软破矿体高效低耗采矿方法探讨.pdf

2 0 0 6 年 1 0月 第 3 5卷 第 5期 中国矿 山工 程 C h i n a Mi n e En g i n e e r i n g O c t ． ， 2 0 0 6 Vo l _ 3 5 N o ． 5 软破矿体高效低耗采矿方法探讨 Di s c u s s i o n o n Hi g h Effic i e n c y a n d L o w Co n s ump t i o n Mi n i ng Me t h o d o f S o f t a n d Cr a c k Or e b o d y 何水清， 明世祥 北 京 科 技 大 学， 北 京1 0 0 0 8 3 关键词 自然崩落法 ； 粉矿 ； 底部 结构 ； 放矿 管理 摘要 针对软破 矿体矿岩软弱破碎 ， 采场 内巷道 支护量 大 ， 采矿成 本高的问题 ， 结合金 山店余华寺矿体矿岩及赋存务件 ， 提 出 了无轨设备平底 出矿 自然崩落法的开采方案， 该方案能极 大地 降低 生产成本 ， 提 高作业安全性和采场生产能力．． Ke y wo r d s n a t u r a l c a v i n g me t h o d；p o w d e r mi n e r a l ； b a s e s t r u c t u r e ；d r a w ma n a g e me n t Ab s t r a c t C o n s i d e r i n g t h e f e a t u r e s o f s o f t a n d c r a c k o r e b o d y ， l a r g e a mo u n t s o f s u p p o i n s t o p i n g d r i ft s a n d h i g h mi n i n g c o s t ，a n d c o mb i n i n g t h e s t a t u s o f o r e a n d r o c k a n d o r e h o d y o c c u r r i n g s t a t e s i n l i n s h a n d i a n Yu h u a s 1 ． A n e w n a t u r a l c a v i n g me t h o d wi t h t r a c k l e s s e q u i p me n t s a n d fl a t b o t t o m o r e l o a d w a s p r o v i d e d ． I ’h i s me t h o d c a n r e d u c e mi n i n g c o s t g r e a t l y ．i mp r o v e t h e s e c u r i t y i n s t o p e a n d i n c r e a s e s t o p e p r o d u c t i o n c a p a c i t y ． 1 引言 软破矿体 的开采因其矿岩松软破碎 、 自稳性差 、 矿体内 成巷困难 、 巷道支护成本高 、 作业安全性差而成为采矿界的 一 大难题 。金山店铁矿 是武钢集 团公司的一个大型地下矿 山， 也是国内闻名的难采矿 山之一。该矿区 目前采用的是无 底柱分段崩 落法 ． 但 由于矿体软弱破碎 ， 巷道与炮孔破坏严 重 ． 巷道维护难度大 ， 采场内的所有巷道都需进行支护 ， 采矿 能力受到严重制约 ， 采矿成本居高不下。为了适应武钢集 团 公司发展的需要和金山店铁矿将达到年产 3 0 0万 t 的生产规 模 ． 现有 的采矿方法 已无法适应矿山的发展要求 ， 急需研究 一 种生产能力更大 、 采矿成本低的采矿方法 。 2 矿床赋存条件及矿岩性质 余华寺矿床是金山店铁矿主要采区之一 ， 是典型的矽卡 岩型铁矿床 ， I号矿体为主要矿体 ， 矿体上部呈似层状 ， 下部 分散多分枝 。矿体沿走 向长 3 6 0 m． 平均厚度约 4 0 m， 最大延 深 5 3 0 m， 倾角 5 5 。 ～ 6 O 。 。矿体上盘围岩主要 为角页岩和大理 岩 ， 次为石英闪长岩 、 矽卡岩化石英闪长岩和构造角砾岩 。矿 体下盘围岩主要为石英 闪长岩 矿体 内夹石主要为矽卡岩和 石英闪长岩。 矿体 南块状和浸染状矿石 、 粉加块混合状矿石和纯粉状 矿石组成 。块状和浸染状磁铁矿矿石结构致密坚固． 节理裂 隙不发 育， 属中等稳 固性矿石 ； 粉加块混 合状矿石结构不甚 紧密 ， 节理裂隙发育 ， 属稳 固性差 的矿石 ； 纯粉状矿石结构松 维普资讯 第5 期 何水清等 软破矿体高效低耗采矿方法探讨 -1 7- 3 采矿方法研 究 3 ． 1原有 采矿 方法 评价 余华寺矿体 目前 采用 的采矿方法是无底柱分 段崩落法 ， 分段高度 1 0 1 2 m， 进路间距 1 0 m， T 4 G装 运机出矿 。该采矿方法具有采场结构简单 ， 作业安 全， 机械化程度高等优点。但 由于矿岩松软 ， 白稳性 差 ， 采场内所有巷道都需进行 支护 ， 尤其是粉矿地 带 ， 巷道维护难度更大 。 虽然 目前采用的钢棚 支架 支护使巷道垮 冒减 少 ， 但该支护 承载能力低 ． 巷道 稳定 时间短 ， 大多数巷道需 多次返修 ， 由此采场正 常回采秩序经常被打乱， 采场采矿能力受 到严重制 约， 而且 冈支 护成 本 高 ， 每米 巷 道 支护 费 用 高 达 5 0 0 0元以上 ， 使得采矿成本居高不下。 3 ． 2高效低耗开采的主要方案 针对软破矿体开采存在 的问题 ， 结合余华寺矿 体及矿岩条件 ， 对照类 似矿L 【 _ J 开采经验 ， 要实现该 矿区正常 回采 ， 大幅度 提高生产能 力， 降低生产 成 本， 需从两个途径入手。 1 降低采准 比 降低采准 比的主要 目的是减 少软破矿体中的巷道开挖量 ， 降低维护成本。而降 低采 准比的主要措施之一就是对现有无底柱 分段 崩落法采场进行改进 ， 即加大 采场结构参数 。 在这 方面余华寺也做过一些工作，曾先后将分段高度 由 1 0 m提高到 1 2 m和 1 4 m，进路 间距 由 1 0 m加大 到 1 2 m， 由此大大降低 了采准 比， 但无底柱采场结构参 数还有进一步加大的空间。 2 采用高强度低成本的采矿方法 结合 余华 寺矿体条件 ， 研究寻求一种开采强度 、 采矿成本 比 无底柱更具优势的采矿方法是解决这种软破矿体 开采 的另一途径 。矿块崩落法是开采成本最低的地 下采矿方法之 一． 其开拓 、 采准工程量少 ． 凿岩爆破 费用 低 ， 而且这种 采矿方法 因爆破最少 ， 对底部结 构的扰动较小 ， 使 得底部结构 的稳定性提高 ， 维护 难度降低。 基于上述分析 ， 结合金 山店铁矿多年来 的生产 实践和进行的 自然崩落法试验研究 成果 ． 拟定了二 1 个开采方案。 3 , 2 ． 1 大结构参数无底柱分段崩落法 方案 1 可以通过加大采场的结构参数来降低采准 比． 本方案将原有采场分段高度 、进路问距按 比例增 大 ， 增大比例为 1 ． 5 ， 即将分段高度增大为 1 8 m。 进路 间距 1 5 m。 阶段高度仍为 7 2 m， 只是 巾原来的 6个分 段减少至 4个分段。此种大结构参数采场大大降低 了采准 比， 但贫化率比小结构采场大 。图 1为两种 结构参数采场三角矿 对 比图。图中矿体水平厚度 取余华寺矿体的平均厚度 4 0 m。上下盘倾角取平均 倾 角 6 0 。 ，则当分层高度为 1 2 m时上下盘三角矿量 所 占分层矿量的 l 7 _ 3 3 ％，当分层高度为 1 8 m时上 下盘 角矿量 占分层矿量的 2 5 ． 9 7 ％。 三角矿量的增 加必然导致贫化的增大。所以此方案的主要缺点是 有较大的贫化损失。 矿体边界 一 ⋯ 图 1 不 同结构参数三角矿量 比较示意图 3 ． 2 ． 2 大间距 无底柱 分段 崩落 法 方案 2 由放矿椭球体理论可知 ， 当纯矿石放 出体在空 间相切时 ， 矿石损失贫化指标最好 。 即采场结构参 维普资讯 1 8 中国矿 山丁 程 2 0 0 6 年 第 3 5 卷 数最优 。纯矿石放出体在空间相切有如图 2所示两 种形式 ， 图 2 a 为高分段结构 ， 图 2 b 为大间距结 构 ， 在实际生产 中， 高分段结构形式在凿岩 、 爆破等 工艺技术的实现上有较大困难。而大间距结构参数 是在分段高度不变的条件下加大进路 间距 ， 可充分 利用原有凿岩设 备 ， 爆 破难度不增大 ， [大 ] 而在许多 矿 山得 以推广 。余华寺矿体如采用 大问距结构方 案， 分段高度仍采用 1 4 m， 进路间距可由大间距椭球 体放矿理论求出 如图 2 b 所示 ， 在不改变现有分段高度的基础 上，由放 出椭球体存空间相切可得出最佳进路 间距 ‘ ‘ 2 、 ／ r 6 又 由椭球体有 占 二 口 式 中 Z 进路间距 占 放出椭球体偏心率， 由此前的研究可知 。 占为 0 ． 9 2 8 放 出椭球体长半轴， 约为 1 4 m； 6 放出椭球体短半轴 由此可得到此种结构进路间距约为 1 8 m。故本 方案将进路间距加大到 1 8 m。 a 岛分段结 构 b 大间距结构 图 2 纯矿石放出体的空间排列形式 3 ． 2 ． 3 阶段矿 块 崩 落法 方案 3 从放矿理论分析 ， 无底柱分段崩落法放矿方式 为端部放矿 ， 废石可从顶部和侧面混入， 容易引起矿 石的贫化损失； 自然崩落法能实施三维放矿管理． 可 使覆盖岩层均匀下降 ， 从 而能有效地控制废石 的混 入 ， 使贫化率大幅度降低 。从 出矿效率看， 凶无底柱 分段崩落法为逐进路逐排后退式开采， 爆破频繁 ． 工 序轮换次数多， 出矿连续性差。 而 自然崩落法无需分 段凿岩 ， 矿体主要靠 自然崩落 ， 所以可实现连续 出 矿 ， 采矿强度比无底柱分段崩落法有很大提高。 结合余华寺矿体倾角较缓 ， 矿体下部有较大夹 石存在的特点 ， 设计 中采用一 2 7 0 m水平以上应用 自 然崩落法 ， 一 2 7 0 m以下采用大间距无底柱分段崩落 法的开采方案 。自然崩落法采场结构参数为出矿进 路垂直走向布置 ， 间距 2 8 m， 出矿 [ _1 岔道与出矿进路 成 6 0 。 夹 角 ， 出矿 口交错布置 ， 间距 1 4 m。拉底水平 位于一 2 7 0 m水平 ． 托底巷道与 出矿进路布置在 同一 水平 ， 且平行于出矿进路。底部所有巷道均采用浇 灌混凝土支护 ， 放矿控制利用矿体流动特点结合矿 体赋存条件采 电脑控制进行放矿管理 ， 使得矿岩 接 触面能平行移动 ，取得较好的损失贫化指标。 3 ． 3 方案优化比较 对 比 个方案可知 ， 方案 1和方案 2的优点在 于其所采用的是单一 的采矿方法 ，生产上便于管 理 ； 无底柱分段崩 落法早 已为矿山所 掌握 ， 组织实 施相对 比较简单 能在一定程度上减少掘进和支护 工程 量。而方 案 l的缺点是在增大结构参数的同 时 ， 也增 大了矿石 的损 失贫化 ． 方案 2的缺点是掘 进 、 支护工程量依然很 大 ． 没有从根本上解决采矿 方法对生产能力的限制 ； 方案 3的优点在于能最大 程度的减小掘进和支护T程量， 从 而降低生产成本 ， 提高作业 安全性 ， 同时出矿点相对集 中 ， 可提高采 矿强度 缺点在 于采准周期 长 ． 对矿 山生产 的组织 和产量接续会产生一定的影 响 一 2 0 0 ～ 2 7 0 m 中段 各方案技术经济比较见表 2 。 从表 2比较 可以看出 ． 三个新方案较原有采矿 方法 在开挖和支护工程量方面都有了大幅度的减 少， 方案 2减少 了 5 1 3 0 m． 使 工程量减少 了 2 8 ． 5 ％， 减少幅度最大的是方案 3 ．其开挖_T程量仅为原有 采矿方法的 2 7 ． 4 ％，仅此一项 ，口 『 使生产成本降低 1 l _ 7 4元／ t ， 经济效益十分可观 同时 ， 由丁出矿点相 对集巾， 更有利于发挥大型设备的功效， E S T 3 ． 5的台 效能达到 3 0万 t ／ 台 a ， 大大提高了采矿强度。笔 者认为应选择阶段 自然崩落法方案 。 4 自然崩落法方案实施的关键技术 金 山店铁矿此前也进行过 平底铲运机端部 出 矿 自然崩落法 的试验研究 ．取得 了较好 的效果 ． 但 由于还有一些关键技术 问题 没有得到很好 的解决 ． 使得该法在金 山店铁矿没有得到进一步的应川。 4 ． 1 关 于粉 矿地 段 的成巷 与 支护 余华寺矿体软弱破碎 ， 粉矿 含量 高 ， 粉矿地带 巷道 自稳时间仅几个小时甚至是一掘即 冒， 为能在 此类岩体中形成巷道 ， 设计采用先预支 、 再临支 、 最 后 复支的三段支护法 ， 将 预支护 、 临时支护 和永久 支护三者结合构成统一的承载体。在一些关键地段 维普资讯 第5 期 何 水清等 软破矿体高效低耗采矿方法探讨 1 9 采用在金山店 已经得 到成功应川 的预成拱支护技 术，即预先沿巷道断面轮廓线开挖出一定宽度和深 度的窄槽 ， 然后川喷射机 向槽 内喷注混凝土， 直至将 整个窄槽填平 在巷道周边预先形成一定厚度 、 完 整的混凝土支撑拱 。待喷注混凝 土达到初始强度 ， 即可对拱内岩体进行开挖 ， 如同 3所示。永久支护 采川槽钢架浇灌混凝土支护， 浇灌厚度为 2 0 0 mm。 巷 道底板浇灌 2 0 0 mm混凝土。 对丁稳定性较好的巷道 ， 临时支护采用锚喷支 护 ， 喷层厚度 l O O m m， 永久支护仍采用槽钢架 浇灌 混凝土支护 ， 浇灌厚度为 3 0 0 mm， 支护体 的混 凝土 强度不低于 3 5 ．O MP a ， 支护断面见图4 。 混凝土拱 矿岩 。 ～ ⋯ 。0 1 l _| ／ 。{ 【 ， ， -- 。 j -- ㈠ j ． _[ _ 一 ． 一． ．． ’ } j 图 3 预成拱断面示意图 4 ． 2 底 部结构 维护 自然崩 落法巾 。 底部结构服务年限长 、 m矿 强度 大 ． 不仅要 受到构造应 力的作用 ． 还要承受来 自采矿生产过程 中的拉底 、 落矿 、 二次破碎等生产 作业的影响。所 以底部结构稳定性的要求非常高。 自然崩落法采矿巷道纵横交错 ． 形成众多的巷道交 岔点 ， 这些交岔点暴露面积大 ， 受力状态差 ， 是采场 中最容易变形破坏 的区段 ． 尤其是这些交岔点集 中 存出矿进路 中． 一个交岔点的破坏就可影响整个采 场的I 旦 I 采。因此加大底部结构的稳定性对 自然崩落 法的成功应用具有重要意义。 图 4支 护 断 面 示 意 图 为 了保证底 部结构 的整体性 、 稳定性 ， 出矿 口 应交错布置 ．距 出矿眉线 口5 m范围内均架设 4架 矿用工字钢梁并浇灌于混凝土 中． 以抵抗二次爆破 动载应力。 底部结构补强支护采用锚喷支护， 锚杆选 用缝管摩擦式锚杆， 杆长 2 ． 2 m． 支护网度 0 ． 8 mx 1 ． O m， 巷道 破损较 为严 重地 段采 用工 字钢钢拱 架 支护 。 4 ． 3放矿管理 合理的放矿控制可有效控制矿岩接触 面状态 及其在空 间的位置变化 ， 防止废石的过早混入， 降低 放矿过程的贫化损失 。 实验证明 相邻漏斗放矿时 见罔 5 ， 若其 中一 个漏斗 2先放 出一定量的矿石后 ， 再从相邻漏斗 1 放矿 ． 由于从漏斗 2放出一定矿石后 ， 其上部崩落 矿石 内发生 了二 次松散 ， 密度减小 ， 主应力和内摩 擦角相应的降低 ， 抗剪强度减弱 ， 宽泛式的流动会 优先从抗剪强度弱的地方开始 ， 所以漏斗 l中的松 动椭球体不是始终保持垂直 方 向而是 向着漏斗 2 发生明显的偏斜。随着漏斗 1的放 } f l 量不断增加 ， 漏斗 1的松动椭球体从 b到 n偏斜度不断减小 ， 逐 渐达到正常的垂直位置 I。本方案通过从矿体下盘 开始放矿 ， 并严格控制各漏斗 的初次放 出量 ， 使得 下转 第 3 6页 维普资讯 3 6 中国矿山工程 2 0 0 6 年 第3 5 卷 图 1小 试 闭 路试 验 工 艺 流 程 给矿 分级机溢流 k Z J 一 1 } }2 2 3 l 2 油 8 0 粗选 J I Z J l } }3 4 5 L ‘ ’ ’ 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ ～ 粗选l Ⅱ 土 ／ I 二l Z J l 4 0 精选lI 扫选l I j 水玻璃 3 0 l 精 选 lⅡ 扫 选 lⅡ 硫精矿 1 硫精矿2 l 尾矿 图 2工 业 试 验 流 程 皇 结 果 ％ 表 4工 业 试 验 的 4 2 个 班 的 平 均 结 果 ％ 2 8 ％左右， 一 O ． 0 7 4 mm含量为 8 8 ． 8 9 ％左右，但其性质 与小型试验的相当。 工业试验流程 见图 2 ， 试验结果 见 表 4 。 5 试验讨论与结语 工业试验流程与小型试验流程稍有不同．工业 试验中粗选 I 精矿直接进入精选 Ⅱ，精选 Ⅱ为开 口 流程产 出两种硫 精矿，是 为 了保证 产出含硫大 于 产品名称 S 品位 I I 收率 广 品名称 S 品位 回收率 硫精矿 1 4 9 ． 9 6 3 6 9 0 尾矿 7 ． 0 6 9 ．0 7 硫精矿 2 4 6 ． O 7 5 4 ． 0 3 给矿 2 8 ．0 2 1 0 0 ． O 0 4 8 ％的硫精矿， 试验结果证明是可行的。 工业试验与小型试验 中均使用 了 Z J l 药剂 ， 这是一种混合型非直链黄药 ， 它的价格和毒性均低 于丁黄药 ， 而捕收 能力较 丁黄药 强 ， 特别对细粒级 硫铁矿捕收能力强 ， 它的应用对保证硫 回收率起到 关键作用。 小型试验和工业试验研究结果均证明 ． 用含硫 2 8 ％左右的原矿可 以生产出硫品位 4 9 ％以上的高品 级硫精矿。 上接 第 1 9页 松动椭球体偏斜角 与矿体倾角相同或者近似相同 ， 然后再实行各漏斗均匀放矿 ， 使得矿岩接触面均匀 下降， 这样有利于减小矿石的贫化。 1 2 图 5 松动椭 球体 的偏斜示意 图 5 结语 根据对余华寺矿体采矿方法研究分析认为 自 然崩落法在软破条件下能大 幅度减小掘进 和支护 _丁程量 ， 提高作业安全性 ， 降低采矿成本 ， 是最适合 的采矿方法之一。但 自然崩落法能否成功应有的关 键在于解决 粉矿巷道掘支和底部结构维护的问题 ． 经过金山店铁矿多年的生产实践 。 这一关键技术难 题已得到了初步解决 ， 自然崩落法 可以得到成功应 用 ， 由此可实现该 矿体高效低 耗的要求 ， 也为条件 相似矿 山的采矿方法选择提供一种新 的思路 【 参考文献】 ⋯明世 祥 ， 于言 平． 小官 庄铁矿采 场地压 控制 方法 的研 究 【 J _ ． 金属矿山， 2 0 0 5 ， 1 9 1 1 ． [ 2 】 任风玉． 随机介质放矿理论及其应用[ M】 一E 京 冶金T业 出版 社 ． 1 9 9 4 ． [ 3 ] 董振民 ， 范庆霞 ， 金 闯． 大间距无底柱 分段崩落采矿 法 的研究和应用【 J J ． 宝钢科技， 2 0 0 5 1 9 2 3 ． [ 4 ] 谢长 江． 铜矿峪矿矿块 崩落 法支护技术与设备『 J 1 ． 湖南有 色金属， 1 9 9 9 ， 5 4 6 ． 维普资讯