手册 是冶金工业出版社 “ 十一五” 选题规划的重点图书， 于 2 0 1 1 年 1月正式出版发行。 手册 是一部涵盖贵金属生产所涉及到的各种工艺过程 ， 较详细地介绍 了地质 、 采矿 、 选矿 、 冶金 、 尾矿处 理、 机电设备、 分析测试、 环境保护、 技术经济分析和案例、 贵金属化工产品深加工、 贵金属材料的应用与发展等 方面的专业知识 、 先进技术和新工艺 ， 并附有常用数据资料及参考文献的大型专业工具书。 手册 中的技术数据与资料翔实可靠 、 实用性强 ， 具有权威性 ， 不仅全面展示 了中国贵金属领域的科技进 步和生产技术水平 ， 而且填补了贵金属行业生产技术缺乏实用工具书的空 白。 手册 可作为工程技术部 门、 施工制造企业 、 科研设计院所和相关专业科技人员必备的工具书 ， 也可作为高等院校相关专业师生的参考书。 手册 分上下册 ， 3 0 0多万字 ， 全套定价 5 0 0元。欢迎广大读者来电、 来函联系。 地址 吉林省长春市南湖大路 6 7 6 0号 黄金杂志社发行部 邮编 1 3 0 0 1 2 审． 话 0 4 3 1 8 5 5 1 4 5 8 6 3 2 3 5 传真 0 4 3 1 8 5 5 2 1 8 6 1 电子信箱 g g b 3 0 6 8 1 2 6 ． c o m