北矿区深部矿体首采区采矿方法的选择与评价.pdf

s e r i 1 N 。 ． 5 0 8 现代矿业 总 第5 0 8期 Au g us t ． 2 01 1 MODERN MI NI NG～ ～ ．_．． 0 l 1 年8 月第8 期 一_____ _ 北矿 区深部矿体首采区采矿方法的选择 与评价 刘 永平 南京钢铁集团冶山矿业有限公司 摘要介绍 了冶山铁矿北矿 区深部矿体首采 区地质及 开采技 术条件 ， 随着下部矿体不断地 开采 ， 一3 8 0 m水平以上存在着很 大的暴露空间， 给采矿方法选择 带来 了很大的限制。通过空场采 矿法和充填采矿法的比较， 确定充填采矿法， 达到 多回收矿石 ， 延长矿山服务年限的 目的。 关键词 深部矿体 浅孔 留矿法 充填法 冶山铁矿是南京钢铁集团有限公司主要的原料 矿山之一 ， 位于南京市六合 区北东冶山镇 。该矿在 1 9 5 7年开始小规模露天开采 ， 1 9 6 8年基建 ， 1 9 7 4年 全面投产 。主要有采矿一场 北矿 区 ， 采矿二场 ， 铁石岗 3个矿区， 其中北矿区为 目前主要生产矿区。 北矿 区 一1 9 0 m 以上矿体采用分层崩落法回采 ， 经 过多年的回采 ， 留下一定容积的采空区， 并与地表塌 陷坑相通。下部矿体 ⋯1 9 0 3 8 0 m， 1 9 8 7年设计 能力 5 0万 t ／ a ， 而实际生产能力约 4 0万 t ／ a 。采用 盲竖井开拓 、 浅孔 留矿和中深孔分段空场法相结合 的采矿方法 。该采矿方法不 留顶底柱 ， 由下盘进路 出矿 ， 待每个中段 回采结束后 ， 采空区的残 留矿石经 下中段 回收。经过 5 0余 a的开采 ， 矿山资源接近枯 竭 ， 2 0 0 5年开展深部矿体 的探矿工作 ， 目前获得地 质储量约 1 5 4万 t 。 1 地质概况 1 ． 1区域 地质 冶山铁矿床产于花 岗闪长岩与 白云接触带中， 上部矿体产于接触带上部 ， 倾角陡立 ， 形态复杂 ， 下 部矿体产于接触带下部 ， 倾角平缓 ， 形态变化 中等。 矿体多在岩体凸出部位和白云岩凹进部位富集 。其 周边分枝及平行的单独小矿体多产于花岗闪长岩 、 白云岩或矽卡岩中。 1 ． 2 矿区构造 矿床位于冶 山复式褶皱次级构 造的向斜北 西 翼 ， 主要矿体产于花岗闪长岩与幕府 山组 中段碳酸 盐岩接触带部位 ， 接触带走 向北东， 倾 向南西 ， 呈 反 “ s ” 弯曲， 对矿体赋存具有 明显的控制作用。冶 山 铁矿位于冶山倒转背斜北翼及汤泉倒转向斜之间 ， 刘永平 1 9 6 8 ～ ， 男 ， 助理工 程师 ， 2 1 1 5 2 3江苏省 南京市 六合 冶山倒转背斜轴面倾 向南南东 ， 倾角 7 O 。 ， 被 4条区 域性断裂所包 围， 受此影响 ， 次级构造较为发育 ， 主 要有 3组 ， 均为成矿前断裂。一组北东向， 控制北 矿 的上部矿体 ， 另两组为北西西向和北北西 向， 控制北 矿区的下部矿体 。此外 ， 矿体与闪长岩 的接触带上 破碎构造较为发育。 1 ． 3 深部矿体地质特征 冶山北矿区 一 3 8 0 11 1 标高以下的深部矿体为盲 矿体 ， 分布于 A ， ～A 。 线之 间， 主要 赋存于绿泥石 、 透辉石和金云母透辉石矽卡岩带内。矿体形态受接 触带控制 ， 主要赋存高为 ⋯3 8 0 5 0 0 m。矿体水 平投影长度 1 4 0 m， 厚度 6 4 ． 9 5～1 ． 5 2 m， 平均厚度 1 8 ． 1 5 I l l 。矿体为透镜状 ， 多见分支现象 ， 且膨胀缩 小显著。I I 矿体 8～ 9线为矿体 的中心部位 ， 且厚度 大， 但 9线以东矿体倾 角一般小于 3 0 。 ， 9线以西矿 体倾角较大 ， 一般在 6 0 。 左右。 ⋯4 2 0 3 8 0 IT I 标 高矿体倾角一般为 2 0 。 ～3 0 。 ， 倾角较缓 ， 一 4 2 0 m标 高以下矿体倾角变陡 ， 一般为 3 2 。～ 4 6 。 ， 并且在走 向上呈两边倾角较缓 ， 中问较陡。 1 ． 4 矿体 围岩和夹石 冶山北矿区 一 3 8 0 I l l 标高以下顶板为闪长岩或 各种蚀变闪长岩， 底板 以矽卡岩为主， 局部为闪长玢 岩。矿体上下盘围岩界线分 明， 仅局部产于矽卡岩 内的矿体与围岩呈渐变关系。 矿体 内分布有大小不一的夹层 ， 包体。其岩性 主要为矽卡岩， 其次为蚀变花岗闪长岩， 矽卡岩一般 都具磁 铁矿 化 ， 呈似 层状 分 布， 厚 度 一般 2 ． 5 3～ 4 ． 1 2 m， 对矿体的完整性有一定 的影 响。花 岗闪长 岩在 6～7线呈楔状 岩枝分 布， 厚度 5 ． 9 5～2 1 ． 7 1 i n ， 为层问裂隙侵入形成 。 1 ． 5 深部矿体地质储量 一 3 8 0 m以下矿体的地质储量按水平断面法计 7 3 总第 5 0 8期 现代矿业 2 0 1 1年 8月第 8期 算 ， 结果见表 1 。 表 1 3 8 0 m 以下矿体地质储量计算结果 矿 体 号 勘 探 线 虿 矿 石／ t量 } 塑 北矿区 ⋯3 8 0 5 0 0 lq l 水平矿量估算 1 5 4万 t ， 品位 r i f e 4 2 ． 3 2 ％ ， C u 0 ． 1 7 3 ％。 1 ． 6 首采区地质概况 北矿区深部矿体 一4 7 05 0 0 m水平分布于 A ～ A 勘探线 ， 矿体走向 3 3 0 。 ， 走 向长度 1 4 0 m， 倾 向 南西 ， 倾角 2 4 。一4 6 。 ， 属于缓倾 斜矿体。该 区段 地 质储量 为 3 4 ． 1 3 7万 t ， 地质 品位 为 4 2 ． 2 9 ％。本 次 设计范围为 A 一A ， 该区域地质储量为 1 4 ． 5 9万 t 。 深部矿体 A 线以北上盘为花岗闪长岩， 局部为 闪长岩、 白云岩。花 岗闪长岩有轻微蚀变 ， 局部破 碎 ， 闪长岩裂隙不发育 ， 局部受蚀 变影响 ， 岩体稳固 性差 ， 属于软弱岩石 ， 对开采有一定的影响。矿体与 围岩的接触带蚀变较为普遍 ， 岩石较为破碎 ， 但上盘 花岗闪长岩岩体结构较稳固； 白云岩结构完整 ， 稳固 性好。下盘花岗闪长岩结构 完整 ， 稳 固性好。矿体 内分布有大小不一的夹层、 包体， 其岩性为矽卡岩和 蚀变花 岗闪长岩 ， 矽卡岩一般具有磁铁矿化 ， 呈似层 状分布， 厚度在 2 4 m， 对矿体开采有一定影响。 2 深部矿体 开采技术条 件 2 ． 1 矿体分布、 形态、 产状及规模 冶山铁矿深部矿体属于高温热液交代型矿床， 产于花 岗闪长岩与白云岩接触带 中。 1 矿体形态 。矿体水平方 向位 于 A 。 ～A 勘 探线 ， 长度约 1 5 0 m， 垂直方 向位于 一 3 8 0～一5 0 0 m 水平 ， 倾斜沿深约 2 0 0 m； 矿体 呈透镜状 ， 下部厚大 倾角缓 ， 上部变薄倾角陡 ， 分支尖灭 ； 矿体 自北东 向 7 4 南西侧伏。 2 矿体产状。矿体倾角 1 0 。～ 5 5 。 ， 平均 3 4 。 ， 厚度 垂直厚度 4～ 4 0 m， 平均 2 1 m。 3 矿体 中伴有金、 银 、 铜和钴等金属 ， 含 C a O， Mg O， A 1 O 较多 ， 碱度 系数 为 0 ． 8 ， 为半 自溶性矿 石， 矿石自然类型为磁铁矿体， 矿石体重3 ． 9 6 t ／ m ， 松散系数 1 ． 7 。 4 矿石储量 。 一 3 8 0 m水平 以下 BCD为 1 5 4 2 ． 6万 t ， 平均品位 T F e 4 2 ． 3 2 ％， C u0 ． 1 5 6 ％ ， C o 0． 01 3％ ， S 1 ． 0 3％ 。 5 矿石结构及稳定性 。矿石似块状 ， 侵染 状 和条带状构造为主， 结构紧密 ， 属坚固矿石 ， 稳固性 好 。影响矿石稳定性 的为部分脉石 ， 主要为绿泥石 或金云母 ， 使矿石成松软碎块 和粉矿。巷道工程遇 此类岩体需要支护， 采矿中遇到脉石时 ， 需用木柱或 锚杆支护 ， 放矿前撤除木柱。 2 ． 2 矿体顶底板围岩条件 矿体顶板围岩一般为 白云岩和灰质 白云岩 ， 结 构完整 ， 裂隙不发育 ， 属坚固级岩石 ， 局部 白云岩较 破碎， 或花岗闪长岩， 高岭土强烈 ， 坚固性较差 ， 在开 采中应加以注意； 矿体直接底板围岩是矽卡岩和花 岗闪长岩 ， 属坚 固稳定级。 3 首采区采矿方案 3 ． 1 方案比较 3 ． 1 ． 1空场采矿法 Ⅱ矿体应选择空场法， 厚大的主矿段宜采用 留 矿法 ， 独立 的缓倾斜小 矿体采用房柱法或全 面法 。 其理 由是 Ⅱ矿体和围岩均稳固， 可应用小型常规 的 采掘设备， 能减少设备的投资。采场的长轴方向与 矿体 的走 向一致 ， 采场沿走 向长度 5 0 m， 在采场端 部留 6 m宽的间柱 ， 人行天井及人行通道布置其中， 矿石电耙运搬， 出矿水平较运输平巷高 8 m 。房柱 法采场沿走向长度 5 0 1T I ， 其中留6 m宽的间柱内布 置人 行上 山与相邻采 场隔开 ， 采场 的净跨度为 4 4 m， 划分为 3个矿房 ， 矿房跨度 1 3 m和 1 2 m， 矿房之 间用矿石点柱相隔， 房柱法采场 内用漏斗放矿 ， 电耙 运搬矿石 ， 电耙巷道与矿块 的走 向一致。 3 ． 1 ． 2 充填采矿法 在矿床地下开采过程中， 必然产生大量采空区 ， 另外 ， 由于矿石品位低必须排弃大量废弃物， 主要是 选矿厂尾砂及掘进废石。根据计算 ， 每采出 1 t 矿 石 ， 将产 生 0 ． 3 m 左右 的井下 空区， 排放 0 ． 1 5～ 0 ． 1 8 t 废石及 0 ． 5 0 ． 5 5 t 尾砂。采空区大量累积 ， 存在着大规模地压 活动的可能性 ， 严重威胁着矿 山 刘永平 北矿区深部矿体首采区采矿方法的选择 与评价 2 0 1 1年 8月第8期 自身的安全 ， 不但对矿区地表产生破坏 ， 而且增加尾 矿库的压力。采用尾砂胶结充填采矿法 ， 一方面可 将尾砂大量充填于井下 ， 大幅度减少尾砂排放 ， 减少 土地 占用和保护环境 ； 另一方面高质量 的充填体可 对井下采空区起到 良好的支撑 ， 避免采空区围岩的 塌落 ， 使矿区地表得 到切实有效的保护 ， 另外 ， 高质 量的充填更能适应于矿体赋存条件的变化 ， 使地下 矿石资源得到更有效的回收利用。与其他采矿方法 相比， 采用充填采矿法 ， 地下矿石资源总回收利用率 可提高 1 0 ％ ～ 2 0 ％以上 ， 可显著地延长矿山服务年 限。由于增加了充填工艺环节 ， 矿 山建设投 资及生 产成本有所增加。但与尾矿库建设投资相 比， 充填 系统建设投资相对极小 ， 而充填成本则可 由提高矿 石资源 回收率及延长服务年限来得到补偿。 3 ． 2 首采区采矿 本次设计的嗣后充填法和一般浅孔 留矿法的布 置形式基本相同。工人直接在矿房暴露面下的矿堆 上作业 ， 自下而上分层 回采 ， 每次采下的矿石靠 自重 放出 1 ／ 3 ， 其余 留在矿房 中作为继续上采 的工作 台。 底部采用平底结构， 装岩机出矿。因矿体较缓， 布置 多个分层巷道 ， 利用各分层 巷道 的出矿进路使用铲 运机回收。在矿房大量放矿 出空后， 将 底部各 出矿 进路以及人行天井联络巷进行封堵 ， 按充填要求 ， 控 制尾砂浓度及灰砂 比例 ， 对矿房进行尾砂胶结充填。 充填料经过多天的滤水 、 保养后形成具 有一定强度 的充填体 ， 并作为对相邻矿房开采 的安全矿柱。 1 采场的布置 及参数。在 lA 1线以北布置一 条 3 0 。 的人行斜井 ， 规格 2 ． 6 m 2 ． 4 H I 。A ， ～A 线 沿矿体走向由北 向南依次 布置 4个矿房 ， 矿房宽度 1 4 I l l ， 面积控制在 5 0 0 m 以内， 矿房采高3 0 m， 不留 顶柱 ， 采用装岩机 出矿 。在 2 、 4 矿房上盘矿体 内布 置 2条人行天井至 一 4 7 0 m水平 ， 一 4 7 0 m水平为回 风水 平 并 与 一3 8 0、一5 0 0 1 1 3的 措 施 井 相 通。 一 5 0 0 m水平上下盘施工运输巷道 、 穿脉巷道 ， 使上 下盘相通并铺设轨道 。A 线 以北共布置 3条溜井 ， 规格为 2 ． 2 I n2 ． 2 n q 。1 溜井作为各分层 掘进 的 出渣溜井 ， 井高 3 0 m； 2 溜井作为放矿溜井， 井高 1 6 IT I ， 服务于 一 4 9 1 、 一4 8 4 I l l 两个水平 ； 3 溜井井高 3 0 1T I ， 服务于 一 4 7 7 、 一 4 7 0 m 以及其 以上水平 的矿体。 因矿体较缓 ， 设计 5个分层， 分别为 一 5 0 0 、一 4 9 1 、 一 4 8 4 、 一 4 7 7 、 一 4 7 0 I 13 ． 水平。每个分层施工矿房下 盘出矿进路 ， 采用铲运机 出矿 ， 同上盘人行天井形成 两个安全通道 。 2 回采工艺及爆破参数 。利用 一5 0 0 m水平 矿房穿脉巷道进行拉底工作 ， 回采从拉底 巷由下 向 上分层回采 ， 每个分层高度为 1 ． 8～2 m， 落矿采用 非电导爆管起爆 ， 单耗 0 ． 4 g ／ t 。 3 回采顺序。深部矿体按 自下而上的开采顺 序回采。 一 4 7 0～一 5 0 0 i n水平矿体按 矿房编号对 I 、 3 矿房进行 开采 ， 开采结束后对其进 行充填 ， 后 对 2 、 4 矿房进行开采。 4 出矿形式 。结合 目前生产现状 以及设备情 况 ， 一 5 0 0 m水平采用装岩机 出矿 ， 一5 0 0 m水平以 上各分层采用铲运机出矿 。 5 通风方式 。通风路径 新鲜风流 由 2 盲井 进风 ， 经 一5 0 0 m运输巷道 、 穿脉巷道 、 人行斜井进 入采场工作面 ， 洗刷工作面后污风通过 回风巷道从 措施井排出。 采场工作面采用局扇辅助通风 ， 采场爆破后 即 开启局扇通 风， 通风 时间应在 1 h以上 ， 并 确认炮 烟 、 粉尘有害气体排 出后 ， 作业人员才能进入采场 。 6 生产能力。①落矿 一个矿房按 两名钻工 计算 ， 一个班凿岩 6 0 m， 排距 1 m， 落矿 2 4 0 m， 出 1 ／ 3 矿石约 8 0 t ， 每个矿房每月2 4 0 0 t ； ②放矿 每月 4 0 0 0 t 。根据年产量要求来确定矿房个数。 7 施工顺序。① 首先施工 A 线 4 穿脉巷道 和两条下盘巷道 ， 再施工上盘巷道和其他穿脉巷道 ， 使上 下 盘 相 通 并 铺 设 轨 道 ； ② 施 工北 端 斜 井 至 ～ 4 7 0 I n 水平 ， 在各分层落平点开 门 5～6 m， 在斜井 施工的同时 ， 施工 1 溜井至 一 4 7 0 m水平 ， 掘进各分 层的 1 溜井 联络巷 与溜井 贯通 ， 并利 用此溜井 出 渣 ； ③从措施井方 向施工 一4 7 0 13 1 水 平上盘 回风巷 道和矿房， 与2条人行天井贯通； ④施工 1 、 3 矿房 出矿进路。 此时 一5 0 0 m水平所有工程、 两条 人行 天井 以 及 一 4 7 0 1 T t 回风水平都已完成 ， 1～ 2个掘进组可以 开始进行浅孔落矿 ， 其余小组继续进行采准掘进工 作。 8 注意事项。①测量人员要对矿房边界严格 控制 ， 严禁多采或少采 ； ②保证每个矿房能有两个安 全出口， 并加强机械通 风； ③ 巷道大多数 为独 头巷 道 ， 需要加强机械通风 ； ④设计分层高度为 9 m和 7 1 1 3 ， 局部出矿进路位置上下相重合 ， 掘进时注意对高 程 的控制 ， 施工中如遇围岩不稳 固， 应采取相应 的支 护措施 ； ⑤矿房在 回采落矿的过程中， 人员直接在暴 露的顶板下作业 ， 应加强矿房内的照明， 严格矿房顶 板安全管理和必要 的顶板维护 ， 如遇矿岩稳 固性极 差时应调整采矿方案。 下转第 9 0页 75 总第5 0 8期 现代矿业 2 0 1 1 年 8月第 8期 量的变化趋势相反 ， 即当 6 2风井风机能力提高 ， 风 量增加时， 南风井风机工况点上移 ， 风量减少 ， 负压 增高 ， 当 6 2风井风机风量增大或减小约 7 ． 3 ％ ， 负 压升高或降低约 1 3 ． 0 ％时， 可导致南风井风机风量 减小或增大约 4 ． 5 ％， 负压升高或降低约 3 ． 2 ％。 3 结语 1 通过对 王庄煤矿 矿井多 风机通风 系统分 析 ， 认为南风井 系统风量和阻力不 匹配， 该系统 和 6 2风井系统三段阻力分布不均匀 ， 并查找 出主要原 因 ， 为王庄矿今后通风系统改造优化确定了重点 。 2 针对王庄煤矿多风井 系统的现状 ， 进行 了 定性分析和定量评价 ， 明确了 3个风井系统风机相 互影响的关系和影响程度 ， 为今后 6 2采区和后备区 贯通 ， 6 2风井风机工况变动及引起南风井风机 工 况连锁变动时， 提供 了分析依据 ， 为保证今后的安全 生产起到重要作用。 参考文献 [ 1 ] 程磊 ， 王振 江， 洪玉 申， 等． 平顶山煤业集 团公 司二矿通风 系 统优化 改造 [ J ] ．能源技术与管理 ， 2 0 0 7 2 1 3 1 4 ． [ 2 ] 刘 辉 ， 孙 晓伟 ， 李超 ， 等． 主要通 风机通风 能力升级 改造 [ J ] ．煤矿安全 ， 2 0 1 0 1 2 4 0 - 4 2 ． [ 3 ] 刘峰 ， 杨峰． 矿 井主要通风机技术 改造 方案的研 究与应用 [ J ] ．煤炭工程 ， 2 0 1 0 2 5 4 - 5 6 ． [ 4] 张 国枢 ， 杨运 良， 谭 丸桢 ， 等． 通风安全学[ M] ．徐州 中国矿业 大学出版社 。 2 0 0 0 ． [ 5 ] 杨应迪， 孔德 山， 戴广龙 ， 等．刘庄矿 东、 西区贯通控风 方案的 计算机模拟分析 [ J ] ． 矿 业研 究与开发 ， 2 0 0 9 ， 2 9 6 7 5 - 7 8 ． [ 6 ] 柏发松 ， 郑群 ， 张士环 ， 等． 多风 井矿井通风 系统优化 改造技 术研究[ J ] ． 安徽 建筑 工业学院 学报 ， 2 0 0 9 6 1 3 1 6 ． 收 稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 -0 8 上接第 6 7页 主要趋 势之 一 ， 以建材 7 0 1矿为工 程对象 ， 采用 3 D Mi n e软件建立矿 体和开拓系统实 体模型， 展示了矿体形态的空间变化和开拓采准巷 道空间布置情况 ， 图形美观 ， 立体感强， 为采 矿工作 提供准确、 直观的资料， 对矿山安全开采、 管理有重 要的指导意义。 参考文献 [ 1 ] 徐 长佑． 露 天转地 下开采[ M] ．武汉 武汉工业 大学 出版社 ， 1 9 9 0． [ 2 ] 胡伟 ， 周爱 民． 露天转地下联 合开采联合保 留层 参数的 自组 织优化 [ J ] ． 矿业研究与开发 ， 2 0 0 2 1 7 - 9 ． [ 3 ] 刘 云， 盖俊 鹏． 利 用 3 D Mi n e软 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