从岩石力学观点剖析谷里铜矿的采矿方法.pdf

第 3卷第8期 浙江经专学报 199工年12月 从岩石力 学观点剖析谷 里铜矿 的采矿方法 经济系叶正茂 本文通过对 谷里铜矿 的采矿方法的评估 , 强调岩石力学在采矿工程中的 地位与作用 , 对 一个即将开采完毕的矿山进行分析与研究 , 得出成功的经验 与失败的教训 , 从而寻找到规律 性的东西 , 以供其它矿 山借鉴 。 一 、 矿体的赋存条件与矿岩的力学性质 矿体呈扁豆状 及楔状 , 产于闪长扮岩体的裂隙带中 , 矿体走向30 “ 6 0 。 , 倾向NW , 倾 角为6 0 。 一75 0 , 矿体走向长度3 5M一32 6M , 沿倾斜长度最短者为4 0M , 最长者为2 5 oM 。 矿 体地 表出露标高为十2 5 M , 延深至 一3 0 0M , 工业矿体主要赋存在 一10 0 M至 一2 0 0M之 间 , 矿体最薄为 I M , 最厚为2 2M , 平均厚度为 6 M 。 矿体顶底板 上下盘均为闪长 扮岩 , 在 勘探时矿体与围岩属中等稳固 , 其坚 固性系数为f 二 7一8 , 矿石体重为2 . 9 2 T/ M “, 矿岩 松散系数为1 . 31 . 5 , 矿石的抗压强度平均为1 2 o ok g/ Cm “, 内摩擦角为74 。一 8 7 “。 新鲜的闪长扮岩强度与声波速度均较高 , 其抗 压强度为55 8k g /Cm “, 抗剪强度 最大为 3 6 6kg/ Cm “、 最小为188k g / Cm “。 新鲜的闪 长扮岩风化裂解 , 放置两个月后 , 其抗压强 度降为3 5 9k g/Cm Z, 下降了3 6 另 。 水对 闪长扮岩的影响 , 新鲜闪 长珍岩含水率为0 . 3 6 多 时 , 已测得抗压强度为55 8k g / Cm “, 若取干的闪长扮岩加工 成试块 , 测得平均抗压强度为 782 kg / Cm Z, 因此 , 含水的 闪长扮岩比干的 闪长扮岩的 强度下降近3 0 多 。 试验还得出 , 蚀 变闪长扮岩 含水率为0 . 8 1形浸入水中 , 36小时完全裂解成片状 , 而新鲜较致密的 闪长扮 岩 含水率为0 . 3 6 另浸入水中 , 7 2 小时才开始裂解 。 由此可 见 , 闪长扮岩特别是蚀变闪长 扮岩的风化裂解性 , 对工程 稳定的影响很大 , 并且围岩稳固性随时间的推移而不断 下降 。 二 、 从地压显 现 、 空区处理及二次贫化分 析浅孔留矿法 在矿体浅部 , 由于采空区离地表近 , 采 空区导致新裂隙的产生 , 原有裂隙的贯通 , 沟通 地表水的渗入 , 裂隙面的摩擦力下降 , 给闪 长扮岩的 风化裂解创造了条件 , 使得 围岩的稳固 性差 , 加 上浅孔留矿法的 回采 周期长 , 片帮与冒顶 的地压显现必然造成二次贫化加大 。 据凿 岩工人介绍 , 5 0M中段的矿块 , 每采到1 0M多高度时 , 便出现片帮现象 , 大多数未能采到设 计高度 , 在50 3 矿块 , 曾经 冒落1 5M长的大块 , 覆盖住三个中川 , 从已回采的5 0M中段来看 , 其地压冒落到地表 , 导致通风系统短路 , 给通风带来困难 。 浅 孔留矿法 回采 形成的空区的特点是空区体积 小 , 空区周围的岩体也有一 定的稳固性 , 能暴露一定的时间 , 导致该矿对 空区的处理 没有引起足够重视 , 处理空区占3 9 形 , 由于未能 及时处理空 区 , 导致56 矿块的地表移动与塌陷 , 给10 06 、 100 8的 空区处理带来困难 。 此外 , 5 矿块的矿石损失与充填能力跟不上也有极大关系 , 如果有能力及时处理空 区 , 争取 “快 赛快充 ” , 那 么5 矿块的矿石是不会损失的 。 另一方面 , 由于 6 、 “ “空区未 处理 , 随 0 0 4 0 40 00 第 8卷 浙江经专学报 着暴露面积的 越来越大 , 无法用下行式开采 , 而改用上行式回采了 2 0 5中段 的矿块 , 给1 3 5 、 17 0 中段回采带来困难 , 即使能顺利回采 , 也需要留更多的矿柱 , 建筑人工底台 , 从而损失 资源与增加投资 。 另外 , 由于50 6 采空区的塌陷 , 破坏了原设计的通 风系统 。 因此 , 从地压 显现与及 时处理采空区来看 , 该矿在矿体浅部使用传统的浅孔留矿法是不 合理的 。 再从二次贫化分析浅孔留矿 法的缺陷 , 该矿 由于矿体厚 , 品位高 最大1 7 . 0多 , 平均品 位1 . 4 5万 , 因此对贫化率的概念 , 监测计算方法与控制措施等研究不够 , 导致资源浪费与 经济效益差的后 果 。 这里主要从废石混入造成的二次贫化来分析 , 废石混入所造成的经济损 失可分为两部分 一部分是开采废石的 无效投入 , 另一部分是因废石混入而减少的产值 。 即 P 、 W C 式中 P ; 一 混入一 吨废石造成的经济损失元 ; W一 开采加工一吨废石的总 成本 元, C 一 混入一 吨废石导致的产值减少值元 。 对该矿来说 , W 二 W 采矿 W 选 矿 二 1 8 十1 8 3 6元 / 吨 , 只要求出C即可 。 通过对谷 里铜矿的统计资料分析得出 选矿 回收率随出矿 品位的下降而下降见表一 。 表一选矿回收率与出矿品位的关系 1 1 1 . 2多 多 出矿 品位 0 。 9 17多 1 。 099形 9 9 92 . 55形 形 由线性回归分析 H L 多 二a十 b a 所以 , H 一 多 741 8 . s a 刘 ’ 1 式微分 将数据代入可求 出 a 7 4 b 18 . 5 dH 。 终 1 8 . s d a 1 2 而废石 混入、 r 一 牛 二 a , 一a a 一 a 厂 式中 。 a ,-一--一 地质品位 废石中的品位 一出矿 品位 拓 一铜的选矿 回收率 仇 H 。 ;, 1 , 。 d at 妙a 二 ,。 Qr又二 一 一 -一一- 一识}Q J J 二一 l 以一以 1 ;t犷 戈以。一Q r Q上丈 1 代入 2式得 dH 多 一 1 8 。 5 a 一 a r d R . ⋯ 1 . 3 4 假定每采 出10 0 吨矿石中多混入废石量为 1吨 其 品位设为a 二 O 则 I 解 。 5 万而一 。以下取正值代入计算 d H - 1 8 a 从岩石力学观点剖析谷 里铜矿的采矿方 法 第 8 期 故 C T a D 1 一 r 一 d r P e u Hd e u 形 二 1 。。只 1 . 2 、 1 一 。 一 1 、 5 34。 x 一礁 乒 丫 1 . 2 土V V 澎 12 。 80 元 这样 P W C 二 36 十 1 2 . 80 48 . 8元 也就是说 , 在回采过程中 , 每1 0 0吨采 出 矿石 量中多混入 1吨废石 , 所造成的经济损失为4 8 . 8 0 元 , 按此计算 , 年处理量为6 60 0 0吨中将多 混入 66 0 吨废石 , 其经济制失为3 . 2 2万元 。 由于该矿贫化的根本原因在于围岩片帮与冒顶 , 因 此其浅部开采必须解决围岩的片帮与冒顶 , 然而用普通浅孔留矿法是无能为力的 。 据上述分 析与该矿的实践证明 , 该矿浅部原设计使用普通浅孔留矿法是不行的 , 必须改变或改进采矿 方法 , 如采用胶结充填法或预控顶全段高长锚索加固矿岩体的浅 孔留矿法等 。 三 、 从岩石 力学观点谈不稳定矿块的回采 , 确定谷里铜矿象50 5矿块的回采方法 地压是造成不稳定的根本原因 , “地压” 是采掘工作破坏矿 岩体原始应力相对平衡 状态 , 引起应力重新分布的结果 。 重新分布的应力次生应力要寻求新的平衡 , 导致采掘 空间周围岩石物质产生一系列的力学反应 , 在均质各向同性岩石中 , 掘进园形巷道 , 其围岩 应力重 新分布 , 由G 吉尔西的弹性解得出 , 围岩的任一点的切向应力 a 。由巷道 壁向里逐 渐减少 , 径向应力 a 丫 逐渐增大 , 如下图所示 。 \ \ \ \ \ 之 _ _ _ 人人 仁 f - 一又又 / / / / / / 丫丫 兀 由最大剪应加 。、 卫呀生 , 巷道壁面上一点A的 下 一 p 原岩应力, , 向深部剪应力 越来越小 , 随径向应力 。 , 加大 , 剪应力减小 , 当 , _ 二 小于岩石剪切极限 应力 极限时 , 岩石就停 止破坏 。 不论是巷道还是采场 , 破坏 总是从岩壁面开始 , 地压显现与 a 卜 a , 的大小 , 特别是 a 。的 大小有关 , 还与 极限有关 。 当 a 。一 a 愈大且岩石 疏松即 下极限 小 时, 地压愈将显现 。 地压是地下开采所形成 的一种客观现象 , 已的显现与否与地质因素 、 生产因素密切相关 , 而生产因素是可人为控制的 , 从岩石力学角度看 1使围岩应力分布最佳 , 即上 述的 a 。、 a 、 的问题 , 2 降低荷载 , 即减少 x ; 3 增强矿 岩 体负荷能力 , 即提高 极限 。 谷里铜矿的 围岩是 闪长珍岩 , 由于其具有风化裂解特性 , 在一定的条件下长时间风 化 、 水的影响 , 可以把 它划归到松软矿 岩体的范围中去 , 即 极限很小 , 一经采动 , 经过一段时间的风化裂解 , 地压将会显现 。 进一步分析可知 , 由于采掘工作形成的松动区导 第 3 卷浙江经专学报 致新裂隙的 一趁 生 , 原 有裂 隙的贯通 , 沟通地表水的渗入 , 裂隙面摩擦力的下降 , 失隐 失 重 化 , 采用加1 司 的技术 即提高下极限 色可以在一定时 一 间内起控制地压的作用 。 5 0 5矿块 滚用 上句水平尾砂充填法 , 从 地压{年理} 一沂还 是从 木可行的 , 但是采用 水 力输 送的尾砂充填法 , 由于脱水条件龙 , 导致充填体内 , 水压较高 , 水通过裂隙进入上盘 围岩 , 而围岩是闪长扮岩 , 其风化裂解特性 , 导致 _ 仁盘围岩加速 裂解 ; 特 别是在上采 7 米时由于 围 岩矿石边界不 i青 , 回采 时超出上 浴立界1米左右 , 使上部回采到 17米时形成墙角被 “挖” , 超挖墙脚 , 破坏 了上盘的支承点是导 致最 终大面积垮落的主要原因;第三 , 矿体围岩节理 、 裂隙发育 , 给闪 一长扮岩风 化裂解创造了条件 , 从而稳固性差 。 针对这些情况 , 5 0 5回采方 法 必须护住墙脚 , 即支持住上盘围岩 , 可采用支撑刚度较大的胶结充填 , 即采用胶结充填法回 采50 5矿块 。 为达到一定的经济效益 , 可在垂 直方向分段胶结 。 值得 注意的是 , 刘 一 于裂隙特别发育的 上盘地点 , 在回采期间会出现片邦造成贫化 , 特别 是还有不安全的因素 , 因此 , 可 采用喷浆支护 , 一方面可以防止闪长扮岩的风化裂解;另一 方面加强了矿 岩 休的 整体性 。 鉴 于浅孔留矿法的 优点 , 在急倾斜的薄 矿脉中 , 在采矿强度 、 矿房日生产能力 , 劳动生 产率 、 采矿成本等方而 均优于其它可 用于这种矿脉的 采矿方法 , 很明显 , 它与充填法 比较 , 是一种管理简单 、 生产能力大的 采矿 方法 , 实践证 明 , 用 于开采矿石与围岩均稳固的急倾斜 薄矿脉 , 浅孔留矿法是最好的采矿方法 。 因此 , 对急倾斜的薄矿脉 , 能使用该采矿方法的 地 点均应使用 , 象50 5 这样不稳定矿块 , 其不 稳定的原因是闪长扮岩的风化裂解特性 , 加之 矿 体赋存在地表浅部 , 因此 , 5 0 5矿块除了用胶结充填法外 , 还可以选用预控顶全 段高长锚索 加固矿岩体的浅 孔留矿法 。 对于闪长扮岩的岩性 , 此法是适用的 。 长锚 索加 固作用表现在 1 对节理 、 裂隙面施加挤压力 , 增加面 间的摩擦力 , 提高了岩体的整体性 , 挤压力对防 止风化裂解有一定作用 。 2 长锚索的悬 吊作用 , 阻止围岩位移与变形 , 产生 的应力参与 因回采引起的次生应力重 新分布 , 使得应力分布最佳 。 针对谷里铜矿 5 0 5矿块的品位极高 , 笔者认为还可以采用注浆技术 , 支护加固法采用预 控顶 的方式 , 结合分段留矿崩落法 , 实行自上而下的回采 , 这种方法可 用 于5肠矿块的 回 采 。 预控顶起隔离作用 , 它可使大最放矿时废石混入率减少 ; 隔离上部应力 , 使下部矿房地 压减少 。 回采进路断面小 , 利于安全 , 自上而下的 回采 , 可减少回采过程中爆破及采幅控制 不当对围岩破坏时的危害程度 , 因为自下而上回采时 , 一处对围岩破坏时就好比挖墙脚 , 而 使整个上部围岩不稳严重化 , 对废石混入 、 采 矿安全的影响均很大 。 四 、 几点建议 1 、 由于开采矿床 , 岩体中形成各种各样的空 洞 , 这些采掘空间的出现扰动 了原岩应力 场 , 即打破了原有的自然平衡 , 使岩体应力贡 新分布 , 并在其周围 引起一系列力的现象 , 这 就是 “地压显现” , 影响地压显现的因素很多 。 如矿体的赋存条件 、 矿岩的物理力学性能以 及矿床的开采技术条件等 。 通过对谷里铜矿的采矿方法分析 , 不合理的采矿方法为闪 长扮岩 的 风化裂解创造了条件 , 是导致地压大面积显现的主要原因 。 因此 , 从岩石力学观点出发 , 认识采场围岩的应力状态 、 变形 、 移动和破坏的规律 , 从而确定合理的 采矿 方法 , 既能充分 回收矿产资源 , 又能提高矿山企 业的经济效益 。 、 解决不稳定矿块的回采 , 应从回采顺序以及采矿工程布置出发 , 应 用应力释放技 2 从岩石力 学观 点剖 析谷 里铜 矿 的采矿方法 第 S 期 术 , 使得回采应力分布最佳 。 其中有应用免压拱理论 、 应力释放槽 , 围岩加固技术 、 破碎围 岩等方法 , 鉴于 谷里铜矿 矿体埋藏浅 , 建议采用围岩加固技术应用干不 稳定矿块回采较为理 想 , 加固岩石的方法有两个方面 一 是改善岩体的性能如注浆 、 冻结 ; 另一 是采用喷锚支护 方式 。 3 、 谷里铜矿 由于没有及 时处理 采空区 , 也是地压显现的瓜要原因 , 根据矿山具体条 件 , 选 取适当 的方 法 , 对采空区进行及时处理 , 是控制 尺规模地 压发且拍勺 极为贡要 的问题 , 同时应考虑空区处理的经济效益问题 。 笔者通过实地调台 , 在小铜山矿 段 , 根据岩层的移动 角 闪长扮岩上盘日 6 0 “ , 下盘 a 65 0 , 端部 v 75 0 圈 定的滑动 睦柱 沐 。 在 一 5 0米水平 , 仅西端局部会影响农田 , 其它 大部分不会影 响 , 特别在东端的圈 定线远离农田 , 因此在 一5 0 米水平以上可采用 “崩” 的方案 , 而在 一 5 0米水平以下 采用 “充” 的方案 , 这种在不同高度 上采用不同的空 区处理方案才是经济合理 的处理方法 。 对西 端局部影响农田 , 可采用回填的 方法 。 在空 区处理必须经济合理有效的原则下 , 笔者认为 , 使用充填法未必要把 空区填满 , 只 要达到一定的高度即可 , 即只要保证滑动棱柱体的滑动造成地表移动不会影响农田 、 河流为 界 。 笔者提出 底部研石上部尾砂的混合充填方案 , 即先用崩落法在采场底部铺上2 0米左右 高度的废石 或用矿车输送 , 然后 用自然分段尾砂充填 。由于 未试验 , 这 里仅从理论上加以 说明该方案的可行性 。 首先 , 充填体支撑岩层的基本作用是 限制围岩岩层的移动变形 , 防止 岩石出现进一 步 的破坏 , 最终可达到控制岩层移动和地表下层的目的 , 作用大小与充填料的 性质有关 , 减少充填料的可压缩性 , 增加其抵抗围岩变形阻力的根本 方法是提高充填料的刚 性 , 也就是提高它的变形模量 , 另一个影响到充填体限制围岩变形作用大小的因素 , 就是要 尽可能做到密实充填 , 使围岩与充填料的空隙很小 , 谷里铜矿仅采用了分段尾砂水力充填处 理空区 , 其刚度不大 , 而且封闭墙的耗资过大 , 弄 不好还会出现跑砂事故 , 然而充填料的刚 度对于改善充填料的支撑性能起着关键作用 , 但如果用 研石充填 , 虽然刚度得到保证 , 但是 郁实性差 。 因此 , 用研石充填后 , 再用自然分级尾砂充填 , 这样尾砂可以充满研石 的缝隙 , 既可达到刚度要求 , 又可达到密实要求 , 其充填效果是很好的 。 其次 , 为了防止急倾斜矿体 空区滑动棱柱体的滑动 , 必然要增加垂直方向一定距离的充填高度上的充填刚度 , 这是单用 分级尾砂充填所无法满足的 。 参考文献 i 韩旗矿 石资化 对 矿山经 济 效益的 影 响 , 中国 有 色总公司 采 矿情报网建网 十周年情报交 流会资料 2章舒预 控 顶 自下而上 全段高 长 锚索加 图 矿 岩 休 的留矿 法 , 江苏冶金1 985年第3期 3陈俊彦充填 休 的支 撑作 用机 理 , 有 色金属1 986年第1期 责 任编辑 汪世铭