复杂多空区破坏矿体的采矿方法.pdf

S e r i e s No ． 4 6 0 0 c t o b e r 2 0 1 4 金 氍 矿 山 METAL MI NE 总 第4 6 0期 2 0 1 4 年第 1 0期 复杂多空区破坏矿体的采矿方 法 常 帅 任凤玉 李 楠。 1 ． 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 1 1 4 0 5 1 ； 2 ． 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9； 3 ． 中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 5 摘要针对复杂多空区破坏矿体存在的资源难以回收、 回采安全性差、 回收混岩率偏高等问题 ， 以西石门铁矿 多空区矿体开采为依托， 在分析原有采矿方法及平底结构不适应性的基础上 ， 考虑顶板围岩的稳定性以及下盘矽卡 岩的特点， 提出了将矽卡岩作为贫矿开采以及斜进路与平底堑沟结构相结合 的回采方案， 并针对不同倾角与厚度条 件 ， 形成了双堑沟与单堑沟等多种不同的底部结构布置方式， 适应了不同的矿体 回采需求。此外， 对堑沟平底结构方 案的特点进行了分析， 提出了适宜的配套措施， 以保证 回采方案的顺利实施。 关键词多空区矿体平底结构堑沟斜进路 中图分类号T D 8 5 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 1 2 5 0 2 0 1 4 - 1 0 _ 1 3 _ 5 M i ni n g M e t ho d of Or e - b o dy wi t h M u l t i p l e M i ne d- o u t Ar e a s Ch a n g S h ua i Re n Fe ng y u L i Na n 1 ． S c h o o l o fMi n i n g E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L i a o n i n g ， A n s h a n 1 1 4 0 5 1 ， C h i n a； 2 ． C o l l e g e ofR e s o u r c e a nd C i v i l E n g i n e e ri n g， N o r t h e a s t e r n U n i v e i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， Chi n a ； 3 ． C C T E G S h e n y a n gE n g i nee ri n g C o ． ， L t d ， S h e n y a ng 1 1 0 0 1 5 ， Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w o f s o me p r o b l e ms i n e x p l c i t a t i o n o f o r e b o d y wi t h mu l t i p l e mi n e d o u t a r e a s ， s u c h a s h a r d r e c y c l i n g ， w e a k s e c u ri t y i n m i n i n g ， a n d h i g h r o c k m i x i n g ， X i s h i me n i r o n m i n e i s a d o p t e d a s e n r n e e fi n g b a s i s t o s t u d y t h e e x p l o i t a t i o n o f o r e - b o d y w i t h mu l t i p l e mi n e d o u t a r e a s ． B a s e d o n ana l y s i s o f i n a d a p t a b i l i t y o f o rig i n a l mi n i n g me t h o d s and fi a t b o t t o m s t r u c - m u l e， a n d c o n s i d e rin g t h e s t a b i l i t y of r o o f s u r r o u n d i n g r o c k s a n d t h e f e a t u r e s o f s k a r n s at foo t wa l l ， a n e w s c h e me t h a t c o mb i n e s i n c l i n e d d r i ft wi t h fia t b o t t o m t r e n c h s t r u c t u r e an d t r e a t s s k a r n s as l o w g r a d e o r e i s p r o p o s e d ． S e v e r al d i ff e r e n t b o t t o m s t r u c t u r e s l a y o u t ， s u c h a s d o u b l e t r e n e h s ， a n d s i n g l e t r e n c h， e t c ， a r e f o r me d f o r d i ff e r e n t d i p an s l e an d t h i c k n e s s ， wh i c h a r e s u i t ab l e for r e - c o v e r y o f d i ff e r e n t o r e b o d i e s ． I n t h e e n d， t h e c h a r a c t e ri s t i c s of t h e fl at b o t t o m t r e n c h s t r u c t u r e i s analy s e d， and an a p p r o p r i a t e s u p p o s i n g me a s u r e i s p r o p o s e d for e n s u rin g t h e s c h e me g o i n g o n s mo o t h l y ． Ke y wo r d s Or e b o d y wi t h mu l t i p l e mi n e d o u t a r e a s ， F l a t b o t t o m s t ru c t u r e， T r e n c h， I n c l i n e d d r i ft 在我国现有开采技术可获得 的铁矿资源中， 复杂 难采矿体的开采比例逐渐增大 J ， 其 中， 受无序开采 遗留采空区破坏 的矿体 占有相 当大的 比例 。上世 纪 8 0 、 9 0年代 以来 ， 我 国矿产资 源开发经历跨 越式 发 展， 矿业开采秩序混乱 J ， 在国有大型矿山周围出现 了大量的民采小矿点 ， 它们中的多数依存 于对国有大 矿主矿体的盗采 ， 乱采滥挖现象 十分严重 。这些 盗采活动不仅破坏了富矿资源的综合开采条件 ， 而且 遗留了大量不明采空区 ， 对矿山的正常生产造成 了极 大的安全威胁。这些被破坏后的矿体包含空区数量 多， 而且空区形态、 赋存状态也各不相同， 与一般矿体 收稿 日期2 0 1 4 - 0 5 - 2 6 作者简介常帅 1 9 8 1 一 ， 男 ， 讲师 ， 博士。 相 比， 在资源有效开采 、 回采安全、 回采混岩等方面具 有复杂性。而现有采矿方法不能很好地适应这类 矿 体的开采条件 ， 导致多空区矿体在开采过程 中容易出 现回采难度大、 产量衔接 困难、 安全性低等 问题。因 此， 依托西石门铁矿， 针对复杂多空区破坏矿体的采 矿方法开展研究。 西石门铁矿矿体总体呈似背斜状， 脊部矿体厚 大 ， 倾角趋于平缓 ， 两翼倾角为缓倾斜 ～倾斜 ， 厚度为 中厚 一 厚。顶板灰岩属碎裂结构 ， 稳定性较差 ； 底板 闪长岩中等稳定； 位于闪长岩与矿体之间的矽卡岩， 岩性松软 ， 极不稳定 。上世纪 9 0年代初 ， 该矿周边开 总第4 6 0期 金 氍 矿 山 2 0 1 4年第 1 0期 始出现 民采矿点 ， 受此影 响， 矿 山浅部开采水平几乎 都揭露 出遗留的民采空 区， 部分深部矿体也遭破坏。 这些民采活动不仅造成矿量损失， 而且遗留的大量采 空区增加了矿体 的开采难度 ， 严重影响了铁矿资源的 综合开采利用。为此， 必须积极寻求此类复杂空区破 坏矿体的有效开采方法 ， 实现矿区内资源 的综合开采 利用 ， 避免矿量损失 。 1 原有采矿方法适应性分析 西石 门铁矿 曾试验过有底柱分段崩落法、 房柱 法 、 垂直平行密集束状孔有底柱崩落采矿法等多种采 矿方法 ] ， 后期逐步 以无底柱分段崩落法开采为主 ， 并在此基础上 ， 采用“ 自落顶、 设置 回收进路” 的采场 结构 ， 扩大了无底柱分段崩落法的适用范围 引。但 针对复杂多空区矿体， 该法在生产中仍不能保证矿体 的有效开采 ， 形成大量残 留。为此 ， 结合回采经验 ， 矿 山依据无底柱分段崩落法以及原有底柱采矿方法的 回采方式， 设计试用了“ 平底结构” 回收矿石。该结 构具体布置方式如图 1所示。该结构 以 3条进路为 1个小单元 ， 其中， 分布于两侧 的 1 、 3进路只落矿 ， 不 出矿 ， 中间的 2进路只出矿 ， 不落矿， 出矿工作全部 由 设计布置的一系列与 1 、 3进路相联通的斜岔小联巷 完成， 待回采结束后， 将 2 进路作为出矿巷永久保留。 该结构 中进路 间距采用与上分层进路间距相对应 的 1 0 m或 1 2 m， 斜岔小联巷的垂直间距一般也取 1 0 m 或 1 2 m， 其与 2进路的夹角为 4 5 。 一6 0 。 。 一 。 ． ．． ‘ t e ‘ ． ． ／／／ s ＼ ＼ ＼ ． r， z 、、 s 图 1 “ 平底结构采场 ” 横剖面示意 F i g ． 1 Th e c r o s s s e c t i o n o f fl a t b o t t o m s t r u c t u r e 该结构在矿山多个采区的采场得到应用 ， 在部分 采场取得了一定的应用效果 ， 但仍存在以下几个主要 问题 。 1 “ 平底结构” 中进路 间距大多数为 1 0 m， 斜 岔巷与进路夹角为 4 5 。 ～ 6 0 。 ， 造成铲运机运行过程 中磨损变形大， 而且斜岔巷长度明显不足， 不能满足 铲运机作业需求 。同时， 顶板灰岩流动性好 ， 流 出时 可能出现人、 车来不及后退而被埋的危险。 2 部分采场斜岔巷虽布置在闪长岩内 ， 但 由于 闪长岩厚度薄 如南二区7 2 m分层2 采场 3 进路顶 板闪长岩仅 1 m厚 ， 造 成斜岔巷顶板稳定性差 ， 工 ． 1 4 ． 人作业安全性不足， 巷道变形速度较快 。 3 平底结构中的双侧进路在崩不透的情况下， 容易引起地压集中， 破坏工程稳定性， 而且在两侧崩 不透的情况下还容易引起进路间脊部体过大， 残留矿 量多 。 针对 以上平底结构存在的问题 ， 本着尽可能提高 矿石回采率以及改善采准巷道稳定性条件的原则 ， 提 出从 以下 2个方面改进原有回采工艺。 1 将矽卡岩作为贫矿开采。一般靠近顶板部 位 的矿体品位较高、 稳定性较好 ； 靠近底板矽卡岩 的 品位较低 、 稳定性较差 ； 矽卡岩极不稳 固， 但含铁 ； 底 板 闪长岩稳 固。将采准工程布置在稳固的闪长岩里 ， 稳定的底部结构可降低支护成本 ， 放 出矽 卡岩矿石 ， 并有足够的时间接收上部不容易崩落的高品位矿石 ， 可提高金属 回收率。 2 改变现有进路布置形式 ， 采用斜进路与平底 出矿底部结构有机结合的方式， 以适应矿体条件。斜 进路能够有效适应缓倾斜层状矿体条件 ， 同时， 通过 灵活设置 出矿横穿形成底部结 构， 适应空场 出矿条 件 ， 以此满足复杂空区破坏矿体的回采要求。 2复杂空区破坏矿体采矿方法 依据以上改进方向， 同时考虑原有结构 的不足 ， 针对厚度相对较大、 倾 角较小 的矿体 ， 提出了以下几 种改进型堑沟平底结构。 2 ． 1 斜角联接双侧堑沟法 双堑沟斜横穿平底结构采矿方案见图 2 。在图 2 所示方案中 ， 1 堑沟、 2 堑沟逐排炮孔爆破退采 ， 直到 铲运机司机不进空场不再出矿为止 ， 崩入空场内的矿 石和悬顶后 冒落的矿石 ， 从 出矿横穿放出。2条堑沟 同时回采， 形成连续采空区的跨度， 诱使顶板围岩随 矿石 冒落而 自然 冒落 ， 形成覆盖 层。悬顶完全 冒落 后 ， 从出矿横穿放出的矿石达到截止品位后即停止 出 矿 ， 再按进路退采方式逐排崩落中间的出矿巷道 ， 回 收脊部残留体。出矿横穿与 出矿巷道 的夹 角取 4 5 。 一 6 O 。 ， 为保 障铲运机出矿地顺利进行 ， 采用斗容 2 ． 0 m。 铲运机出矿时 ， 出矿横穿 的长度不宜小 于 1 1 m， 为此 ， 堑沟巷道与出矿巷道的间距取 1 21 5 m为宜。 在上述方案 中， 2条堑 沟可 以独立 回采， 从而能 够缩短采场的落矿时间， 有利于减小软弱岩层炮孔 的 变形破坏， 容易保证落矿质量， 但落矿堑沟的间距大， 若爆破不好， 容易在出矿巷道顶部形成支撑矿柱， 使 出矿巷道承受较大 的压力 ， 极易遭受破坏。为此 ， 出 矿巷道需布置在 稳定性较好的底板基岩里 ， 同时 ， 2 条堑沟的高差不能过大， 矿体底板倾角 以小于 1 0 。 为 宜。此外， 双侧堑沟平底结构中， 当堑沟在覆盖层下 常帅等 复杂多空区破坏矿体的采矿 方法 2 0 1 4年第 1 0期 回采时， 出矿横穿几乎不起作用； 在空场下出矿时， 斜 横穿 出矿 的出矿 口间距大 ， 造成 出矿 口之间的脊部残 留量大。因此 ， 为保证 回采率 ， 矿体适宜厚度为 2 5 m 以上 。 ] [ 联 出 矿 巷 道 ]巷 巷 2 蔓阁 ]厂] b刮 面 图 图2 双堑沟斜横穿平底结构采矿方案示意 F i g ． 2 Th e n a t b o t t o m s t r u c t u r e o f d o u b l e t r e n c h e s a n d o b H q u e o r e - d r a wi n g d r i f t 总体来说， 斜角联接双侧堑沟法适合用于倾角小 于 1 0 。 ， 厚度在 2 5 m以上的矿段。根据西石门铁矿 矿体形态， 此种布置方式适合用于矿体背斜形态的山 脊部分 。 2 ． 2 直接联接串联堑沟法 当矿体厚度小于 2 5 m 、 倾角小于 1 O 。 、 单个堑沟 回采的空区跨度 即可诱导顶板 围岩 自然冒落时， 可采 用图 3所示的串联堑沟的平底结构。 f 联1 巷L l l 厂 ] 厂 图 3 串联堑沟平底 出矿 采矿法示意 F i g ． 3 Th e n a t b o t t o m s t ru c t u r e o f t r e n c h i n s e de s c o n n e c t i o n 在图3中， 当堑沟巷道 1回采时， 崩人空场的矿 石由出矿横穿铲装 ， 经出矿巷道 1运 出； 在堑沟 1出 矿结束后 ， 堑沟巷道 2凿 岩 ， 同时将 出矿巷道 2与 出 矿巷道 1贯通 。在堑 沟 2回采 时， 从 出矿巷 道 2出 矿， 同时掘进新的出矿巷道。这样一条堑沟一条堑沟 地投入 回采 ， 每 回采一条堑沟巷道 ， 就有一条 出矿巷 道变成堑沟巷道 ， 随之新准备一条出矿巷道。在正常 回采时， 每条巷道都有 出矿与落矿 的功能 ， 先作 出矿 巷 ， 后作堑沟巷。 为便于出矿横穿出矿 ， 图 3所示底部结构也要求 矿体倾角不大于 1 0 。 。图 3结构 的优点是 出矿横穿 的长度大 ， 便于铲运机 出矿。此外 ， 出矿横穿与出矿 巷道呈直角联接， 由此减小了出矿口间距 ， 底板脊部 残留少。但采场出矿不连续 ， 且采准巷道存 留时间较 长， 不利于地压管理。 2 ． 3 直角联接双侧堑沟法 为使采场出矿连续进行， 同时使出矿横穿保持便 于铲装矿石的长度， 将图2与图 3 有机结合， 形成图 4所示 的采场结构 ， 即采用直角联接的出矿横穿 ， 铲 运机抬起铲斗到达出矿 口后 ， 先在 出矿横穿倒 车， 调 直车身放下铲斗， 再铲装、 运走矿石 。 图 4双堑沟平底结构示意 Fi g ． 4 Th e fi a t b o t t o m s t r uc t ur e o f d o u b l e t r e n c h e s 在图 4的结构 中， 在 出矿横穿与出矿巷道的联接 处， 增加半径 3 m的抹角， 便于铲运机的运行。在顶 板暴露面积较大的十字 口部位 ， 为保障稳定性 ， 需作 支护处理。此外 ， 该结构中堑沟与出矿巷道 的间距可 比图 2中的结构间距略小 ， 但考虑巷道稳定性 ， 取 1 2 m为宜。 总之， 在矿体厚度相对较大、 倾角较小的情况下， 可依据矿体变化条件在上述 3 种双堑沟底部结构中 选取合适结构进行 回采 。 2 ． 4 单堑沟底部结构 西石门铁矿矿体脊部水平 以下 的矿体 ， 厚度普遍 变小 ， 而且绝大部分倾角大于 1 0 。 。若布置双堑沟结 构回采 ， 则双堑沟形成上下布置结构 ， 间距过大 ， 不利 于矿体回采及 出矿作业 。因此 ， 宜采用单堑沟平底结 构回采 ， 回采方案如图5所示。 该方案将单堑沟布置在稳定的下盘闪长岩内， 同 时， 将矽卡岩当做贫矿一起崩落回采。这样不仅利于 工程稳定 ， 而且采用崩 落法将 矽卡岩与矿体一 起 回 采 ， 利于提高生产效率。当矿体倾角较小时 ， 采用 图 5 a 所示回采方案 ； 当矿体倾角较大时， 采用堑沟崩 口 口 口 口 ● 出 矿 横 穿 堑 口 口 口 口 ] ] ] ] 总第4 6 0期 金 属 矿 山 2 0 1 4年第 1 0期 a 矿体倾角较小时 吕 穿 目 s 厂厂 ＼＼ 、 。 b 矿体倾角较大时 图5 单堑沟平底结构采矿方案示意 F i g ． 5 Th e fl a t b o t t o m s t r u c t u r e o f s i n g l e t r e n c h 落法 回采 图 5 b 。当某段堑沟落矿后悬顶矿石 冒不下来时， 照常回采下一分段 的堑沟 ， 利用多分段 回采的空间诱导顶部矿石 自然 冒落。冒落的矿石从 出矿横穿放 出， 对于每一分段 的出矿横穿 ， 没矿时等 待冒落 ， 有矿时随时放 出。 此外， 当矿体倾角较小时， 分段高度可取为 8 1 0 m； 当矿体倾 角较大时 ， 分段高度可取 为 1 2～l 6 m。不同分段高度的沿脉联巷用小斜坡道联接。 3 堑沟平底结构方案特点分析 以上 斜 岔联巷与平底结构有机结合的方式包 括双堑沟平底方案以及单堑沟平底方案。其中， 双堑 沟平底方案通过堑沟落矿拉开诱导空间， 诱导上部围 岩 自然 冒落形成覆盖层 ， 或是诱导上部矿体与围岩一 起 冒落 。崩人空场 的矿石 与诱导 冒落的矿石主要从 出矿横穿放出， 待堑沟巷道回采结束并形成足够厚度 的覆盖层时回采出矿巷道 ， 以回收堑沟之间的脊部残 留体 。 双堑沟平底采矿方案的技术要点是确保堑沟落 矿时在采场内形成连续采空区， 即2条堑沟的采空区 互相崩透， 中间不留支撑矿柱 ， 卸掉 出矿巷道的压力 ， 否则， 若在出矿巷道上部留下矿柱， 将会引起应力集 中， 使出矿巷道容易遭受地压破坏 。为在落矿时保护 出矿巷道的稳定性 ， 堑沟炮孔 的边孔角不宜过小 ， 在 西石门铁矿条件下， 以不小于 5 0 。 为宜。此时， 为完 整崩落采场内矿体， 需要矿体具有足够的厚度， 以厚 度不小于 2 5 m为佳。 1 6 而单堑沟平底结构采矿法适宜于倾角较大矿体， 此时可根据矿体厚度与倾角条件灵活选取分段高度 ， 并可根据落矿与出矿条件灵活选取该结构中的 2种 布置 回采方案。 此外 ， 堑沟平底 出矿采矿法 ， 将落矿巷道布置在 底板闪长岩里 ， 将底板矽卡岩层 当作贫矿开采 ， 增大 了落矿炮孔的长度 ， 需完整崩落采场 内的矿石层 ， 因 此需要大功率凿岩设备 。同时 ， 由于采准系数较大 ， 适宜选用小型出矿设备 ， 以减小巷道断面与出矿横穿 的合理长度。 总结来说， 新方案的优点包括以下几个方面 ① 将空场法与崩落法结合， 利于提高出矿品位； ②将崩 落与诱导冒落相结合， 利于回采成本的降低； ③下盘 工程布置在稳定的闪长岩内， 利于采准工程稳定； ④ 采场可靠性得到提高； ⑤生产安全条件变好。 4 结论 1 依据原有平底结构的特点， 结合复杂空区破 坏矿体的赋存特征， 提出将矽卡岩作为贫矿开采以及 斜 岔进路与平底堑沟底部结构有机结合 的改进方 向。 2 结合西石门矿体条件， 针对不同的矿体倾角 与厚度条件 ， 分别提出了双堑沟底部结构与单堑沟底 部结构的回采方案 ， 适应了不同条件下多空区破坏矿 体的回采要求 。 3 斜 岔进路与平底堑沟结合的方式形成了 适合复杂空区破坏矿体条件的新型采场结构， 能够较 好地解决这类难采矿体的安全开采问题。 参考文献 [ 1 ] 郭金峰． 我国复杂难采矿床开采的问题与对策[ J ] ． 金属矿山， 2 0 0 5 1 2 1 0 1 3 ． Gu o J i n f e n g ． P r o b l e ms i n e x p l o i t a t i o n o f C h i n a g c o mp l i c a t e d h a r d - 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