無礦柱梯段式連續回采充填法的試驗研究

周英芳,王文勝,邵珠江,王興濤,張清偉,王 濤

(1.招遠市蠶莊金礦, 山東招遠市 265402;2.招金礦業大尹格莊金礦, 山東招遠市 265414)

無礦柱梯段式連續回采充填法的試驗研究

周英芳1,王文勝1,邵珠江1,王興濤1,張清偉1,王 濤2

(1.招遠市蠶莊金礦, 山東招遠市 265402;2.招金礦業大尹格莊金礦, 山東招遠市 265414)

針對蝕變巖型金礦床的特點,提出了“無礦柱梯段式連續回采充填采礦法”方案,并對該法的采礦工藝、支護結構和參數、充填材料及工藝進行了試驗研究,實踐證明其是一種經濟、高效、安全的采礦方法。

無礦柱;梯段式連續回采;膠結充填;充填料配比

礦區位于沂沭斷裂帶的東側,膠東隆起的西緣,掖縣復背斜的北翼,黃縣～掖縣弧形斷裂的支斷裂-望兒山斷裂帶上。礦區從上到下的地層依次為:第四系沙質粘土及殘坡積;黑云母花崗巖和偉晶巖脈、煌斑巖脈;主裂面及兩側的碾壓區破碎蝕變帶,該層為礦區的主要含礦帶;似斑狀花崗閃長巖。

本礦帶系望兒山含礦蝕變帶的北東段。蝕變帶主要由東西兩條蝕變巖脈及其派生的低級別蝕變巖脈組成,走向北東 30°～40°,控制長度 3100 m,地表出露寬為 15～90 m,控制最大斜深 640 m。含礦蝕變帶沿走向分支復合現象明顯,平面形成結環狀,其復合部位往往是礦體的賦存場所,沿傾向無明顯的變化。目前正在開采的 2號礦體展布于 351～375線之間。礦體賦存于主裂面上盤,長 360 m,斜深425 m,垂直深度 217 m,走向北東 35°～40°,傾向北西,傾角 37°～40°,與主裂面的產狀基本一致。

礦區水文地質條件比較簡單。礦床主要充水因素為基巖裂隙水,其中以風化裂隙水為主。礦區主要充水的來源是大氣降水。

1 采礦方法

1.1 采場構成要素

無礦柱梯段式連續回采充填法,采場垂直走向布置。采場高度為階段高度 30 m,長度為礦體厚度,寬度設計為 10 m。采場傾斜角度 70°。采場不留頂底柱和間柱。礦塊沿高度方向劃分 4個分段,每個分段高度 7.5 m,每個分段分為 3個分層,每個分層高度 2.5 m。

1.2 采切工程布置

礦山開拓系統已將礦體按 30 m垂高劃分中段,在中段水平,礦體下盤設有中段運輸平巷和每隔 30 m布置的中段穿脈運輸平巷。在一個中段垂高范圍內,再劃分成 4個分段,并在各分段水平礦體下盤布置分段平巷。

中段與中段之間,分段與分段之間,分層與分層之間的相互聯系和鏟運機的通行,采用下盤脈外斜坡道將采場相互聯系起來,以充分發揮鏟運機的出礦潛力,提高設備利用率。

斜坡道采用折返式,設計平均坡度為 14%。一個采區只有一條斜坡道,供各個采場使用。斜坡道斷面規格為 3.0 m×3.0 m,分段平巷、穿脈巷道的斷面規格為 2.5 m×2.5 m。在分段平巷旁,每隔 80 m布置一條下盤脈外溜礦井,溜礦井的斷面形狀為圓形,規格為Φ2.0 m,傾角為 60°。在每個采場回采時,構筑一條順路人行通風泄水井。

下盤脈外斜坡道的采準布置使分段高度一致,便于分段平巷相互貫通;采用脈外斜坡道,使無軌設備容易進入采場;脈外設置溜礦井,可避免在采場內構筑溜礦井,防止礦體傾角變緩時,發生放礦不順暢現象。

1.3 回采順序及回采方式

在同一個中段,采場與采場之間的回采順序由礦體走向一端向另一端推進,設計采用梯段連續式回采順序,并使采場之間的超前高度不低于一個分段高度。

采場分層之間的回采順序,自下而上回采。首先在分段平巷向采場位置掘進轉層穿脈,然后開始采場第一分層的拉底回采工作,第一分層結束后,自下而上進行第二分層的回采工作。每一分層回采作業分為兩部分,即先回采后充填,其工藝由以下幾個工序組成:鑿巖、爆破、通風、支護、出礦、清場、架設順路井、充填,依次循環,直至完成整個采場的回采工作。

1.4 采場假底構筑

為了提高礦石的回收率,設計采場底部構筑假底。在第一分層出礦工作結束后,構筑鋼筋尾砂膠結體作為人工假底,并作為下中段對應采場上采至此時的假頂。人工假底的構筑方式是:首先鋪設鋼筋網,鋼筋網度為 300 mm×300 mm,主筋沿采場長度方向布置,主筋直徑為Φ12 mm;副筋垂直采場長度方向布置,直徑為Φ8 mm。主筋與采場幫壁錨桿焊在一起,將假底所受力傳遞到上下盤圍巖中。主筋與副筋之間用細鐵絲綁扎即可。鋼筋網距底板300～500 mm,然后采用高強度的尾砂膠結充填,充填體強度≥4 MPa,假底設計厚度為 2 m。

1.5 鑿巖爆破

采場鑿巖采用 YT-27型鑿巖機鉆鑿水平淺孔,孔徑為Φ40 mm,孔深為 3.8 m,孔距為 0.8～1.0 m,排距為 1.0 m。采用水平炮孔可實現低空頂距回采工藝,強化采充循環,為提高采場生產能力打下基礎。同時,可有效地維護礦體頂板和上盤圍巖。經過炮孔加長后,使低空頂柱的生產能力得到保證,并有利于采場頂板平整和頂板維護。

采場爆破采用光面爆破技術。爆破采用非電導爆管正向起爆 2#巖石炸藥。爆破時,要注意非電導爆管的段數,最好跳段使用毫秒微差雷管。

水平落礦時,普通炮孔每孔裝藥量不超過 16卷,單響最大藥量不超過 10 kg,一次爆破藥量不超過50 kg。

裝藥結構為連續柱狀裝藥形式,同時爆破的光爆孔必須采用同段毫秒微差雷管起爆。

1.6 礦石運搬及主要技術經濟指標

采場礦石運搬采用 EHST-1A型電動鏟運機出礦。采場崩落的礦石,由電動鏟運機裝運搬到脈外溜礦井。鏟運機最大運距為 80 m。采場主要技術經濟指標見表1。

表1 采場主要技術經濟指標

2 采場支護

2.1 支護方式及參數選擇

為充分發揮和調動巖體自身的支撐能力,根據采場結構參數,結合礦巖力學行為特征與采場巖體結構分布規律及潛在破壞模式,采場支護設計采用長錨索加短錨桿聯合護頂方案。

根據國外支護經驗,錨索密度與巖體質量節理頻率和暴露面的水力半徑有關,參照國外設計經驗,設計錨索密度為 0.16根/m2。錨索網度為 2.5 m×2.5 m,每根錨索負擔的面積為 6.25 m2。

錨索長度按挪威經驗公式 L=1.4+0.184B計算。錨索方向與暴露面垂直時錨固效果最佳,且一般錨索方向與暴露面巖壁的夾角要大于 30°。錨索長度為 12 m,一個采場分成兩段安裝;錨索安裝角度與采場傾角一致,為 70°;錨索鋼絲繩為Φ19 mm。

對于采場頂板,在每個采出礦循環前安裝上向快硬水泥卷錨桿補強。錨桿網度為 1.5 m×1.5 m,有效長度為 1.5 m。

2.2 支護施工工藝

采場拉底后,采用 YGZ-90型鑿巖機鉆鑿上向平行錨索孔?？讖綖棣?5 mm,孔深為 12 m。在地表將Φ19 mm廢舊提升鋼絲繩分成 6股,然后每股按設計長度用氣割割開。割開前需用鐵絲將鋼絲繩扎住,防止其散股。鋼繩除油用四氯化碳、洗油、堿、金屬油污清洗劑等幾種清洗劑,經 48 h浸泡之后,再用鋼刷人工洗滌,均能達到除油效果。從較經濟角度出發,現場生產選用 JQ-2型金屬油污清洗劑。實施鋼繩除油時,首先配制濃度為 5%～8%的清洗劑溶液,浸泡 48 h后用鋼刷刷去油污,并將繩頭彎成倒刺。鋼絲繩向孔內放置較為困難,試驗中首先將倒刺插入注漿管中,然后再將注漿管和鋼絲繩一起送入孔底。由于注漿管硬度較大,順利地解決了這一問題。錨索孔內注漿,采用高強度砂漿。膠結劑為 425#硅酸鹽水泥,砂子用洗砂,最大粒徑不超過 5 mm,含泥量不超過 3%,砂漿灰 ∶砂 ∶水=1∶1∶0.5。注漿設備為砂漿錨桿注漿機,注漿管外徑為Φ30 mm,長度為 15 m,注漿時要求將鉆孔全部注滿。

3 采場充填參數試驗及工藝

3.1 膠結充填室內試驗

3.1.1 強度試驗

室內試驗采用蠶莊金礦選礦廠經人工篩分的合格尾砂(尾砂粒級 +0.040 mm以上)作為骨料,用425#普通硅酸鹽水泥作為膠結劑,按 60%～70%的砂漿濃度,1∶4～1∶20的灰砂比配制試件。試塊尺寸規格為 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,在實驗室條件下進行濕養護,然后按規定的齡期進行單軸抗壓強度測定。每組試驗取 3塊試塊,按算術平均值原則計算抗壓強度,試驗結果見表2。

表2 普通尾膠充填試塊抗壓強度

分析以上試驗結果,可以看到如下現象:

(1)試塊的強度隨養護時間的加長而明顯增加,其 3 d的抗壓強度只有 28 d強度的 20%～30%,其養護時間與抗壓強度之間成正比例的關系。

(2)在灰砂比相同的情況下,試塊強度隨砂漿濃度的增加而增加。因此,在現場充填時,應盡可能提高砂漿濃度。

(3)試塊強度隨水泥含量的增加而上升。

3.1.2 材料用量試驗

普通尾膠充填每立方米充填實體材料用量按照設定的配比參數,稱取一定量的充填料(尾砂、水泥、水)攪拌形成漿體后灌入塑料袋,排出清水硬化后,測量實體的體積,然后計算出每立方米充填實體的材料用量。其試驗數據見表3。

表3 普通尾膠充填材料用量數據

3.1.3 試驗結果分析

水砂充填時,要求采用分級尾砂,砂漿濃度65%～70%。膠結充填時,不僅充填體強度要達到采礦工藝對充填體的強度要求,而且還要使其充填參數與充填系統相適應。因此,根據室內試驗結果,在充填體強度分別達到 4.0,2.0,0.5 MPa的條件下,推薦采用的充填配比參數見表4。

表4 膠結充填配比參數

3.2 采場膠結充填工藝

(1)井下充填管路。井下尾砂充填系統采用自然壓差管道自流輸送系統。充填鉆孔從地表充填制備站一直下至-620 m中段,之后通過階段運輸平巷和穿脈通往各個采場。鉆孔內專用永久性的充填管道用Φ4″厚壁鋼管;各中段平巷內采用Φ4″增強塑料管;各充填穿脈及充填天井、采場內則采用Φ4″普通塑料管。井下充填管路的充填倍線為 2.5～6。

(2)井下充填參數。無礦柱梯段式連續回采充填采礦法要求鋼筋尾砂膠結體的充填體強度≥4 MPa,尾膠鋪面的充填體強度≥2 MPa,一般充填體強度≥0.5 MPa。因此,根據室內試驗結果,結合采礦工藝對膠結充填體強度的要求和地表充填制備系統情況,確定的井下充填參數為:充填能力:80～100 m3/h;充填重量濃度:65%～68%;灰砂比:1∶(4～20)。

(3)采場充填作業。采場出礦結束后,立即開始充填前的準備工作。首先架設順路泄水井和擋墻,鋪設充填管路。準備工作結束后,通知地表充填制備站進行充填。采場充填時,先下清水引流,當井下見到清水后,電話通知地表充填制備站下料。充填開始后,充填料漿濃度會慢慢升高,約 5～15 min后便穩定在充填指令要求的范圍內,直至充填結束。充填結束時,必須用清水沖洗管道,防止管道內料漿沉積堵塞管道。充填前后的引流水和沖洗水不能進入采場,要將其通過三通閥排至水溝內,以免降低整個采場內充填料漿的濃度。

充填時,采場內必須派專人觀察充填情況,若發現跑漿事故,須及時停止充填,并作堵漏處理。當充填液面達到設計充填標高時通知地表充填制備站結束充填作業。

普通尾砂膠結充填結束后,進行 7 d養護,然后方可轉入下一分層的回采工作。

4 結 論

(1)針對招遠地區蝕變巖型金礦床特征而提出的無礦柱梯段式連續回采充填采礦法,能夠適應蝕變巖型金礦床的開采技術條件,是一種經濟、高效、安全的采礦方法,具有采用下盤斜坡道脈外溜礦井采準系統,礦房向上傾斜布置,無礦柱梯段式連續回采,長錨索與短錨桿及控制爆破聯合護頂,低強度膠結充填等特點,充分體現了該方案的先進性、新穎性和合理性,在國內外尚無先例。

(2)需要進一步改進和完善的是:應加大采場分層高度,減少采充循環次數,進一步提高生產能力。在試驗過程中,由于受階段高度的限制,劃分的分層高度為 2.5 m,使采場的回采、充填作業變換頻繁,采充循環次數多,降低了礦塊的綜合生產能力。如果在長錨索與短錨桿及控制爆破聯合護頂技術達到設計要求的前提下,分段高度可以增加到 4 m,采場綜合生產能力預計可比目前增大 30%～50%。

(3)采場充填應采用高水速凝充填。高水速凝膠結材料,是 20世紀 90年代初新發明的一種膠結充填材料,能夠實現不脫水尾砂膠結充填,形成含有高結晶水和吸附水的人工石,具有速凝、早強的特點,可縮短充填養護時間。

[1] 付士新,左宏偉,邵珠江,等.鏟運機在蠶莊金礦采場中的應用[J].采礦技術,2001,1(3):40～41.

[2] 周羅中,魯洪軍,張永林,等.傾斜復雜中厚礦體的連續采礦技術研究[J].采礦技術,2007,7(3):1～3.

[3] 李雪明.大紅山鐵礦采礦新模式管理初析 [J].采礦技術,2008,8(4):146～147.

[4] 尹升華,吳愛祥.緩傾斜中厚礦體采礦方法現狀及發展趨勢[J].金屬礦山,2007,(12):10～13.

[5] 解世俊.金屬礦床地下開采 [M].北京:冶金工業出版社,2007.

[6] 蠶莊金礦.招遠地區蝕變巖型金礦床強化開采技術研究[R].山東省招遠市:山東招金集團蠶莊金礦,2004.

2009-08-07)

周英芳(1963-),男,山東招遠人,工程師,主要研究采礦工程技術與安全生產管理,Email:ytliuning@163.com。