小型石灰石矿地下开采采矿方法的改进.pdf

S e r i e s No ． 4 4 4 J u n e 2 0 1 3 金 离 砖 METAL MI NE 总 第 4 4 4 期 2 0 1 3 年第 6期 小型石灰石矿地 下开 采采矿 方 法的改进 冰 张国荣 福建省龙岩市新罗区矿产品管理总站 摘要为改进小型石灰石矿地下开采采矿方法， 结合新罗矿区 2 2个石灰石地下矿山实际情况 ， 进行了石灰 石地下开采采矿方法选择的影响分析。基于新罗矿区小型石灰石地下矿山现状和存在问题 ， 研究分析了如何改进 小型石灰石地下矿山的采矿方法。得出结论 只采矿房不回收矿柱， 实行一步骤 回采， 采用矿柱永久支撑法处理空 区， 是小型石灰石地下矿山很合适的空区处理方法； 原采空区应采用“ 避开” 或人工砌筑假柱完善矿柱支撑体系进 行处理； 改房柱法为留矿法进行采矿 ， 能提高小型石灰石地下矿 山回采率， 使回采率从 3 0 ％以内提高到 4 0 ％ 一 55 ％ 。 关键词石灰石矿采矿方 法采 空区处理 回采率 On t he I m pr o v e me nt o f Un de r g r o u nd M i ni n g M e t ho d s f o r S m a l l Li m e s t on e Zh a n g Gu o r o n g Mi n e r a l s Ma n a g e m e n t S t a t io n o fX i n l u o D i s t r i c t ， L o n g y a n of F u j i a n P r o v i n c e Ab s t r a c t T o i mp r o v e t h e u n d e r g r o u n d mi n i n g me t h o d s f o r s ma l l - s c a l e l i me s t o n e mi n e ， a n d c o mb i n i n g w i t h t h e a c t u a l c o n d i t i o n o f 2 2 u n d e r gro u n d l i me s t o n e mi n e s i n X i n l u o mi n i n g a r e a， t h e f a c t o r s f o r a f f e c t i n g t h e s e l e c t i o n o f t h e u n d e r g r o u n d mi n i n g me t h o d s for l i me s t o n e mi n e a r e a n a l y z e d ．B a s e d o n t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f s ma l l u n d e r g r o u n d l i me s t o n e mi n e a n d i t s e x i s t i n g p r o b l e ms i n Xi n l u o mi n i n g 8 x e a， b o w t o i mp r o v e t h e mi n i n g me t h o d s f o r s ma l l - s c a l e l i me s t o n e mi n e s i s i n v e s t i g a t e d ． I t i s c o n c l u d e d t h a t i t i s t h e b e s t c h o i c e t o t a k e o n e s t e p mi n i n g wi t h o u t p i l l a r r e c o v e r y ， a n d t h e mi n i n g o u t a r e a mu s t b e a v o i d e d o r s u p p o r t e d w i t h a rti fi c i a l p i l l a r s ．T h e s h r i n k a g e me t h o d i n s t e a d o f t h e r o o m p i l l a r me t h o d， wi l l i mp r o v e t h e r e c o v e ry r a t e f r o m 3 0 ％t o 4 0 ％ ～5 5 ％ for s ma l l u n d e r gro u n d l i me s t o n e mi n e s ． Ke y wo r d s L i me s t o n e mi n e， Mi n i n g me t h o d s ， T r e a t me n t o f mi n e d o u t a r e a ，Mi n i n g r a t e 福建省龙岩市新罗区石灰石资源丰富 ， 新罗 区 是福建省重要 的水泥生产基地 。新罗 区在 2 0世纪 9 0年代中后期开始陆续实施石灰石地下开采， 至 2 0 1 3年初 ， 新罗矿区除 了在曹溪 中甲、 岩 山 2处进 行石灰石露天开采外 ， 其他均为地下 开采 。新 罗全 区已取得安全 生产许可证 的石灰石 地下矿 山共有 2 2个 ， 各矿 山设计 能力均在 2 O～6 0万 t ／ a ， 均属小 型矿山， 全区设计能力总共 6 7 5万 t ／ a 。 新罗矿区在实行地下开采初期， 各矿普遍采用 掘进采矿法进行采矿， 采掘不分、 以掘代采。近些年 来 ， 各矿开始实施正规采矿方法进行规范采矿。在 规范开采过程 中， 新罗矿 区又面对老采空区难处理 、 回采率低、 矿山经济效益不好等问题。通过对新罗 矿区2 2个石灰石地下矿山的调查分析， 认为解决这 些问题关键还是采矿方法。因此， 针对新罗矿区石 灰石地下开采现状， 改进地下开采采矿方法 ， 对提高 ． 4 2 ． 石灰石地下矿山的开采安全和经济效益都有重大意 义 。 1 新罗矿区石灰石矿开采现状及存在问题 1 ． 1 现状 新罗区2 2个石灰石地下矿 山地下采矿情况很 类似， 全部采用平硐斜坡道开拓、 浅孔爆破工艺、 铲 运机铲装 、 汽车运输 。各矿地下开采初期采掘不分 、 以掘代采、 掘进法采矿， 巷道与采空区混在一起。近 些年开采趋于规范 ， 采用房柱采矿法开采 ， 由于回采 矿柱难度大 ， 各矿只采矿房不 回收矿柱 ， 实际为一步 骤回采， 开采中段高度 2 O～ 2 5 m 。各矿自上而下开 采了3～ 4个中段， 每个中段留顶柱 1 0～ 1 5 m。矿 福建省教育厅社会科学项目 编号 1 13 0 9 2 0 8 ， 龙岩市科技项 目 编号 2 0 1 0 L Y 1 1 。 张国荣 1 9 6 7 一 ， 男 ， 工程师 ， 3 6 4 0 0 0福 建省龙 岩市新 罗区。 张国荣 小型石灰石矿地下开采采矿方法的改进 2 0 1 3年第 6期 房高度 1 0 ～ 1 5 m， 间隔矿柱大小不等。单个空区暴 露面积一般不超过 5 0 0 m ， 采空 区基本不处理 ， 依 靠矿柱永久支撑 ， 少量掘进废石 回填 空区。井下 汽 车运输道路部分路段经过采空区。 1 ． 2 存在 问题 分析新罗矿区 2 2个石灰石地下矿山采矿现状 ， 其存在的问题主要体现在 2个方面 1 回采率低 。统计新罗矿 区 2 2个石灰石地 下矿山资源回收情况 ， 留设 的顶柱矿量 占矿井设计 储量的 3 5 ％ ～5 0 ％， 留设 的间柱矿量 占矿井设计储 量 的 1 5 ％ ～3 0 ％， 由于矿柱不 回收 ， 实际 回采率较 低 。资源回收状况较好的石灰石矿实际回采率约为 3 5 ％ ， 大部分石灰石矿的实际回采率在 3 0 ％ 以内。 2 空区群 大面积垮落造成 冲击地压 的危 害。 从新罗矿区 2 2个石灰石矿采空区情况来看 ， 各矿单 个空区暴露面积一般不超过 5 0 0 m ， 石灰石矿岩稳 固性较好， 单个空区暴露面积不是很大， 但由于自上 而下开采 的几个 中段 的采空 区均没有处理 ， 实际上 已形成了左右相邻、 上下重叠的空区群， 采空区呈 “ 楼上楼” 、 “ 几层 楼” 现象。依靠矿柱永久支撑 ， 但 不同中段之间上下矿柱又未能完全对齐， 存在悬空 矿柱 ， 矿柱支撑整体体系不够完整。因此， 若某个矿 柱受损引起单个空区垮落， 可能连带引起空区群大 面积垮落 ， 造成冲击地压危害。 2 新罗矿 区石灰石地 下开 采采矿 方法选 择 2 ． 1 影响采矿方法选择的因素分析 影响采矿方法选择的因素归纳起来包括两个方 面， 一是矿床地质条件， 二是开采技术经济条件⋯。 影响新罗矿区石灰石地下开采采矿方法选择的关键 因素主要有以下几个方面 1 新罗矿区石灰石资源地质情况 。参见表 1 ， 新罗矿区石灰石资源赋存条件主要有 3 种类型。3 类石灰石矿石及围岩都较稳固， 尤其是溪 口组与船 山组石灰石矿岩更稳 固， 但局部矿段有相对破碎 ， 也 有受岩溶侵蚀 ， 栖霞组石灰石溶洞更 发育。3类石 灰石赋存都不深 ， 均有露头 出露地表 。 2 市场价格对石灰石生产成本的限制。石灰 石是价值低廉的矿产品， 新罗矿区除适中兰田少量 溪口组石灰石用于生产重钙粉外， 其他石灰石均用 于水泥生产， 目 前用于生产重钙粉的石灰石售价约 为6 0 元／ t ， 用于水泥生产的石灰石售价约为4 0 元／ t 。 表 1 新罗矿 区石灰石资源分类 类型 地 质年代 矿体 ／ m 厚度 备注 应用的采矿方法须使石灰石地下开采的生产成本控 制在合理范围内， 大部分矿井的生产成本须控制在 2 0～ 2 5元／ t 以内， 才能产生经济效益。 3 采 掘工人技 术水平 对采矿 方法选 择 的影 响。新罗矿区 2 2个石灰石地下矿 山均系小型矿 山， 技术力量薄弱 ， 采掘工人技术水平较低 ， 因此 ， 选择 的采矿方法应力求技术简单 、 容易掌握 、 管理方便。 4 龙岩市生态环境相关政策对石灰石矿的影 响。龙岩市“ 十二五” 规划明确提出要推进生态建 设 、 森林覆盖率保持在 7 5 ． 3 5 ％ 以上。新 罗矿 区各 石灰石地下矿 山选择 的采矿方法， 应尽量使石灰石 地下开采后不引起地表大范围陷落导致植被大面积 破坏 ， 以减少对生态环境 的影响。 2 ． 2 新罗矿区石灰石地下开采采矿方法的选择 根据采矿过程 中的地压管理方式 ， 地下开采采 矿方法分为空场采矿法 、 充填采矿法与崩落采矿法 3大类 。 J 。由于充填采矿法充填系统投入大 ， 采矿 成本较高， 而石灰石售价低， 故石灰石地下开采应用 充填采矿法在经济上是不合理的。崩落采矿法采矿 工艺技术要求较高 ， 而新罗矿区 2 2个石灰石地下矿 山均系小型矿山， 技术力量薄弱， 故应用崩落采矿法 也不可取。从新罗矿 区石灰石资源地质情况来看 ， 空场采矿法应是石灰石地下开采较 合适 的采矿 方 法。空场采矿法又可分为全面采矿法 、 房柱法 、 留矿 法 、 分段矿房法 、 阶段矿房法 5类 ， 综合有关 因素 对石灰石地下开采的影响， 对于新罗矿区 2 2个石灰 石地下矿 山， 房柱法 与留矿法应是较好 的选择。房 柱法与留矿法均是矿柱支护类型的采矿方法， 2种 采矿方法在具体应用时的难点是采空区处理问题。 从矿床地质条件和采矿经济效益两方面来看， 只采 矿房不回收矿柱， 实行一步骤回采， 留设足够矿柱， 采用矿柱永久支撑法处理空区， 应是一个合理合适 的采矿方法。利用石灰石矿岩稳固的特点， 适当降 低回采率， 节省采空区处理所需巨大费用， 这才适合 ．4 ． 总第 4 4 4期 金 畿 母 2 0 1 3年第6期 当前新罗矿区各小型石灰石地下矿 山的实际。 3 新 罗矿 区石 灰石 地 下开 采 采矿 方法 的 改 进 新罗矿区 2 2个石灰石地下矿山均已开采 了一 定年 限， 从其采矿现状及存在问题来看 ， 改进新罗矿 区石灰石地下开采采矿方法 ， 主要是解决回采率和 原采空区处理两个关键 问题 。 3 ． 1 原采空区的处理办法 采空区处理方法归纳起来有崩落法、 充填法、 支 撑法、 封闭隔离法和联合法 5 类 4 。 。崩落法与充填 法主要用于大采空区的处理 ， 支撑法与封闭隔离法 主要用于“ 孤” 、 “ 小” 空 区处理 ， 联合法是多种处理 方法的综合应用 。石灰石地下矿山开采后产生废石 少 ， 也无尾矿尾砂 ， 充填材料难 以提供 ， 充填处理不 现实。崩落处理技术难度大， 难以操作， 且有可能引 起大面积地表陷落造成大面积植被破坏， 崩落法也 不可取。 从新罗矿区 2 2个石灰石地下矿山现状可见 ， 各 石灰石矿原回采率低 ， 实 际采 出后遗留空间 占井下 体积比不大 ， 单个空区暴露面积也不是非常大 ， 主要 还是采空区群的问题。利用石灰石矿岩稳固性好的 特点， 结合井下现状 ， 各矿原采空区有 2种处理办法 可 以选择。 第 1 种办法是人工砌筑假柱完善矿柱支撑体 系 ， 矿柱永久支撑法。即通过人工砌筑假柱使不同 中段之 间间隔矿柱做到上下对应 ， 在悬空矿柱下方 砌筑假柱 ， 完善矿柱支撑体 系。同时在相对较大暴 露面积的空区内人工砌筑假 柱 ， 增强矿柱支撑体系 强度 ， 提高空区稳定性。人工砌筑假柱大小根据所 需强度计算确定， 高度必须接顶， 砌筑假柱材料可采 用毛石 、 钢筋混凝土等。 第 2种办法是“ 避开” 法 ， 也属封闭隔离法。即 按照“ 允许老空区垮落， 但垮落的冲击波不会进人 今后开采的新区域” 思路来考虑， 将采空区可能塌 陷造成危害的区域与今后开采区域分开来 。在新区 域与老采空区现有相通或可能相通处采用强密闭以 隔断冲击波进入新区域， 利用释放口释放冲击波压 力。即在采空区群下方布置巷道， 避开原空区群对 开采的影响， 若需要在采空区正下方开采， 则保留 2 0 m厚的隔离板作保护矿柱， 若需要在空区群邻近 开采， 则留设宽宽 2 0 m 的大间隔矿柱 隔开 ， 以减少 岩层移动对其上部的影响， 即使上部空区塌陷， 产生 的冲击波也不会进入今后开采的新区域。 3 ． 2 采矿方法的改进 3 ． 2 ． 1改进办法 采矿实践表明 ， 采空区暴露面积越大 ， 对矿柱产 生作用的应力也越大 ， 间柱越大， 矿柱强度越大 ， 间 柱高度 的增大对强度的影 响是减弱 ， 顶柱厚薄对 矿 柱支护体系的影响有限， 矿柱支护体系中间柱的稳 定性是关键 。 新罗矿区2 2个石灰石地下矿 山现采用房柱法 进行采矿 ， 只采矿房不 回收矿柱 ， 实行一步骤 回采 ， 采用矿柱永久支撑法处理空区。各矿实施房柱法采 矿时开采 中段高度 2 0～ 2 5 m， 矿房高度仅为 1 0～1 5 IT I ， 留顶柱厚 1 0 1 5 m， 留设的顶柱矿量占矿井设计 储量 的 3 5 ％ 一 5 0 ％ ， 留设的间柱矿量 占矿井设计储 量的 1 5 ％ 一 3 0 ％。据矿柱支护采矿法岩体控制理 论 ， 新罗矿区 2 2个石灰石地下矿 山现房柱采矿法的 应用是不科学的， 中段高度 、 矿房高度、 顶柱厚度三 者明显不合理 ， 顶柱在矿柱支护体系中作用有限 ， 却 占用了很大的矿量。因此要改进采矿方法 ， 减小顶 柱， 适当增大间柱， 提高回采率。 房柱法在新罗矿 区 2 2个石灰石地下矿 山进行 采矿时 ， 操作工艺上存 在缺陷， 工人只能在高度 l 0 1 5 m以内作业。增大开采高度， 安全风险增大。 根据新罗矿区 2 2个石灰石地下矿 山开采技术 条件， 留矿法是 目前比较适合的采矿方法。留矿法 的应用如下 各矿实施留矿法采矿时开采 中段高度 为 4 0～ 5 0 m， 矿房高度为 3 0～ 4 0 1T I ， 留顶柱厚 1 0～ 1 5 m， 水平横 向间柱 、 水平纵向间柱尺寸与矿房尺寸 分别按 1 3确定 ， 空 区暴露 面积控制 在 5 0 0 m 以 内 ， 空区控制成长条形 。如矿房规格长 宽取 3 0 m 1 5 m， 水平横 向间柱 、 水平纵 向间柱规格分别 取 3 0 m 5 m、 1 5 m X 1 0 m。矿房 由下 向上分层开采 ， 每次崩落矿石后出矿一部分， 其余作为工人站立的 作业平台， 工人站在矿石堆上进行凿岩作业。矿房 采完后再将暂留在矿房内的矿石统一铲装运出， 只 采矿房不回收矿柱 ， 实行一步骤 回采 ， 采用矿柱永久 支撑法处理空区。间隔矿柱留设时特别注意上下对 应， 严禁出现悬空矿柱， 保证矿柱支护体系的完整。 留设 的顶柱矿量 占矿井设计储量的 3 0 ％ 以内， 留设 的间柱矿量 占矿井设 计储量 的 3 0 ％ 以内。对 比改 进前后， 改进后回采率可由原 3 0 ％提高到 4 0 ％ 一 5 5％ 。 3 ． 2 ． 2 应用实例 新罗区适中某石灰石矿， 生产能力 3 0 万 t ／ a ， 矿 张国荣 小型石灰石矿地下开采采矿方法的改进 2 0 1 3年第 6期 界范围标高为 9 0 7～ 6 8 2 m， 开采的矿体为三叠 系下统溪 口组灰岩 ， 赋存 8 5 0 m 以下， 倾 角为 3 0 。 ～ 4 0 。 ， 厚 4 0～ 8 0 m。采用阶段平硐开拓， 爆破崩 矿 ， 铲运机铲装 ， 汽车运输 。该矿在开采 8 5 0～ 7 7 0 n l 矿石时 ， 分 8 2 5 m、 8 0 0 m、 7 7 0 m 3个中 段开采 ， 采用掘进式采矿和房柱法采矿 2种方式 ， 掘 进式采矿时巷道断面宽 高为 8 m x 8 m， 房柱法开 采时采高约 1 2 m。因回采率一直较低 ， 两年前开始 改用留矿法采矿。将 7 7 0～6 8 2 m之 间矿体 分 7 2 5、 6 8 5 i n两个中段开采 ， 中段高度分别为 4 5 、 4 0 1T I 。 7 2 5 IT I 中段留矿法采矿矿房布置见图 l 。 l 2／ 一 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／／ ／ ／ ／ ／ 一 s一 一 ／／／／／／／／／， ／／／／／／／／／， 一 1 s～ 4 ＼ ／／／／／／／／／ ／／／／／／／以 一 图 1 留矿采矿法矿房布置 示意 1 一 7 2 5 r n主运输巷道 ； 2 一 7 2 5 m辅助运输巷 ； 3 一联络道 ； 4 一通 风天井 ； 5 一矿柱 1 巷道布置。在靠近矿体上下盘边缘处沿走 向布置 7 2 5 m水平的主运输巷和辅助运输巷至边 界 ， 走向长约 3 0 0 m， 倾 向方 向掘联络巷长 8 0 m， 将 主运输巷与辅助运输巷贯通 ， 边界处布置 7 2 5～ 7 7 0 m通风天井 。运输巷 、 联络巷巷道断面为 5 m 5 m， 天井断面为 2 m 2 m。 2 矿房、 柱布置。参见图 1 ， 矿房尺寸为 3 0 m 1 5 m， 沿走 向方向布置 7排矿房 ， 每排沿倾向方向 布置 4 个矿房， 其布置 2 8个矿房； 间柱 A共布置 7 个 ， 尺寸为 1 0 m8 0 m； 间柱 B共布置 2 8个 ， 尺寸 为 3 0 m 5 m。开采时留顶柱厚 1 2～1 3 m， 回采高 度为 3 2～3 3 m。 3 采矿顺序。矿房开采顺序为 由远及近后退 式开采。 4 采矿方法。浅孔 留矿法采 矿， 矿房 由下 向 上分层开采， 每次崩落矿石后出矿部分， 其余作为工 人站立的作业平台， 矿房采完后再统一出矿 ， 只采矿 房不回收矿柱 ， 实行一步骤回采 ， 采用矿柱永久支撑 法处理空区。 5 通风。新鲜风流从 主运输巷 、 辅 助运输巷 进入采场， 冲洗工作面后 ， 污浊风流通过通风天井至 7 7 0 m水平巷道至风井排 出。采场布置局扇辅助 通风， 增加采场通风能力 。 6 效果。现已从边界后退 回采 了 2排共 8个 矿房， 共回采矿石约 3 2 万 t ， 占用资源量约 7 7万 t ， 回采率约为 4 2 ％ 。经对采空区进行监测 ， 采空 区顶 板、 矿柱均无变化 ， 很稳定。 4 结论 我国地下矿山采矿方法在不断改进、 完善和发 展 ， 但我 国地下开采采 矿方法 的应用与研究多是在 金属矿山领域进行。石灰石地下开采起步迟 ， 采矿 方法的应用与研究历史也较短。由于石灰石售价 低、 经济价值有 限， 矿柱支护类型的采矿方法是石灰 石地下开采较适宜的采矿方法 。从开采技术条件来 看 ， 只采矿房不 回收矿柱 ， 实行一步骤 回采 ， 采用矿 柱永久支撑法处理空 区， 对类似新罗矿区这样 的小 型石灰石地下矿山来说， 是一种很合理也是很合适 的空区处理方法。“ 避开” 和人工砌筑假柱完善矿 柱支撑体系是石灰石地下矿山老采空区处理较适宜 的办法。留矿法开采比房柱法开采优势明显， 留矿 法开采的回采率更高 。 参考文献 [ 1 ] 采矿手册 编委会 ． 采矿手册 第四卷[ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 王青， 任风玉 ． 采矿学[ M] ． 2 版 ．北京 冶金工业出版社， 2 01 1 ． [ 3 ] 解世俊 ．金属矿床地下开采[ M] ． 北京 冶金工业 出版社， 1 9 8 4 ． [ 4 ] 杨布华．我国非煤矿山地下采空区稳定性研究进展[ J ] ． 矿产 与地质 ， 2 0 0 8 ， 2 2 5 4 7 3 - 4 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