謙比希銅礦薄礦體采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

萬(wàn)孝衡 林衛(wèi)星 歐任澤 周禮

摘要：謙比希銅礦N1礦體產(chǎn)狀較平緩，厚度薄，采用房柱采礦法回采。為安全經(jīng)濟(jì)回采該礦體，對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：一步驟采場(chǎng)寬度8?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均為5.0?m，礦柱間距3?m。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：該采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下試驗(yàn)采場(chǎng)回采安全系數(shù)為1.15，回采過(guò)程中礦體安全穩(wěn)定，未發(fā)生采空區(qū)垮塌等安全生產(chǎn)事故，礦石貧化率為10.50?%，礦石回采率為74.80?%，提高了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：薄礦體;房柱采礦法;采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);安全經(jīng)濟(jì);礦石回采率

中圖分類號(hào)：TD853.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）02-0048-04doi：10.11792/hj20210209

礦山資源開采時(shí)，為了安全經(jīng)濟(jì)回采緩傾斜薄礦體，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇至關(guān)重要，相關(guān)學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量研究。康虔等[1]將變權(quán)重理論引入到采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案評(píng)價(jià)中，通過(guò)建立變權(quán)重—理想點(diǎn)模型對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。歐任澤等[2-3]運(yùn)用3D-σ有限元分析軟件對(duì)礦山可能采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案，在不同埋藏深度時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。對(duì)于有色金屬礦山而言，礦體賦存條件的差異化導(dǎo)致礦山開采技術(shù)條件不盡相同，根據(jù)特定礦山的特定開采技術(shù)條件，采用不同的分析方法從不同的角度考慮確定最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是十分必要的。

1?工程概況

謙比希銅礦東南礦體位于非洲贊比亞銅帶省，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力330萬(wàn)t，礦體走向北西，傾向北東，走向長(zhǎng)2?700?m，傾向?qū)?69～1?237?m，礦體厚5～25?m，傾角5°～20°，Cu平均品位1.88?%，埋深在地表下469～1?242?m。

東南礦體分為南北2個(gè)區(qū)域，北采區(qū)980?m中段4#～6#探礦穿脈間有一個(gè)長(zhǎng)約350?m、寬約130?m的N1礦體。N1礦體產(chǎn)狀較平緩，礦體傾角10°以內(nèi)，礦體厚度3～6?m，礦體上下盤圍巖穩(wěn)固。由于N1礦體產(chǎn)狀平緩，厚度3～6?m，擬采用房柱采礦法回采。N1礦體分兩步驟回采：一步驟采場(chǎng)參數(shù)為寬7～9?m，高4～6?m，長(zhǎng)80～90?m;二步驟采場(chǎng)參數(shù)為寬4～5?m，高4～6?m，長(zhǎng)80～90?m。首先回采一步驟采場(chǎng)，然后回采二步驟采場(chǎng)，最終形成4?m×4?m或5?m×5?m的規(guī)則點(diǎn)柱。為了安全經(jīng)濟(jì)回采N1礦體，選用理論計(jì)算方法對(duì)可能采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從安全經(jīng)濟(jì)方面定量評(píng)價(jià)并選出最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，在N1礦體北采區(qū)980?m中段980-W1采場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，取得了較好的效果。

2?巖石物理力學(xué)參數(shù)

N1礦體的頂板圍巖為石英巖，單軸抗壓強(qiáng)度為98.23?MPa，RQD值96?%，巖體質(zhì)量中等。N1礦體巖性為黃鐵礦化砂質(zhì)板巖，單軸抗壓強(qiáng)度為125.29?MPa，RQD值95?%，巖體質(zhì)量中等。底板圍巖為石英巖、礫巖，平均單軸抗壓強(qiáng)度為97.65?MPa，RQD值95?%，巖體質(zhì)量中等。N1礦體圍巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3?采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)評(píng)價(jià)原則

3.1?安全原則

N1礦體房柱采礦法開采采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括礦房寬度、礦柱長(zhǎng)度、礦柱寬度和間距等[4]。首先應(yīng)保證采場(chǎng)在回采期間安全穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生采空區(qū)垮塌等安全生產(chǎn)事故，不會(huì)給工人和設(shè)備造成傷害和損害。

為研究礦柱的穩(wěn)定性，需解決作用于礦柱的載荷、礦柱強(qiáng)度等問(wèn)題。本文選用Bieniawski礦柱強(qiáng)度理論對(duì)礦柱強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算[5]：

ps=σc0.64+0.36bphα（1）

式中：ps為礦柱能夠承受的最大壓力（MPa）;σc為礦體單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）;bp為礦柱寬度（m）;h為礦柱高度（m）;α為方程冪指數(shù)，其取值依據(jù)為礦柱高度和寬度的關(guān)系，當(dāng)?shù)V柱寬度小于5倍的礦柱高度時(shí)取1.0，當(dāng)?shù)V柱寬度大于5倍的礦柱高度時(shí)取1.4。

礦柱尺寸由其抗壓強(qiáng)度確定。根據(jù)面積承載力理論，假設(shè)上覆巖層的重力按面積均勻分布，礦柱支撐其上覆巖層的重力，該礦柱承載范圍的底面積為礦柱分?jǐn)偟拈_采面積與礦柱自身面積之和[6-8]（見圖1）。

對(duì)作用于礦柱上的載荷問(wèn)題，為正確估算礦柱所受的載荷，采用礦柱的面積承載理論進(jìn)行計(jì)算，因此矩形礦柱的平均應(yīng)力（σp）為：

式中：γ為上覆巖層的容重（N/m3）;δ為上覆巖層厚度（m）;lp、bp分別為礦柱的長(zhǎng)度和寬度（m）;l0、b0分別為礦柱間隔的長(zhǎng)度和寬度（m）。

由作用于礦柱的載荷、礦柱強(qiáng)度得到礦柱的安全系數(shù)（K）為：

K=psσp=σc0.64+0.36bphαγδ1+b0bp1+l0lp（3）

由于謙比希銅礦東南礦體北采區(qū)采場(chǎng)埋深為980?m，為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性選取最大埋深980?m作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，上覆圍巖的密度為2?711?kg/m3，則容重為27?110?N/m3。

3.2?經(jīng)濟(jì)原則

采場(chǎng)內(nèi)礦柱分布見圖2。確定合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅要保證回采期間工作的安全，也應(yīng)考慮礦石的最大回采率，從而提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于薄礦體來(lái)說(shuō)礦石回采率是一個(gè)重要指標(biāo)。

礦房寬度和礦柱尺寸的不同組合對(duì)應(yīng)的礦石回采率不同。利用式（4）計(jì)算在極限寬度條件下，單元內(nèi)礦石回采率（ε）為：

4?優(yōu)化結(jié)果及分析

4.1?最優(yōu)方案選擇

根據(jù)N1礦體的賦存特征、開采技術(shù)條件和類似礦山經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同的一步驟采場(chǎng)寬度、礦柱寬度和長(zhǎng)度、礦柱間距參數(shù)，采用正交試驗(yàn)確定N1礦體可采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案，見表2。

采用某計(jì)算軟件對(duì)N1礦體可采用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合處理，得到的擬合曲線見圖3～5。由圖3～5可知：在相同的礦柱尺寸下，礦柱間距越大，礦石回采率越大，但礦柱安全系數(shù)越小。在不同的礦柱間距下，礦柱的安全系數(shù)和礦石回采率是2個(gè)線型相關(guān)的函數(shù)，這2條曲線之間存在一個(gè)交點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的礦柱間距就是最佳礦柱間距。當(dāng)?shù)V柱尺寸分別為4.0?m、4.5?m、5.0?m、5.5?m和6.0?m時(shí)，計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)礦柱間距、安全系數(shù)和礦石回采率見表3。

在工程設(shè)計(jì)中，一般所選的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)安全系數(shù)應(yīng)大于1.15。由表3可知：當(dāng)一步驟采場(chǎng)寬度為7?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m時(shí)，礦柱間距應(yīng)大于2.93?m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.24，礦石回采率為73.73?%;當(dāng)一步驟采場(chǎng)寬度為8?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m時(shí)，礦柱間距應(yīng)大于2.92?m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.15，礦石回采率為75.72?%;當(dāng)一步驟采場(chǎng)寬度為9?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m時(shí)，礦柱間距應(yīng)大于2.41?m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.14，礦石回采率為75.90?%。因此，最終選擇的最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：一步驟采場(chǎng)寬度8?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m，礦柱間距3?m。

4.2?應(yīng)用效果

在生產(chǎn)實(shí)踐中，礦山針對(duì)N1礦體北采區(qū)980?m中段布置采場(chǎng)，首采980-W1采場(chǎng)采用房柱采礦法開采時(shí)，選用的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為一步驟采場(chǎng)寬度8?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均為5.0?m，礦柱間距3?m。在采用該采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行回采過(guò)程中取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。該采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下安全系數(shù)達(dá)到不小于1.15的要求，礦石回采率在考慮安全條件下達(dá)到了最大，同時(shí)該采場(chǎng)回采過(guò)程中采空區(qū)無(wú)垮塌冒頂事故，頂板和兩幫礦巖穩(wěn)固，給礦山節(jié)省了安全費(fèi)用投入，實(shí)現(xiàn)了礦石回采率最大化，該采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以給同類礦山開采提供借鑒。

5?結(jié)?論

1）從安全經(jīng)濟(jì)方面得出最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)具有可靠性。在相同的礦柱尺寸下，礦柱間距越大，

礦石回采率越大，但安全系數(shù)越小。在不同的礦柱間距下，安全系數(shù)和礦石回采率是2個(gè)線型相關(guān)的函數(shù)，這2條曲線之間存在一個(gè)交點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的礦柱間距就是最佳礦柱間距。

2）在N1礦體賦存條件下，當(dāng)一步驟采場(chǎng)寬度為7?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m時(shí)，礦柱間距應(yīng)大于2.93?m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.24，礦石回采率為73.73?%;當(dāng)一步驟采場(chǎng)寬度為8?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m時(shí)，礦柱間距應(yīng)大于2.92?m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.15，礦石回采率為75.72?%;當(dāng)一步驟采場(chǎng)寬度為9?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m時(shí)，礦柱間距應(yīng)大于2.41?m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.14，礦石回采率為75.90?%。

3）在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)中選取最優(yōu)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：一步驟采場(chǎng)寬度8?m，礦柱寬度和長(zhǎng)度均取5.0?m，礦柱間距3?m。采用該參數(shù)回采，礦石回采率在考慮安全條件下達(dá)到了最大，無(wú)垮塌冒頂情況發(fā)生，采場(chǎng)穩(wěn)定性好，給礦山節(jié)省了安全費(fèi)用投入，實(shí)現(xiàn)了礦石回采率最大化。

4）在回采過(guò)程中，可在礦柱上布置一系列地壓或位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦柱的穩(wěn)定性，進(jìn)一步為礦山的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

[參?考?文?獻(xiàn)]

[1]?康虔，張欽禮，張楚旋，等.理想點(diǎn)法在采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2018，26（1）：25-30.

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