破碎带中“Y”形矿体的安全采矿方法研究.pdf
S e r i a s No . 5 0 5 J u l y 2 01 8 金 砖 ME T AL MI NE 总 第 5 0 5 期 2 0 1 8 年 第 7 期 破碎带 中“ Y” 形矿体的安全采矿方法研 究 王 春 王怀彬 河南理工大学能源科学与工程学院, 河南 焦作 4 5 4 0 0 0 摘要破碎带中“ Y” 形矿体开采时, 常面临采矿方法难选择 、 围岩稳定性难控制、 矿体分支相互制约的难题。 为安全高效地开采破碎带中的“ Y” 形矿体 , 以某矿破碎带中呈“ Y” 形的I I 号矿体为研究对象, 结合矿山实际的工程地 质条件及技术条件 , 提出采用分层崩落法进行 回采。设计每个采场配置人行材料通风井、 溜矿井各2 个 , 高度2 . 5 m 的分层交替进行开采; 同时先分层交替回采u号矿体中上部的分支, 再采上盘分支的中下部分, 最后回采下盘分支的 中下部分; 采用压抽混合式通风方式辅助采场通风, 确保通风安全。统计分析试采采场的主要技术经济指标 , 得出所 设计的分层崩落采矿法适宜开采破碎带中的“ Y” 形矿体。 关键词破碎带 “ Y” 形矿体 分层崩落法 回采顺序 采场通风 中图分类号T D1 7 8 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 1 2 5 0 2 0 1 8 一 0 7 - 0 5 5 0 5 DoI 1 0 . 1 9 6 1 4 / i . c n k i . j s k s . 2 0 1 8 0 7 01 0 T h e S a f e t y M i n i n g M e t h o d o f“ Y“S h a p e d Or e Bo d y i n Fr a c t u r e Zo n e W a n g C h u n Wa n g Hu a i b i n S c h o o l o fE n e r g y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , He n a n P o l y t e c h n i c 如 e , J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t Wh e n t h e⋯ Y ’ s h a p e d o r e b o d y i n b r o k e n z o n e wa s mi n e d,i t i s o ft e n d i f fi c u l t t o c h o o s e t h e mi n i n g me t h o d, a n d t o c o n t r o l t h e s t a b i l i t y o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k,a n d t h e b r a n c h o f t h e o r e b o d y i s r e s t r i c t e d t o e a c h o t h e r . I n o r d e r t o e x p l o i t t h e“ Y”s h a p e d o r e b o d y i n b r o k e n z o n e s a f e l y a n d e f fi c i e n t l y.t a k i n g t h e I I o r e b o d y o f“ Y”s h a p e i n b r o k e n z o n e a s a c a s e a n d c o mb i n i n g a c t u a l e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d t e c h n i c a l c o n d i t i o n s o f mi n e,t h e s t r a t i f i e d c a v i n g me t h o d wa s p r o p o s e d f o r e x p l o i t a t i o n . I n e a c h s t o p e, 2 v e n t i l a t i o n s h a f t s for h u ma n a n d ma t e ria l s ,a n d 2 o r e c h u t e s s l i d e mi n e s a r e d e s i g n e d,a n d t h e s t o p i n g l a y e r wi t h t h e h e i g h t of 2 . 5 m i s a l t e r n a t e l y mi n e d . At t h e s a me t i me, t h e mi d d l e a n d u p p e r b r a n c h of t h e I I o r e b o d y a r e fir s t l y r e c o v e r e d b y s l i c i n g s t o p i n g a l t e r n a t e l y,a n d t h e n t h e mi d d l e a n d l o we r p a r t s o f t h e u p p e r b r a n c h a r e r e c o v e r e d,f o l l o we d b y t h e mi d d l e a n d l o we r p a r t s o f t h e l o w e r b r a n c h . T o e n s u r e v e n t i l a t i o n s afe t y,t h e v e n t i l a t i o n wa y o f p r e s s u r e p u mp i n g mi x t u r e w a s a d o p t e d t o a s s i s t v e n t i l a t i o n . T h r o u g h the a n a l y s i s o f the ma i n t e c h n i c a l a n d e c o n o mi c a l i n d e x i n t h e t e s t s t o p e ,i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e s l i c i n g a n d c a v i n g s t o p i n g me t h o d i s s u i t a b l e f o r r e c o v e r i n g t h e“ Y”o r e b o d y i n t h e b r o k e n b e l t . Ke y wo r d s F r a c t u r e z o n e ; “ Y”s h a p e d o r e b o d y ; S l i c i n g a n d c a v i n g me t h o d;S t o p i n g s e q u e n c e ; S t o p e v e n t i l a t i o n 矿业是国民经济的基础, 赋存条件复杂矿床的 开采是未来人类面临的挑战。目前, 基于矿区工程 地 质条 件 、 环境地 质条件 、 水 文地质 条件及矿 体特 征, 金属矿床开采可供选择的采矿方法有空场法、 充 填法、 崩落法n 。当矿岩较稳固时, 首选空场法进行 开采 , 如刘建龙 等b 研究缓倾斜薄矿脉的开采技术 条件 , 提出采用脉内布置运输巷道的全面采矿法、 倾 斜 分条全面采矿法进行开采 。如矿岩稳 固性极差 、 地表不允许塌陷时, 首选充填法进行开采, 如张永利 等 研究了获各琦铜矿、 李楼铁矿的开采技术条件, 提出分别采用上 向水平分层充填法 、 分段凿岩 阶段 嗣后 充填法进行开采 。针对地表允许崩落的矿岩极 不稳固的矿床, 可考虑采用崩落法进行开采, 如谭宝 庆等[7 - 8 ] 提出采用无底柱分段崩落法、 伪倾斜壁式崩 落法开采矿岩不稳固的缓倾斜矿体。当单一采矿法 不能满足矿床开采时, 可采取多种方法联合进行开 收稿 日期 2 0 1 8 - 0 5 1 0 项目基金 河南省高校重点科研项目 编号 1 8 A 4 4 0 0 1 4 , 河南理工大学博士基金项目 编号 6 7 2 7 0 7 。 作者简介 王春 1 9 8 6 一 , 男, 讲师, 博士。 55 总第5 0 5 期 金 禹 砖 2 0 1 8 年第7 期 采 , 如于清军等 。 。提出的阶段深孔空场崩落法、 无 底柱分段空场崩落法。 综上所述 , 关 于矿体回采 的采矿方法研究较多 , 研究成果可为各种矿床的开采参考借鉴, 但考虑矿 体形状 的研究还较少 。以某铁矿破碎带 中呈“ Y 形 的I I 号矿体为研究对象, 探讨安全、 可靠、 经济的采矿 方案, 为类似矿山的开采提供参考依据。 1 开采技术条件 1 . 1 矿体特征 某铁矿处于藏滇褶皱系康滇地轴南缘武定一石 屏 隆断束 的红河深大 断裂 以北 , 矿 区及 毗邻地带断 层、 褶皱构造发育。该矿区F 断层西部的I I 号矿体是 主要的开采对象, 其沿F 4 断层向北错开3 0 余米, 呈东 一 西 向展布。I I 号矿体总体长约9 0 IT I , 厚 2 ~ 2 3 m, 平 均厚 l 3 . 3 m, 控制深度约为 8 0 1 T I , 矿体倾角随 F 4 断层 倾角 的变化而变化 , 一般倾角 4 5 。~ 5 5 。 , 倾 向北西 1 5 。 2 5 o。矿体产出于大龙口组 P t d 灰岩破碎带 中, 呈“ Y ” 形分布 , 如图 1 所示 。 。 区 P t 2 d Ⅱ 图 1 I I号 矿体 剖面 F i g . 1 Th e s e c t i o n o f I I o r e - b o d y 田 一 灰 岩 ; 日 ~ 泥 质 灰 岩 ; ~ 泥 质 板 岩 ; 一 泥 质 板 岩 ;[ 一 平 硐 3 ; 一矿 体 及 编 号 ; 囤 一昆 阳 群 大 龙 口 组 ; ~断 层 及 编 号 ; 图 l 中显示 , I I 号矿体上部分支 的左侧厚度 、 倾 角都较小, 右侧厚度较大, 且近似垂直分布。分支矿 体开采时互相影响的赋存高度为 1 4 8 0 ~ 1 5 3 0 1 T I 。 1 . 2 矿体及其顶、 底板稳定性 矿区的 I I 号矿体赋存 的岩层 由昆 阳群大龙组碳 酸盐 岩组成 , 其岩性抗 压强度较大 、 致密性较好 , 仅 针对该岩层 时 , 可认 为岩层稳固性好 , 有利于矿床 的 开采。但I I 号矿体产于破碎带中, 使对矿床开采造成 直接影 响的矿体 、 顶板 、 底板 的稳定性产生变化 , 需 重点考虑 。 1 矿体稳定 性分析 。矿 区具有 工业价值 的铁 矿体主要以块状褐铁矿为主, 其次为碎块状褐铁矿、 土状褐铁矿 , 另外在块状铁矿 中可见少量氧化铜 , 分 布 于流失孔边缘 , 呈薄膜状 。矿石结构主要 以流纹 结构 、 蜂巢状 、 棱角状结构为主 , 仅少部分呈细粒状 、 松散土状结构 , 总体来说矿石结构较致密。矿石的 构造以块状构造为主 , 其次为碎块状、 条带状构造 , 总体来说矿体内的节理裂隙不发育。由于受破碎带 的影响 , 矿体局部地段的裂隙贯通程度大 , 造成其稳 定性较差。综上所述, 可认为该矿区I I 号矿体的稳定 性属于中等类型。 2 顶板 、 底板稳定性分析 。矿区顶板岩性 多为 灰 、 浅灰色 中一厚层状 、 部 分块 状的粉晶灰 岩 、 大理 岩化灰岩 , 少量 的为泥质灰岩 ; 底板岩性 多为泥质板 岩 、 绢云板岩 ; I I 号矿体上部分支所夹 区域的岩性类 似于矿区顶板 的岩性 , 以灰岩 、 泥质灰岩 为主 。仅考 虑岩性 , 矿 区顶板及矿体分支所夹岩石 的抗压强度 较大 , 坚硬程度 中等 , 有利于矿体的开采 ; 矿 区底板 岩石的抗压强度则较小 , 一般为 1 5 ~ 3 0 M P a , 不利于 矿体 的开采 。考虑破碎带 的影 响时 , 由于矿 区断裂 构造发育 , 且铁矿体赋存于破碎带 中, 沿断裂带上 、 下盘的岩石裂隙也非常发育 , 构造降低了岩层的完 整性和岩体的强度。因此, 综合考虑各种因素 , 认为 I I 号矿体顶板稳 固性较差 , 底板稳固性极差 , 严重制 约矿体 的开采。 2 矿体回采时面临的难题 “ Y” 形矿体开采时 , 矿体 、 围岩 的稳 固性是必须 考虑的因素 , 除此之外, 矿体形状也是不可忽略的, 复杂的产状常增加矿体开采的难度 。针对某矿呈 “ Y, , 形分布 的I I 号矿体的赋存条件 , 分析开采时可能 遇到的难题如下 。 1 采矿方法的选择难度大。由于“ 形矿体上 部分支的倾角 、 厚度等存在较大的差异 , 造成采矿方 法难 以确定 。 、 2 围岩稳定 性控制难度 大。 “ Y” 形矿体上部分 支所夹区域可认为即是矿体的顶板 、 也是矿体的底 板 , 矿体 2 分 支的开采都影响其稳定性 , 该区域是否 处理得当, 直接制约矿体开采时的安全性。 3 矿体 自身相互制 约。 “ Y” 形矿体上部各分支 开采的顺序如果不协调 , 可能造成部分矿体无法进 行开采 , 甚至造成安全事故, 影响矿山安全高效生 产。 3 采矿方法探讨 3 . 1 采矿方法选择 针对“ Y ” 形矿体回采时存在的问题, 结合某矿I I 王 春等 破碎带中“ Y ” 形矿体的安全采矿方法研究 2 0 1 8 年第7 期 号矿体的具体特征, 在经济可行、 安全可靠的基础上 选择适宜的采矿方法。由于I I 号矿体的顶、 底板稳固 性较差 , 且上部分支彼此影 响, 如采用空场法进行开 采时 , 安全得不到保障 , 易产生采区顶板冒落事故, 而崩落法和充填法可有效提高该矿体开采时的安全 度。结合类似开采条件的矿山采矿方法 , 选择安全 可靠、 技术可行、 经济合理的分层崩落法和下向分层 充填采矿法进行对比分析, 见表1 。 表 1 采矿方法主要技术经济指标对比 Ta b l e 1 Ta b l e 1 Co m p a r i s o n o f ma i n t e c h n i c a l and e c ono mi c i n de x of mi n i ng me t ho d. 由表 1 分析得 , 下向分层充填采矿法在损失率、 通风条件等方面都优于分层崩落法 , 但考虑该矿生 产规模较小 , 建立充填系统投资较大的因素, 分层崩 落法可优先选择。从贫化率、 工艺复杂程度 、 矿块生 成能力等方面考虑 , 分层崩落法要优于下向分层充 填采矿法。从安全角度分析, 2 种采矿方法都可满足 该矿“ Y ” 形矿体的开采。综上分析, 认为分层崩落法 更适合开采该矿 的I I 号矿体 。 3 . 2 采矿方法设计 3 . 2 . 1 采场结构参数 由于I I 号矿体呈“ Y ” 形 , 上部分支部分相互制 约 , 结合矿体的具体特征 , 沿矿体走向连续布置采 场 , 其长度设置为 5 0 m。根据 I I 号矿体的赋存标高 , 采场垂直高度取 5 0 1T I , 每一采场布置人行材料通风 井、 溜矿井各2 条便可满足采矿要求。采场结构参数 详见 图2 。 由图 2 b 、 c 可见 , 人行通风材料井和溜矿井 布置在中段运输巷道的同一侧 , 分层联络道交错布 配在2 井筒的两侧 , 同一侧的分层联络道垂直相距 .5 m, 此种布置方式, 可一定程度上提高巷道围岩的 急 固性, 有利于矿体的回采。 1 . 2 . 2回采顺序 “ Y ” 形矿体上部分支进行开采时, 如2 分支同时 a 采 场剖面 b 采场底部 剖面 I I -- I 1 分 层 交 替 开 采 范 围 下部 C 采场顶部剖面 图 2 分层崩落法的采场结构参数 F i g . 2 Th e s t o p e s t r u c t u r e p a r a me t e r s o f s l i c i n g an d c a v i ng me t ho d 1 一中段运输巷道; 2 一装矿穿脉 5 分层回采巷道; 6 一回采进路 9 一地梁 ; 1 嗍顶层 ; 3 一人行材料通风井 ;4 一下盘溜井 7 一 分层联络道 ; 8 一棚子 支架 1 l 一覆盖岩层 ; l 2 一 回风平巷 ; 1 3 一放矿闸门 ; l 4 ~放矿犏斗 ; l 5 一夹石 ; l 6 一崩落围岩边界 下行推进, 接近矿体分支处会 出现矿体或顶板崩塌 的现象; 若先采上盘分支矿体, 则下盘分支矿体的稳 定性受到影响; 先采下盘分支矿体明显不合理。为 协调 2 分支的开采顺序, 确保安全高效开采 , 设计分 层分段进行回采。先分层交替回采“ Y ” 形矿体的中 总第5 0 5 期 金 甓 辞 2 0 1 8 年 第7 期 上部分 , 如图2 a 中的虚线范 围内的矿体 , 再采上盘 分支矿体中下部分 , 最后回采下盘分支矿体的中下 部分 , 具体分段开采的顺序见图 2 a 。 由于 I I 号矿体上部 2 分支厚度不 同, 回采工作面 的布置方式分2 种形式 , 一是矿体较薄时, 沿矿体走 向布置回采工作面; 二是矿体厚度较大时, 垂直矿体 走 向布置 回采 工作面 。I I 号矿体 的下盘分支常沿矿 体走 向布置 回采工作 面 , 而上盘矿体设置为垂直走 向布置工作面 , 见图2 b 。 3 . 2 . 3回采工艺 由于该矿I I 号矿体的顶、 底板稳固性较差, 且矿 体形状复杂, 呈“ 形 , 矿体回采时须严格遵循设计 的 回采顺序 。为避免 采矿过 程 中顶 板坍塌 影 响进 度 , 回采工作面都 由采场两端 向分层联络道 的方 向 推进 。整个 回采过程 中涉及 了凿岩 、 爆破 、 出矿 、 铺 设假顶 、 放顶等 。 1 凿岩。该矿矿体总体来说结构致密 , 局部地 段裂隙发育 , 稳 固性差 ; 围岩受 破碎带的影 响 , 多为 裂隙发育的灰岩。考虑矿山的生成规模较小 , 选用 Y T P 一 2 6 型气腿式 凿岩机 钻凿直径 4 0 fi l m、 孔 深 1 . 2 ~ 1 . 5 i n 的水平孔便可满足矿山生产需求。 2 爆破 。水平钻孔钻凿完成后 , 将直径 3 2 m m 的药卷装入钻孔内, 放人导爆管、 堵塞孔 口、 布设好 起爆 网络后 , 进行毫秒微差爆破。 3 出矿 。采用人推矿车的形式 , 将 回采工作面 爆 落的矿石运至矿石溜井 , 然后经安装于溜井底部 的振动放矿机 向0 . 5 m 侧卸式矿车内进行放矿 , 最后 由电机车牵引运矿。 4 铺设假顶。当回采进路矿石采完后, 需进行 采场的铺底工作 , 铺底质量的好差直接影响下一分 层作业的安全性及经济效益。设计采用金属网木地 梁假顶 , 选用直径为2 0 0 2 5 0 m m的木地棵沿回采巷 道进行铺设 , 地棵长度 3 ~ 3 . 5 m, 问距 0 . 6 ~ 1 . 0 m, 搭接 长度不小于 3 0 0 m i l l , 搭接处用铁丝捆扎 。金属 网铺 设在木地棵的上部 , 最后在金属 网上铺设 1 - 2 层直径 为 1 0 0 1 2 0 mm的杂木或竹片构建假顶 。 5 放 顶 。为确保放顶安全 , 准备放顶 前 , 回采 工作的的工作人员、 设备等需撤离, 待一切准备完毕 后 , 采用炸断棚腿的方式进行放顶。 3 . 2 . 4 采 场通 风 该矿 I I 号矿体开采时, 每个采场配置4台局扇辅 助通风 , 每个分支配2 台, 采用压抽混合式通风。由 于分层崩落法常采用独头进行作业 , 因此通风需严 格进行 控制 , 确 保采 场 内的风质 、 风量满 足生产需 求 。采 场所需 新鲜 风流在 主风机形 成 的风压作用 下 , 由本中段运输平巷 、 装矿穿脉进人人行材料通风 58 井下段后, 借助安装在此处的局扇利用风筒经分层 联络道和分层 回采巷道压人 回采进路 ; 风流洗刷工 作面后 , 污风 由安装在人行材料通风井附近分层联 络道 内的局扇抽入人行材料通风井上段 , 最后经上 中段装矿穿脉、 上中段运输平巷排出。具体的采场 通风线路 图见图3 。 局 扇 压 入 范 围 新 鲜 风 流 污 风 风 流 J I 1 『 本中段运输巷道 上中段运输巷道 1 l 本中段装矿穿脉 上中段装矿穿脉 卜 一 一 一 ] 广一 ~ 一 一 f一 一 一 ~ 一 人行材料通风井 1 1 人行材料通风井 1 『 f 分层联络道 . 分层联络道 I l 1 『 l 1 分层回采巷道 } l 分层 回采巷道 _ { I 1 『 J I I l 回 采 进 路 回 采 进 路 l 1 一一一一- 一 I I 回采工作面 图 3 采场通风流程 Fi g. 3 S t o pe ve n t i l at i on s t r uc t ur e 3 . 3 采矿方法试采结果及分析 3 . 3 . 1 试 验采场主要技术经济指标 为验证分层崩落采矿法是否适用于该矿“ Y ” 形I I 号矿体的回采 , 在 1 4 8 0 m中段设置 1 个采场进行工 业试验。试验采场采用三班制进行作业 , 每班 8 h , 统 计分析 6 0 个工作 日试验采场的主要技术经济指标 , 见表 2 。 表 2 试验采场的主要技术经济指标 Tabl e 2 The mai n t e c hni c a l a nd e co no mi c i nde x of t e s t s t o pe 王 春等 破碎 带中“ Y” 形矿体的安全采矿方法研 究 2 0 1 8 年 第7 期 由表2 得 , 试验采场的主要技术经济指标可以满 足矿山“ Y ” 形I I 号矿体的回采, 能取得一定的经济效 益 。 3 . 3 . 2 试采结果分析 经试采采场作业调查得, 设计的采场结构参数、 回采顺序可以满足该矿“ Y ” 形I 1 号矿体的开采。采 场通风的设计也可满足井下作业的需求。该矿分层 崩落法的设计可有效避免“ Y ” 形矿体开采时围岩稳 固性难以控制、 矿体分支相互制约的难题 , 有效地提 高了该类矿体开采时的安全性 , 同时该采矿方法的 损失率、 贫化率较低 , 增加了矿山的资源利用率 , 提 高了经济效益。但缺点是采切比、 木材消耗量、 劳动 强度等较大, 制约了矿块的生产能力。总体来说 , 设 计 的分 层崩落法适 宜于开采顶 、 底 板稳 固性较差的 “ Y ” 形矿体。 4 结论 1 分析某矿“ Y ” 形矿体的开采技术条件, 提出 回采时面临采矿方法选择难度大、 围岩稳定性控制 难度大、 矿体上部分支相互制约的难题。 2 针对“ Y ” 形矿体开采时面临的难题, 提出采 用分层崩落法或下向分层充填采矿法进行开采 , 经 技术经济指标对比得出分层崩落法更适合小型矿山 “ Y ” 形矿体的开采。 3 基 于“ Y” 形 矿体的特征 , 设计 了分层崩落法 的采场结构参数、 回采顺序、 通风方式等, 并经采场 试采 工业试 验证 明所设计 的分层 崩落法适 合 回采 顶、 底板稳固性较差的“ Y ” 形矿体。 参 考 文 献 [ 1 ] 解世俊. 金属矿床地下开采[ M] . 北京 冶金工业出版社, 1 9 8 6 . 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