1、拉拉铜矿堑沟式分段空场嗣后充填采矿法及胶结矿柱结构参数研究王正奇1,李广涛2,廉柏栋2(1.凉山矿业股份有限公司,四川 会理县 6 1 5 1 7 1;2.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 0 0 9 3)摘 要:针对拉拉铜矿倾斜矿体的采矿方法和采场结构参数进行研究分析,提出一种堑沟式分段空场嗣后充填采矿法。拉拉铜矿堑沟式空场嗣后充填采矿法采用“隔一采一”的方式进行两步骤开采,即超前回采一步骤矿房,嗣后尾砂胶结充填,形成充填间柱支撑顶板,再造二步骤矿房回采环境;同时采用堑沟式底部结构,利用矿石自重进行出矿。经普氏地压理论和有效区域强度理论的B i e n i a w s k
2、i公式计算得出:随矿体厚度增加,即胶结矿柱高度增加,在达到一定安全系数的条件下其宽度也要增加。为保证胶结矿柱的稳定,其安全系数不能低于1。工业试验结果表明该方法采切比减少,由原来的6.5m/k t降至4.5m/k t;损失率由原设计的3 0%降低至1 0%以内,贫化率由2 3%降低至1 5%以内。关键词:分段空场嗣后充填采矿法;采场结构参数优化;有效区域强度0 引言拉拉铜矿即将转为地下开采,原设计采用留设采场永久矿柱的空场嗣后充填采矿法,该采矿方法损失率达到3 0%,资源损失较高。针对拉拉铜矿深部矿体地质条件、开采技术条件等,研究两步骤连续回采工艺的分段空场嗣后充填采矿法,既能保证采场的低贫损
3、经济目标,又能保障采场安全高效作业。王军等1在对大红山铁矿 1 2矿体的两步骤回采嗣后充填采矿法研究中,提出先用混凝土置换矿柱,再回采矿房,这种方式成本太高,并且没有合理利用废石、废砂。任卫东等2采用数值模拟软件,依据摩尔 库伦破坏准则对某矿山分段空场嗣后充填采矿法的开采顺序进行了研究,但是该理论依据受矿岩性质限制。鄂玉强3对莱新铁矿的分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿工艺进行了优化研究,使得矿块底部结构得到优化,堑沟内残留崩落矿石较少,留设的矿柱量减少,降低了贫化损失。赵兴东等4基于岩体质量分级,通过RMR临界跨度图表、R S 2数值软件和M a t h e w s稳定性图表确定三山岛金矿分段空场
4、嗣后充填采矿法的最优采场结构参数。李守强等5对喀拉通克铜镍矿的矿体采用下向小分段空场嗣后充填采矿法回采,基于现场工程地质调查和室内岩石力学试验,制定模拟方案得到极限采场高度,结果表明在采场跨度为8m,采场高度为1 4m时,采场塑性区范围和位移突变均较大,在采场高度为1 2m时,采场塑性区范围较小,相对稳定。本文针对拉拉铜矿深部倾斜中厚矿体的产状特征进行分析论证,并且结合有效区域强度理论,得出两步骤矿房、矿柱的合理结构参数。1 工程地质条件拉拉铜矿矿床主要赋存于前震旦系会理群河口组中部火山变质岩段上亚旋回(P t1h34)的中下部。该矿体呈似层状,透镜状,有膨胀、分叉、复合尖灭再现的特点,矿体产
5、状与围岩产状基本一致,严格受岩性和层位的控制,矿体的总体走向近东西,倾向南,倾角以2 0 5 0 为主,含矿岩石主要为石英钠长岩、黑云钠长片岩。矿化均匀,受断层影响,矿体走向和倾向延伸方向连续性遭破坏,矿化较均匀,厚度变化较稳定。矿区大部分矿体符合倾斜矿体(倾角为3 0 5 5 的矿体)赋存的地质特征,具有矿石品位高、价值高的经济特点,采用分段空场嗣后充填采矿法能够极大地提高回采率,最大限度地将矿石采出,减少矿石损失。该方法的核心思想是利用人工制备的胶结充填体代替自然矿柱,而后采用连续开采的模式,在合理的矿房和人工矿柱结构参数下,进行高效率的I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4
6、 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3回采作业。该方法比起传统采矿方法,损失率指标能够降低1 5 2 0个百分点。2 采矿方法选择及优化研究拉拉铜矿部分倾斜矿体采用分段空场嗣后充填采矿法,主要依据是部分矿体在开采空间上呈单层分布,另外部分矿体虽然呈多层分布,但层间夹层(含夹石或贫矿)相对较薄,可以进行规整合采。分段空场嗣后充填采矿法是将矿体盘区划分为一步骤矿房和二步骤矿房,先回采一步骤矿房,嗣后进行一步骤矿房的尾砂胶结充填,充填体形成间柱支
7、撑顶板,再回采二步骤矿房,嗣后尾砂、废石非胶结充填。根据拉拉铜矿的矿体产状及矿岩稳固情况,一步骤矿房分为沿走向和沿倾向布置,一步骤矿房跨度为1 0 1 2m,二步骤矿房跨度为1 8 2 0m。拉拉铜矿深部矿段西区部分倾斜矿体产状见表1。表1 拉拉铜矿深部矿段西区地质剖面位置矿体产状地质剖面位置水平区间/m矿体垂直厚度/m矿体倾角/()A 81 8 0 5 1 8 8 17 3 64 5 5 1A 91 7 8 0 1 8 4 06 1 72 9A 1 01 7 5 8 1 8 1 46 3 24 52.1 堑沟式分段空场嗣后充填连续采矿法对于倾斜矿体,由于矿石可以依靠自重溜至采场,因此采用堑沟
8、式底部结构,在矿体下盘适当高度沿矿体走向布置聚矿堑沟、出矿进路及沿脉采准巷道。采用这种堑沟式底部结构进行两步骤充填回采,降低采场贫损指标和采准工程量,使得矿体开采较为经济。暂沟式分段空场嗣后充填连续采矿法如图1所示。1阶段穿脉平巷 2采准干线 3凿岩平巷 4出矿进路 5充填挡墙 6切割天井 7矿石溜井 8一步骤胶结充填体9二步骤尾砂及废石充填体 1 0矿房 1 1充填回风平巷 1 2充填孔 1 3炮孔 1 4崩下矿石 1 5矿体边界图1 堑沟式分段空场嗣后充填连续采矿法2.2 采准切割工程根据矿体倾角和矿房跨度确定分段高度,矿房跨度在2 0m内,故分段高度为5 1 0m。(1)采准。在矿体下盘
9、适当位置沿矿体走向布置聚矿堑沟,在聚矿堑沟底部布置堑沟巷道,距离凿岩平巷约1 0 1 4m处平行凿岩平巷布置沿脉采准巷道。在堑沟平巷和采准巷道之间,按一定夹角布置出矿进路,出矿进路间距约6m,倾角小的矿体的凿岩巷道和采准干线可两个步骤矿房共用,或者将回采矿房的凿岩巷道和采准巷道作为相邻矿房开采时的采准巷道和凿岩巷道。各分段通过斜坡道联络,在矿体两翼布置通风井形成通风系统。在分段巷道中每间隔一定距离布置采场溜井至中段运输巷道。(2)切割。在各矿房内垂直走向均匀布置1至2条切割槽,在切割槽内适当位置布置切割平巷和切割天井。根据充填废石需要,对于倾角在3 5 以下矿体,可在矿体的上盘沿走向布置充填回
10、风沿脉;对于倾角在3 5 以上矿体,可将上分段矿块切割平巷延伸至矿房上盘,在切割槽位置布置53王正奇,等:拉拉铜矿堑沟式分段空场嗣后充填采矿法及胶结矿柱结构参数研究充填井。2.3 回采工艺(1)落矿及出矿。采用S i m b a r 1 3 5 4凿岩台车施工竖向扇形中深孔,排距为1.51.8m,孔底距为1.8 2.2m,采用粒状硝铵炸药,多排微差非电爆破,每次爆破5 1 0排。采用3m3铲运机出矿,并用3m3带遥控柴油铲运机辅助回采堑沟底部残留矿石,矿石卸入附近的采场溜井。(2)充填。矿房上部的充填回风巷道中布置充填管道,矿房回采结束及时利用矿房上部的充填井或充填钻孔进行充填。一步骤矿房采用
11、低强度尾砂胶结充填(灰砂比1 6至1 1 2),在底部出矿进路和与空区联通的巷道中施工封闭挡墙。一步骤矿房空区必须接顶充填。二步骤矿房首先进行废石充填(为消耗井下废石),可以充到空区的2/3,待无法进行废石充填时再采用分级尾砂进行充填,废石和尾砂充填可以根据矿山生产组织灵活调整。该采矿方法标准矿块经济技术指标见表2。表2 标准矿块经济技术指标废石混入率/%贫化率/%损失率/%采切比/(m/k t)6.7 55.7(未包括场内贫化)5.6(未包括场内损失)5.63 矿房矿柱结构参数优化研究长期以来,为了合理设计矿柱的结构参数,国内外学者进行了大量试验研究,取得了W i l s o n理论、普氏地
12、压理论、面积承载理论等理论成果。胶结矿柱的作用是为了承受采场地压,因此采用原生矿柱进行设计,会使矿柱尺寸过大,据此设计的胶结矿柱结构参数在地下深部回采时很不合理。根据普氏地压理论,在进行深部矿床回采时,在开采空间的上方区域会有较大的扰动应力,受开采影响,应力会重新分布,形成一个拱形卸压区,该区域内的岩体在高地应力作用下十分容易转化为塑性状态,形成拱形塑性区。随着矿房开挖,胶结矿柱上部顶板岩层会因其压缩变形而下沉,发展到一定程度后,两个相邻空间上部的小型免压拱会合并形成较大免压拱,此时胶结矿柱承受荷载为上部塑性区范围内整体围岩的自重应力,而非承载所有的上覆岩层,采场顶板塑性区分布如图2所示。通过
13、普氏地压理论对有效区域胶结矿柱强度进行分析计算,得到采用分段空场嗣后充填采矿法后的矿柱、矿房结构参数。图2 采场顶板塑性区分布3.1 矿柱有效强度计算胶结矿柱强度并非固定值,会随着充填体强度及自身结构参数发生变化,目前广泛用于矿柱强度理论计算的为B i e n i a w s k i公式,计算公式如下:Sp=Sl0.6 4+0.3 6(a/M)(1)式中,Sp为胶结矿柱强度,M P a;Sl为胶结充填体单轴抗压强度,M P a;a为矿柱宽度,m;M为矿柱高度,m;为常数,取值根据矿柱高宽比M/a确定,当M/a 5时,取=1.4;当M/a 5时,取=1.0。另外,胶结矿柱的轴向应力计算公式如下:
14、p=H(2)式中:p为胶结矿柱轴向应力,M P a;为岩体容重,k N/m3;H为压力拱拱高,m。压力拱拱高H根据普氏地压理论计算。矿房开挖形成采空区后顶板岩体发生变形和位移,逐渐形成抛物线形压力拱,其拱高部分自重为胶结矿柱截荷,计算公式如下:H=b+ht a n(4 5-/2)f(3)式中,b为空场宽度的1/2,m;h为空场最大宽度,m;为岩石内摩擦角,();f为岩石强度系数。取矿柱强度Sp与矿柱轴向应力p的比值F作为胶结矿柱稳定性安全系数,计算公式如下:F=Spp(4)3.2 两步骤矿房矿柱结构参数设计对于拉拉铜矿,按照3.1中的理论进行计算,得到胶结矿柱稳定性安全系数,由于是大规模开采,
15、一步骤矿房高宽之比小于5,则取1.0。经过计算得到矿房高度为2 0m、3 0m和4 0m条件下一步骤矿房和二步骤矿房不同跨度尺寸对应的安全系数,计算结果见表3至表5。63采矿技术2 0 2 3,2 3(3)表3 2 0m矿房高度条件下胶结矿柱结构参数一步骤矿房宽/m二步骤矿房宽/mpSpF72 80.3 3 9 60.3 3 7 60.9 982 60.3 3 9 60.3 4 5 61.0 21 050.3 3 9 60.3 6 1 61.0 61 02 00.3 3 9 60.3 6 1 61.0 61 12 00.3 3 9 60.3 6 9 61.0 91 22 00.3 3 9 60
16、.3 7 7 61.1 11 31 80.3 3 9 60.3 8 5 61.1 41 41 80.3 3 9 60.3 9 3 61.1 6表4 3 0m矿房高度条件下胶结矿柱结构参数一步骤矿房宽/m二步骤矿房宽/mpSpF72 80.3 2 3 70.3 1 6 60.9 882 60.3 2 3 70.3 2 1 60.9 91 02 50.3 2 3 70.3 3 1 61.0 21 12 20.3 2 3 70.3 3 6 61.0 41 12 00.3 2 3 70.3 3 6 61.0 41 22 00.3 2 3 70.3 4 1 61.0 61 21 80.3 2 3 70.3 4 1 61.0 61 51 80.3 2 3 70.3 5 6 61.1 0表5 4 0m矿房高度条件下胶结矿柱结构参数一步骤矿房宽/m二步骤矿房宽/mpSpF1 03 00.3 2 3 70.3 2 1 60.9 91 12 60.3 2 3 70.3 2 5 61.0 11 22 20.3 2 3 70.3 2 9 61.0 21 22 00.3 2 3 70.3 2 9 61.0 21