石頭嘴銅鐵礦礦柱回采研究與實(shí)踐

胡平安

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

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石頭嘴銅鐵礦礦柱回采研究與實(shí)踐

胡平安

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

石頭嘴銅鐵礦礦柱回采面臨系列技術(shù)難題。上向低分段空場嗣后充填采礦法試驗(yàn)研究成功并獲得推廣應(yīng)用是石頭嘴銅鐵礦礦柱回采技術(shù)難題得以解決的關(guān)鍵所在,它為礦山持續(xù)安全、高效、低成本、低損失貧化穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)奠定了可靠基礎(chǔ);三維數(shù)值模擬分析得出石頭嘴銅鐵礦礦柱回采順序宜從上至下、從中央往兩端;先用低分段空場嗣后充填法開采,條件成熟時再過渡到高分段空場嗣后充填法開采;上下中段礦房礦柱應(yīng)對齊;-220 m以上民采空區(qū)水體威脅解除之前,宜先采下部中段礦柱再采上部中段礦柱,或暫只采上部中段礦柱的下分段等結(jié)論,對礦區(qū)宏觀地壓控制、水害防治及安全生產(chǎn)具重要指導(dǎo)作用。

礦柱;回采方法;回采順序;地壓控制

石頭嘴銅鐵礦區(qū)毗鄰大冶湖畔。-200 m標(biāo)高以上民采空區(qū)封堵了相當(dāng)數(shù)量的地下水;-200～-220 m標(biāo)高間留有20 m厚的防水隔離礦柱;-220 m標(biāo)高以下(一期至-420 m標(biāo)高,二期至-800 m標(biāo)高)屬大冶大紅山礦業(yè)有限公司的開采范圍,按二步驟法開采,一步驟礦房采用淺孔留礦嗣后尾砂膠結(jié)充填法開采,二步驟礦柱曾考慮采用上向水平分層法開采,但一直未實(shí)施。鑒于一期開采范圍內(nèi)礦房開采已接近尾聲,礦柱回采試驗(yàn)研究迫在眉睫。

1 礦柱回采難點(diǎn)分析

一期開采范圍內(nèi)共有32個礦柱,其中-270 m中段8個;-320 m中段8個;-370 m中段7個; -420 m中段9個,保有資源量礦石量(111b類) 2 604.545 kt,平均品位:Cu 1.37%;TFe 37.26%。礦柱回采存在以下難點(diǎn):

1.礦體頂盤巖溶發(fā)育、含水豐富的大理巖向北東延伸直插大冶湖底,下盤礦巖接觸帶異常破碎,地面湖泊、農(nóng)田、池塘及鐵路、學(xué)校等工礦企業(yè)眾多,地表不允許陷落。

2.-200 m以上民采空區(qū)封堵了相當(dāng)數(shù)量的地下水,處于頂水作業(yè)環(huán)境下的礦柱回采不能破壞上部20 m厚的防水隔離礦柱。

3.地面帷幕注漿工程已完,礦柱回采不能對該工程產(chǎn)生破壞,否則會引發(fā)突水淹井事故。

4.一步驟礦房開采期間,因某些方面原因?qū)е铝松舷轮卸蔚V房、礦柱位置不對應(yīng),造成了礦柱應(yīng)力集中厲害,地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重。

5.礦房采完后,礦柱承受了較大支撐力,部分出現(xiàn)了剝離脫落不穩(wěn)定跡象,如何使礦柱承受的地壓平穩(wěn)安全有效地轉(zhuǎn)移到礦房充填體上是礦柱回采研究的重點(diǎn)。

6.一步驟礦房充填體強(qiáng)度分布極不均勻,試驗(yàn)取樣測得礦房充填體單軸抗壓強(qiáng)度為0～6.10 MPa。現(xiàn)場揭露顯示:建礦初期開采的礦房采場充填體強(qiáng)度低,后期開采采場充填體強(qiáng)度高;采場上部充填體強(qiáng)度低(有的為純尾砂體),采場底部充填體強(qiáng)度稍高。

7.礦山生產(chǎn)技術(shù)水平低,機(jī)械化程度不高,無礦柱回采經(jīng)驗(yàn),原考慮采用的上向水平分層充填法因與淺孔留礦嗣后充填法一樣,作業(yè)人員需暴露在礦體頂板下,而節(jié)理裂隙發(fā)育的礦體易引發(fā)冒頂、片幫等安全事故的發(fā)生,且上向水平分層充填法存在工序繁雜、成本高、能力小等缺點(diǎn),礦柱回采需尋求一種更安全、高效的回采順序和回采方法。

2 礦柱回采方法研究與實(shí)踐

2.1 一步驟礦房回采方法演變過程

建礦之初,帷幕注漿防治水工程實(shí)施前,考慮到中深孔落礦采礦法會對礦體上盤大理巖造成較大破壞,故一步驟礦房開采采用了預(yù)留5 m厚護(hù)頂?shù)V壁的淺孔留礦嗣后尾砂膠結(jié)充填采礦法;二步驟礦柱回采擬采用預(yù)留5 m厚護(hù)頂?shù)V壁的上向水平分層充填采礦法(未實(shí)施),回采礦量不到總量的50%～55%。

隨著礦房開采深度的增加以及地面帷幕注漿防治水工程的實(shí)施,礦山通過對上盤大理巖的試探性揭露及探水證實(shí):礦區(qū)深部大理巖密實(shí)性好,含、透水性遠(yuǎn)比上部差。在此情況下,礦山及時取消了5 m厚的護(hù)頂?shù)V壁,并將電耙漏斗出礦底部結(jié)構(gòu)改成了WJD-0.75型電動鏟運(yùn)機(jī)出礦的平底塹溝結(jié)構(gòu),底柱高由12.0 m降到了8.0 m,采場出礦能力有了較大提高。

在頂水作業(yè)環(huán)境下,礦山采用淺孔留礦嗣后尾砂膠結(jié)充填法采礦房實(shí)為迫不得已。但生產(chǎn)實(shí)踐表明:該采礦方法生產(chǎn)效率低,礦量積壓多,礦塊回采周期長,同時回采采場數(shù)量多。其次,礦體受到結(jié)構(gòu)面切割,采場內(nèi)經(jīng)常發(fā)生局部掉塊現(xiàn)象,對頂板下作業(yè)人員的安全構(gòu)成了一定威脅,后部分礦房采場改用了分段空場嗣后尾砂膠結(jié)充填采礦法。與淺孔留礦嗣后尾砂膠結(jié)充填采礦法相比,后者生產(chǎn)效率與安全性均有顯著提高。

2.2 二步驟礦柱回采方法試驗(yàn)研究

在頂水作業(yè)環(huán)境(-200 m以上采空區(qū)積水暫未排干)及礦柱承受了較大垂直載荷、兩側(cè)充填體膠結(jié)強(qiáng)度偏低等不利條件下,為尋求一種安全、高效、低成本、低損失、貧化的礦柱回采方法,礦山與設(shè)計(jì)研究單位合作,開展了上向低分段空場嗣后充填采礦法回采礦柱的試驗(yàn)研究工作。上向低分段空場嗣后充填采礦法如圖1所示。

礦柱回采試驗(yàn)采場選擇在-320 m中段11線礦柱(即3211A1與32111房間礦柱),該礦柱附近系礦區(qū)地壓活動始發(fā)地段,代表性強(qiáng)。試驗(yàn)重點(diǎn)研究解決了低強(qiáng)度充填體內(nèi)采準(zhǔn)巷道的掘進(jìn)與支護(hù)方法、中深孔鑿巖爆破參數(shù)的優(yōu)化、爆破動載下低強(qiáng)度充填體穩(wěn)定性研究、采場底部結(jié)構(gòu)與出礦工藝的優(yōu)化選擇等技術(shù)難題。通過單、雙巷鑿巖爆破效果對比試驗(yàn),尤其是在下分段礦體與充填體接觸面間實(shí)行平行孔預(yù)裂爆破(見圖1)時,可見到采場兩側(cè)“礦皮”在自重作用下緩慢跌落,采場兩側(cè)充填體已充分暴露的情況下,充填體能自穩(wěn)站立,表面平整,未出現(xiàn)大面積坍塌,避免了充填體混入礦石而造成較大貧化現(xiàn)象的發(fā)生,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),說明爆破達(dá)到了預(yù)期最佳效果。礦柱回采主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列于表1。

圖1 上向低分段空場嗣后充填采礦法示意圖

表1 礦柱回采主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

上向低分段空場嗣后充填采礦法通過降低回采高度(由45 m高變成2個22.5 m高的分段)達(dá)到了減少兩側(cè)充填體暴露面積、高度及時間的目的,通過先采下分段并及時充填來保護(hù)應(yīng)力相對集中的充填體下半部,順利地實(shí)現(xiàn)了垂直載荷由礦柱向充填體及上下盤圍巖的平穩(wěn)有效轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)了安全、高效、低損失貧化回采礦柱的目的。

該礦柱回采方法試驗(yàn)成功后,在全礦得到了推廣應(yīng)用。

3 礦柱回采順序研究與實(shí)踐

礦柱回采前通過對礦區(qū)工程地質(zhì)與地壓活動的調(diào)查分析、礦巖及充填體物理力學(xué)參數(shù)的測試后,對礦區(qū)礦柱回采順序進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

3.1 數(shù)值分析模型

采用三維有限元分析軟件,按X=280 m(垂直走向),Y=-170～-470 m(豎直方向),Z=400 m (走向)范圍建立三維數(shù)值模型。模型中礦塊垂直走向布置,長40 m,寬12.5 m,高50 m,其中頂柱高5 m,底柱高8 m,傾角85°。單元劃分總數(shù)21 504個,節(jié)點(diǎn)24 453個。采用最大拉應(yīng)力判據(jù)(αT≤[σT]),結(jié)合德魯克-普拉格(Drucker-Prage)屈服準(zhǔn)則(F =αI1+J2-β)確定礦體內(nèi)部應(yīng)力、位移及可能出現(xiàn)的破壞范圍、裂隙帶最大高度等。收斂系數(shù)設(shè)為3%～5%,解方程時用PCCG法(Pre-Conditioned Conjugate Gradient Method)求解,最大重復(fù)次數(shù)30次。三維有限元模型示意圖如圖2所示。

圖2 三維有限元模型示意圖

3.2 數(shù)值分析結(jié)論

1.采取從上向下的中段回采順序,各中段均處于較低的應(yīng)力狀態(tài),對安全高效開采非常有利;相反,若采取從下往上的中段回采順序,在開采初期,采場受力狀態(tài)較差,礦體及上下盤圍巖均處于高應(yīng)力狀態(tài),頂板較易產(chǎn)生冒落,甚至發(fā)生巖崩,危及采場回采安全,故石頭嘴銅鐵礦區(qū)的礦柱回采宜采取從上往下的回采順序。

2.充填礦房開采礦柱時,主要荷載仍由礦柱承擔(dān),礦房充填體只承擔(dān)了較少部分荷載。礦柱開采時,礦房充填體較大范圍內(nèi)產(chǎn)生了塑性區(qū),該塑性區(qū)在水平方向上完全貫通了整個充填體,且礦柱開采所形成的空區(qū)頂部產(chǎn)生了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū),對礦區(qū)-200～-220 m標(biāo)高間隔離礦柱的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。因此,在-220 m以上民采空區(qū)水體威脅解除之前,在礦柱的中段回采順序上,宜考慮先采下部中段礦柱再采上部中段礦柱的上行式回采順序,或暫只采上部中段間柱的下分段。而且,在礦柱回采時,仍應(yīng)加強(qiáng)間柱兩側(cè)充填體的保護(hù),適時監(jiān)測礦區(qū)地壓變化過程,防止過去威脅性地壓活動的再次發(fā)生。

3.通過對-270 m中段從“中央向兩端、從兩端向中央、從一端向另一端”三種不同方案的礦柱回采順序的數(shù)值模擬表明:采取從中央向兩端的礦柱回采順序,大多數(shù)采場處于相對較低的應(yīng)力狀態(tài),對礦柱的回采相對有利;相反,若采取從兩端向中央采場回采順序,則在回采中央采場時,礦體及上、下盤圍巖均處于高應(yīng)力狀態(tài),采場頂柱和上盤圍巖較易產(chǎn)生冒落,甚至于發(fā)生巖崩,從而危及采場回采安全。因此,該中段內(nèi)的礦柱回采宜采取從中央向兩端的回采順序。

4.礦區(qū)上、下中段礦房、礦柱完全對齊時,上覆巖層載荷可以有效地傳遞到深部及上下盤圍巖中,礦區(qū)大多數(shù)采場處于相對較低的應(yīng)力狀態(tài),對下中段礦柱回采也相對有利。相反,若上、下中段礦房、礦柱不完全對齊,則在采場四角(頂、底柱內(nèi))應(yīng)力集中明顯,易引發(fā)剪切破壞,給下中段礦柱的回采帶來極不利影響,故建議石頭嘴銅鐵礦區(qū)礦回采時,采取上下中段礦房、礦柱完全對齊方式進(jìn)行開采較合適。

5.石頭嘴銅鐵礦礦柱回采可采用高分段空場嗣后充填法或低分段空場嗣后充填法兩種回采方法。數(shù)值模擬分析表明:低分段空場嗣后充填法回采對采場穩(wěn)定性較好,上盤圍巖和礦房充填體均處于較低的應(yīng)力狀態(tài),產(chǎn)生的位移也較小。采用高分段空場嗣后充填法回采時,采場穩(wěn)定性明顯降低。為穩(wěn)妥計(jì),石頭嘴銅鐵礦礦柱回采建議先試驗(yàn)低分段空場嗣后充填法,條件成熟時再過渡到高分段空場嗣后充填法。

4 地壓控制技術(shù)研究與實(shí)踐

4.1 礦區(qū)地壓活動調(diào)查分析

石頭嘴銅鐵礦在礦房、礦柱回采過程中發(fā)生了一系列地壓活動,主要體現(xiàn)在:(1)礦柱受壓拉交替作用破壞,部分礦柱支撐能力下降;(2)巷道表面圍巖剝離脫落,斷面加大;(3)穿脈巷道發(fā)生底鼓;(4)采場冒頂,上、下盤圍巖局部崩塌;(5)地壓有從下往上、從中部往兩端發(fā)展的趨勢。

礦區(qū)地壓活動頻繁對礦山開采安全構(gòu)成了威脅。研究表明礦區(qū)地壓活動頻繁主要與以下因素有關(guān):(1)礦區(qū)不良工程地質(zhì)條件是導(dǎo)致地壓活動頻繁的根本原因;(2)應(yīng)力場分布特征(礦區(qū)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主應(yīng)力場)與回采順序不協(xié)調(diào)是礦區(qū)地壓活動頻繁的重要原因;(3)充填與采礦工作不協(xié)調(diào)是地壓活動的主要原因;(4)礦房長度過大(礦體厚大地段)也是造成部分采場地壓活動頻繁的原因之一; (5)礦房、礦柱未對齊(礦區(qū)-320 m、-370 m中段礦房、礦柱因某方面原因造成上、下完全錯位)是造成礦區(qū)地壓活動嚴(yán)重的誘導(dǎo)原因。

4.2 地壓控制措施

地壓活動發(fā)生后,礦山及時調(diào)整了采場回采出礦順序;及時對采空區(qū)進(jìn)行了充填;對已破壞巷道進(jìn)行了噴錨補(bǔ)強(qiáng);建立了較先進(jìn)的遠(yuǎn)程地壓監(jiān)控系統(tǒng),對礦區(qū)地壓活動進(jìn)行了長期監(jiān)測。現(xiàn)階段礦區(qū)地壓活動得到了有效控制,主要體現(xiàn)在:(1)地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重區(qū)段已經(jīng)基本穩(wěn)定,巷道內(nèi)垮冒現(xiàn)象已得到明顯控制,未采礦柱中大的裂縫已經(jīng)停止了發(fā)展;(2)地壓由下往上發(fā)展的趨勢得到了遏制。目前,-270 m、-220 m中段巷道與礦柱基本穩(wěn)定;(3)頂、底柱再沒有出現(xiàn)明顯的滑移跡象,采場穩(wěn)定性得到了有效控制;(4)地壓監(jiān)測系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行,為掌握礦區(qū)地壓活動提供了及時可靠的信息。

5 結(jié) 語

1.上向低分段空場嗣后充填采礦法試驗(yàn)研究成功并獲得推廣應(yīng)用是石頭嘴銅鐵礦礦柱回采技術(shù)難題得以解決的關(guān)鍵所在,它為礦山持續(xù)安全、高效、低成本、低損失、低貧化穩(wěn)產(chǎn)生產(chǎn)奠定了可靠基礎(chǔ)。

2.三維數(shù)值模擬分析得出石頭嘴銅鐵礦礦柱回采順序宜從上至下、從中央往兩端;先用低分段空場嗣后充填法開采,條件成熟時再過渡到高分段空場嗣后充填法開采;上下中段礦房礦柱應(yīng)對齊;-220 m以上民采空區(qū)水體威脅解除之前,宜先采下部中段礦柱再采上部中段礦柱,或暫只采上部中段礦柱的下分段等結(jié)論,對礦區(qū)宏觀地壓控制、水害防治及安全生產(chǎn)具重要指導(dǎo)作用。

3.礦區(qū)地壓活動特征的調(diào)查與分析、系列地壓控制措施的采取,特別是遠(yuǎn)程地壓自動監(jiān)控系統(tǒng)的建立并保持長期平穩(wěn)運(yùn)行為礦區(qū)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供了可靠保證。

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Abstract:The pillar stopng of Shitouzui copper and iron ore faces a seriesof technical problems.The key to solve is the success on the test and application by low sublevel open stoping with subsequent backfilling method,which has laid a reliable foundation for the mine continuous safe,efficient,low cost and low losses depleted stable production; 3D numerical simulation analysis showed that the stoping order should be from top to bottom,from the central to both ends;it uses the low sublevel open stoping with subsequent backfilling first,then transitions to the high when conditions are ripe;the upper and lower middle stoping pillars should be aligned;before the goaf water threat of-220m above relieved,it should adopt the lower middle stope pillars and then the upper one first or the low part of the upper middle pillars only for the moment.The study has played an important guiding role in the mining area pressure control,flood prevention and safety production.

Key words:pillar;stoping method;stoping order;pressure control

Study and Practice of Pillar Stoping of Shitouzui Copper and Iron Ore

HU Ping-an
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

TD853.391+.1

A

1003-5540(2012)02-0001-04

2011-12-26

胡平安(1964-),男,高級工程師,主要從事采礦工程設(shè)計(jì)和安全評價技術(shù)工作。