某釩鐵礦山礦石高回采率實施方案研究

譚　偉，蘇先鋒，黃明清

(北京金誠信礦山技術研究院有限公司，　北京　101500)

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某釩鐵礦山礦石高回采率實施方案研究

譚偉，蘇先鋒，黃明清

(北京金誠信礦山技術研究院有限公司，北京101500)

以甘肅某釩鐵礦山為研究對象，釩礦處于鐵礦開采的上盤移動帶范圍，針對釩礦暫時不開采，以及采空區暴露面積大等因素影響，提出了“采鐵保釩”的開采方案，東西區采用分段空場嗣后充填膏體微膠結充填采礦法，中區采用空段空場轉崩落法開采。通過理論計算得到礦柱的安全系數滿足穩定性要求，優化開采方案后與原方案相比，東、西區回采率增加了12%；中區回采率增加了21%，預計產生經濟效益達24.975億元。

回采率；采礦方法；礦柱穩定性；經濟效益

1　工程概況

甘肅某釩鐵礦山擁有釩礦和鐵礦兩種資源，由于市場原因，目前礦山只開采鐵礦，釩礦未進行開采。釩鐵礦均為近東西走向，釩礦體位于鐵礦體北面，走向長度4200 m，地表露頭明顯。釩礦體處于鐵礦體上盤，與鐵礦體呈近平行層狀產出，釩礦下盤至同中段鐵礦上盤的水平距離相距60～190 m。上盤釩礦處于下盤鐵礦開采的地表移動帶范圍內，因此，下盤鐵礦開采的同時需考慮釩礦將來開采的可行性。

鐵礦主礦體為連續穩定的層狀礦體，礦體沿走向分布在7#～21#線及其西部分，長度3200 m，礦體走向近東西向，傾向北，傾角28°～66°。礦體厚度4.6～29.4 m，局部超過60 m，平均真厚度12.35 m。

鐵礦目前采用分段空場法進行開采，中段高為65 m，礦塊沿走向50 m，間柱8 m，頂柱7～8 m。地表平均標高為2400 m，2280 m中段以上已開采完畢，并且形成了大量連續的采空區，空區體積達278.91萬m3；2215 m中段為主要生產中段。向下繼續開采，采空區體積將進一步加大，為維護采場穩定需保留更多的礦柱，嚴重制約了鐵礦體的可持續回采，增加了礦石的損失，同時也無法為將來釩礦開采提供條件。為此，需研究新的開采方案，以提高礦石回采率和維護采場穩定。

2　礦體開采方案優化

針對釩礦暫時不開采，以及釩、鐵礦體位置關系，提出采用“采鐵保釩”的開采方案。對鐵礦采取分區不同的開采方法，7#～10E#線(東區)和13#～21#線(西區)礦體相對較薄，為10～20 m，采用分段空場嗣后膏體微膠結充填采礦法；10E#～13#線(中區)礦體較厚大，為15～30 m，采用分段空場法轉崩落法的分步驟開采方法。

2.1開采方案

東、西區鐵礦優先開采，礦房開采完后采用膏體微膠結的方式進行嗣后充填[1￣3]，以控制地壓。沿礦體走向每隔200～300 m保留一個寬20 m的保安礦柱(如圖1所示)，此礦柱作為釩礦的回采通道，待釩礦回采完后，再根據實際情況決定是否回收20 m保安礦柱。

中區以鐵礦開采為主，并且鐵礦優先開采。鐵礦采取分步開采的方式，每個礦塊采取采30 m礦房留30 m礦柱的方式。待30 m礦房開采完后，利用30 m礦柱作為通道對上盤釩礦進行強采強出，以最短的時間、最高的效率，盡可能采出更多的釩礦。上盤釩礦回采完后，再對鐵礦的剩余30 m礦柱進行分2步驟回收，第1步先對礦柱兩側各削7.5 m，第2步采用崩落法回收剩余15 m礦柱，同時利用崩落圍巖處理采空區[4]。

圖1　釩礦回采通道

2.2開采順序

采用“采鐵保釩”的開采方案，需對原鐵礦開采順序進行調整，東、西區由原來的從上往下的順序變為從下往上；中區采用分步驟開采，每步驟均是從上往下的開采順序。鐵礦體從2215～2020 m中段的開采順序如圖2所示，開采效果如圖3所示。

圖2各分區鐵礦開采順序

圖3　各分區鐵礦開采效果

3　礦柱穩定性分析

針對不同分區鐵礦體開采方案，采用理論分析的方法分別對東、西區和中區礦柱進行穩定性計算。東、西區礦塊沿走向為50 m，其中礦房42 m，礦柱8 m；中區礦塊沿走向為60 m，其中礦房30 m、礦柱為30 m(分2步驟開采)。

規劃開采中段為2020，2085，2150 m三個中段，中段高65 m。

3.1中區礦柱穩定性

中區鐵礦體礦柱1步驟開采后，留下沿走向長L=15 m、寬(礦體厚度)b=15～30 m、高H=195 m的礦柱。此礦柱需在中區3個中段均回采完后方能回收，因此，此礦柱的穩定性決定了采場的安全生產。礦柱穩定性主要是由礦柱強度以及礦柱承受的荷載兩個因素決定的[5]。

3.1.1礦柱強度

礦柱的強度受礦柱的長寬比影響很大，該區域礦柱的強度可由式(1)確定。

(1)

式中：σu——礦柱的實際強度，MPa；

σc——巖石單軸抗壓強度，磁鐵礦巖石抗壓強度為185.39 MPa，采用折減后巖體強度55.6 MPa。

從式(1)可以看出，由于礦柱長度為15 m保持不變，則礦柱強度隨礦柱寬度的變化而變化，將礦柱強度與礦柱寬度的變化繪制成曲線(如圖4所示)。

圖4　礦柱強度與礦柱寬度關系曲線

3.1.2礦柱荷載

3.1.2.1礦柱承受荷載面積

礦柱承受載荷的面積要分兩種情況來討論，一種是礦柱長軸垂直走向布置，另一種是礦柱長軸沿走向布置。不同的布置方式，其所承受的載荷面積也不相同。中區鐵礦體開采，礦柱長軸垂直礦體走向布置，其承受載荷面積如圖5所示。礦柱承受的載荷面積為圖5中虛線所示，其可按式(2)來計算。

(2)

式中：S——單根礦柱承受載荷面積，m2；

B——礦房跨度，45 m。

計算得到礦柱承受荷載面積S為900～1800 m2。

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圖5　礦柱垂直走向布置的承載面積平面圖

3.1.2.2礦柱承受荷載

礦柱的支撐應力可按式(3)來計算。

(3)

式中：σp——礦柱承受的壓應力，MPa；

ρ——上覆巖層的平均密度，2.9×103kg/m3；

h——上覆巖層的厚度，245 m。

計算得到σp為26.1 MPa。

3.1.3穩定性計算

當礦柱的截面尺寸增大時，礦柱的強度也必然增大，但是同時礦柱承受的荷載也隨之增大。因此，單憑兩者中的一個難以正確評價礦柱的穩定性。為了更好的評價礦柱的穩定性，將礦柱的實際強度與礦柱承受的垂直應力相比，從而得到礦柱的安全系數，計算公式見式(4)。

(4)

式中：k——礦柱的安全系數。

礦柱長度l為15 m保持不變，寬度b分別取15，20，25，30，35，40，45，50 m，求出各安全系數見表1。

表1　中區不同礦柱寬度對應安全系數

從表1可知，礦柱寬度達到50 m時，即礦房跨度達到50 m時，礦柱的安全系數k=1.3。根據《金屬非金屬礦山安全規程》的要求，當安全系數k>1.1時，礦柱即可基本滿足穩定。由此可知，中區鐵礦體開采，留礦柱長15 m、寬15～30 m時，可維持礦柱的穩定。

3.2東、西區礦柱穩定性

東區和西區采用一樣的開采方案，每次開采一個中段，膏體微膠結充填后再進行下一中段的開采，因此，計算礦柱穩定性時只按一個中段高進行計算。鐵礦開采后，均留下自上而下沿礦體走向8 m長的條形礦柱，礦柱寬為礦體厚度10～20 m，高度為65 m。

礦柱穩定性計算方法參照中區的計算方法。礦柱長度l為8 m保持不變，當礦柱寬度b為10～20 m時，仍滿足l≤b≤0.3H，礦柱強度采用式(1)計算，安全系數采用式(4)計算。

計算礦柱長度l為8 m保持不變，寬度b分別取10，12，14，16，18，20 m，求出各安全系數見表2。

表2　東、西區不同礦柱寬度對應安全系數

從表2可知，當礦柱寬度達到20 m時，即礦房跨度達到20 m時，礦柱安全系數最小為1.2，因此，留8 m礦柱可維持穩定。

4　回采效益

鐵礦新開采方案與原方案相比，東、西區各中段間將不保留水平礦柱，中區水平礦柱和間柱則是全部進行回收，從而極大的增加了礦石回采率。其中東、西區回采率由原來的70%增加到82%，增加了12%；中區回采率由原來的70%增加到91%，增加了21%。

從7#～21#線2020～2150 m三個中段整體來看，東、西區增加回采鐵礦石量為323萬t，中區增加回采鐵礦石量為232萬t，共計增加回采鐵礦石量為555萬t。按450元/t計算，回采鐵礦石的經濟效益可增加24.975億元。

5　結　論

(1) 根據甘肅某釩鐵礦山釩礦和鐵礦的開采現狀，釩礦暫時未開采并處于下盤鐵礦開采的地表移動帶范圍內，鐵礦體2280 m以上中段已形成采空區體積達278.91萬m3，提出了“采鐵保釩”的開采方案。鐵礦采用分區不同開采方案，東、西區采用分段空場嗣后膏體微膠結充填采礦法，并且沿走向每隔200～300 m保留20 m礦柱作為釩礦回采通道；中區采取分段空場法轉崩落法的分步開采方式，每個礦塊采取采30 m礦房留30 m礦柱的方式，30 m礦柱作為釩礦回采通道。

(2) 通過對各分區不同開采方案礦柱穩定性進行理論分析得到，中區礦柱寬度達到50 m時，即礦房跨度達到50 m時，礦柱的安全系數為1.3；東、西區礦柱寬度達到20 m時，即礦房跨度達到20 m時，礦柱安全系數最小為1.2。根據礦體厚度為4.6～29.4 m可知，礦柱可達到穩定性要求。

(3) 鐵礦優化后開采方案與原方案相比，東、西區回采率增加了12%；中區回采率增加了21%，預計產生經濟效益達24.975億元。

[1]汪海萍，宋衛東，張興才，等.大冶鐵礦分段鑿巖階段空場嗣后膠結充填法工程實踐[J].礦業研究與開發，2015，35(5)：26￣29.

[2]楊志強，高謙，王永前，等.金川全尾砂-棒磨砂混合充填料膠砂強度與料漿流變特性研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33(Z2)：3985￣3991.

[3]曹帥，宋衛東，薛改利，等.考慮分層特性的尾砂膠結充填體強度折減試驗研究[J].巖土力學，2015，36(10)：2869￣2876.

[4]張寶，李向東，周益龍，等.復雜采空區群處理及隱患資源回收綜合技術[J].礦業研究與開發，2014，34(4)：16￣20.[5]宋衛東，曹帥，付建新，等.礦柱穩定性影響因素敏感性分析及其應用研究[J].巖土力學，2014，35(Z1)：271￣277.

2016￣06￣03)

譚偉(1986-)，男，江西贛州人，碩士，主要從事巖石力學測試與工程穩定性分析方面的研究，Email:tanweitw86@sina.com。