深井厚大礦體大段高回采方案探討

張愛民,劉育明,李 真,馮喜龍

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.本溪龍新礦業有限公司,遼寧 本溪 117000)

1 前言

隨著我國淺部礦產資源日益減少以及采掘設備的大型化,礦產資源的開采逐漸向深部和大規模兩個方向發展[1-3]。針對厚大礦體,往往優先采用能發揮鑿巖、出礦等設備高效率的大直徑深孔空場嗣后充填法進行開采,盤區生產能力達到1 500～2 500 t/d,且不少礦山為了進一步降低采準工程,減少底部礦柱的損失,采用高段高的大尺寸采場結構,如草樓鐵礦采場回采高度由60 m 提高到了105 m,盤區能力為2 000 t/d[4];羅河鐵礦采用垂直深孔高分段空場嗣后充填法,采場高度達85 m,采用LH514E 型電動鏟運機,平均采場生產能力為745 t/d[5]。紫金山金銅礦一步驟礦房高度達到100 m[6];安慶銅礦深部礦體回采階段高度120 m,實行分段鑿巖,分段高度60 m,嗣后一次性充填[7]。

本文以思山嶺鐵礦為研究對象,在選定大直徑深孔空場嗣后充填法的基礎上,進一步探索采場大段高回采的技術經濟可行性,通對120 m 大段高和60 m 段高進行詳細技術經濟對比分析,探尋深井厚大礦體高效安全開采的技術難題。

2 開采技術條件

思山嶺鐵礦位于遼寧本溪東南郊16 km,礦體屬隱伏盲礦床,蓋層厚度404 m～1 445 m,礦體埋藏深度404～1 934 m,賦礦標高-134～-1 713 m。礦體總資源量24 億t,礦體東西沿長1 500 m,南北平均寬度960 m,首采中段內礦體水平厚度達到850 m。結合礦體的賦存特點和開采技術條件,設計生產規模為1 500 萬t/a,采用主、副井開拓系統,采用盤區式大直徑深孔空場嗣后充填法開采,礦山一期工程服務年限為40年。

區內巖性較簡單,巖石較完整,礦區揭露的主要地層為泥灰巖、石英巖、綠泥石英片巖、閃長玢巖、綠泥石英片巖、磁鐵石英巖,赤鐵石英巖,近地表風化作用強烈,局部到120～200 m 為微風化,下部的巖石完整而堅硬,巖石質量為好的至極好的,巖體較完整到完整。

礦床充水來源是弱富水性的基巖裂隙水;礦床頂板基巖風化帶裂隙水是礦床間接充水含水層,對礦床充水影響較小;地表水三道河、后塔溝與礦床不發生直接水力聯系,對礦床充水影響較小;礦床內的構造破碎帶富水性、透水性均較差,對礦床充水影響不大。

礦體賦存于磁鐵石英巖與赤鐵石英巖中,由于埋藏較深,其頂板較完整,穩定性較好。礦區應力場以水平應力為主導,最大主應力方向為近NEE 向,平均方向為67.83°,主應力差值為7.54 MPa,礦區巖體不穩定程度較大,容易產生巖石變形和破壞。巖石力學參數見表1。

表1 巖石參數表

根據中國地質科學院提供的《水壓致裂地應力測量分析報告》回歸公式可以推導出井下不同中段回采的地應力大小,具體見表2。

表2 地應力參數表

根據國內外業內常用的深井巖爆判據,推測出思山嶺鐵礦在開采過程中,尤其是開采至-870～-1 020 m 水平時,存在巖爆發生的傾向;同時,根據現場井下開拓工程施工顯示,在深部- 960 m、-1 020 m 中段均有不同程度的巖爆現象發生。

3 深井大段高回采技術方案

3.1 盤區式回采布置

將礦體劃分為盤區,以盤區為回采單元組織生產。盤區寬200 m,長為礦體厚度。盤區內按礦塊形式布置,礦塊尺寸為40 m × 40 m,礦塊 高度120 m,設兩鑿巖中段,中段段高60 m,具體如圖1所示。當礦塊高度60 m 時,其盤區布置如圖2所示。

圖1 120 m 段高采場布置圖

圖2 60 m 段高采場布置圖

根據礦山生產能力的要求和礦塊所能達到的生產能力,單中段需要同時回采3 個盤區,每個盤區同時回采4 個礦塊,回采順序為從礦體的中間部位向兩側推進,從中間盤區向兩翼盤區推進。

3.2 采場充填配比

根據計算,充填體要保證自立120 m 高度,充填體內聚力至少為0.2 MPa,抗壓強度1.5 MPa,結合同類礦山充填體強度現場數據,經換算平均綜合灰砂比不低于1∶7.9;考慮采場內采用分層充填,多種配比交叉充填可有效降低綜合灰砂比,減少水泥用量。120 m 段高采場和60 m 段高采場分別可按照圖3和圖4所示比例進行分層充填。

圖3 120 m 高采場分層充填配比

圖4 60 m 高采場分層充填配比

其中,考慮-1 020 m 出礦水平要作為下中段鑿巖中段,底部需要提高強度,故采用1 ∶4 的充填配比,同樣,-900 m 鑿巖水平將作為上一個中段的出礦水平,故也需要適當提高充填體強度。通過計算,確定120 m 采場綜合灰砂比為1∶9.5。

若采場為60 m 高度時,采場底部8～10 m 采用1∶10 的充填配比,上部采用1∶15 的充填配比,則綜合灰砂比為1∶13.2。通過對比可知,當中段高度為120 m 時,充填所需膠凝材料消耗量將會增加28%,其對應的單位充填體所需的膠凝材料成本由6.74 元/t礦將增加到8.63 元/t礦。

3.3 采場穩定性研究

國內外常用Mathews 穩定圖方法來判斷空區的穩定性,此方法是一種相對簡單且基于實踐的巖石分類系統,本文采用Mathews 穩定性圖表法對兩方案進行采空區穩定性分析。

穩定性系數代表巖體在給定應力條件下維持穩定的能力,其計算方法為

N=Q＇ABC

式中,N為Mathews 穩定性系數;Q＇為修正的Q值;Q為巖體質量。

A 為巖石應力系數,由完整巖石單軸抗壓強度UCS 與采場中線采礦產生的壓應力之比加以計算。A 可采用彈性有限元分析軟件獲得,也可參考已發表的應力分布圖進行估算。

若σc/σi＜2,A=0.1;

若2＜σc/σi＜10,A = 0.112 5 × (σc/σi)-0.125,若σc/σi＞10,A=1;

B 為節理方位系數,采場面傾角與主要節理組的傾角之差的度量;

C 為重力調整系數,反映了采場面產狀對采場礦巖穩定性的影響因子,C =8-7cosα,α為內摩擦角。

根據分析:

(1)當采場段高H=60 m 時,頂板水力半徑R=10 m,若采場保證穩定,則穩定性指數N＞40;側壁水力半徑R=12 m,則N＞50。

(2)當采場段高H=120 m 時,頂板水力半徑R=10 m,若采場保證穩定,則穩定性指數N＞40;側壁水力半徑R=15 m,則N＞100。

建議建立留學校友會，一方面可以強化出國留學的校友聯系與管理，打通已出國學生和將出國學生的信息交流渠道，作為朋輩職業生涯輔導的一種形式；另一方面還能強化在國外的畢業生之間的聯系，讓他們在國外也能找到母校校友，資源共享，有困難時相互幫助。

由此可見采場越高,采場側壁的水力半徑R越大,對巖體穩定性要求越高,120 m 高采場比60 m 高采場的巖體穩定性指數要求高1 倍。

在采場不利節理少,且節理內粗糙、巖面接觸、無水影響情況下,通過計算得出:

若應力折減系數取SRF=2.5 時,則Q=105.6,則計算出不同中段的采場側壁N=134～195.2＞100,初步判定120 m 段高采場穩定。

若應力折減系數取SRF =5 時,則Q=50.8,則-1 020 m 中段采場巖體穩定性指數N=70.9＜100,說明此時H=120 m 不穩定。

故判定是否適合大段高開采取決于巖體揭露實際情況和應力變化環境,即受應力折減系數SRF 值變化較大。圖5所示為Mathews 穩定性圖表法。

圖5 Mathews 穩定性圖表法

-1 020 m 首采中段距地表1200 m,最大主應力48.9 MPa,σc/σ1=2.3,σt/σ1=0.15,查表可知,SRF=5～10。通過對比表明,此工況下采場不具備120 m 段高的開采條件。故建議設計依然按60 m 段高考慮,后期生產過程中,可根據巖體揭露情況及應力環境分析,尤其是在淺部應力值較小環境下,再考慮采用高階段進行回采的可能。

通過進一步計算,若要采用120 m 大段高,應力折減系數SRF 必須小于等于2.5,則反推可知σc/σ1＞5,即σ1＜0.25σc= 0.25 × 145.45 MPa=29.1 MPa,即-780 m 中段以上具有120 m 大段高回采的可能。

3.4 中段生產能力驗證

從各中段可采礦量來驗算120 m 中段生產能力,結果見表3,各中段下降速度約為12.11～22.87 m,其中-780 m 以上中段下降速度過快,不能滿足單中段開采1 500 萬t/年的要求。其余單中段要達到1 500 萬t/年生產規模,至少需要14～15個礦塊同時作業,即3 個盤區,單個盤區4～6 個礦塊同時作業。

表3 按120 m 中段生產能力驗算表

4 不同段高采場綜合對比分析

當采用120 m 單中段1 500 萬t/年開采時,根據作業面需風量計算,礦山總風量為1 120 m3/s,主要生產中段包括- 900 m、- 1 020 m 中段,其中-1 020 m 出礦中段由于風量增大,其斷面由5.1 m×4.6 m(寬×高)增大至5.5 m ×5.0 m(寬×高),- 1 060 m 有軌中段斷面由3.6 m × 3.5 m(寬×高)增大至4.4 m ×4.0 m(寬×高)。由此計算兩方案可比工程量見表4。

表4 可比工程量表

通過對比,120 m 大段高開采比60 m 段高開采可節省15.4 萬m3工程量。同時根據工程量和設備的對比,分別計算60 m 段高方案可比投資為75 949萬元,120 m 大段高方案可比投資為65 750 萬元,120 m 段高開采基建投資減少10 199 萬元。

考慮到60 m 段高單中段達到1 500 萬t/年的可能性,將低中段開采方案(方案1)進行細化。同時考慮方案2,高中段開采可能存在一步礦房120 m、二步礦柱60 m 的可能,此可降低一步礦房充填體膠凝材料消耗,礦柱回采時有利于控制貧化率,故將方案2 細化為2a 方案和2b 方案。

方案一:60 m 段高開采方案:

(1)1a 方案:上采區500 萬t/年+下采區1 000萬t/年。

(2)1b 方案:前期開采下采區1 000 萬t/年,后期增加至1 500 萬t/年。

(3)1C 方案:單采區達到1 500 萬t/年。

方案二:120 m 大段高開采方案:

(1)2a 方案:單采區達到1 500 萬t/年,礦房和礦柱均為120 m 段高開采,貧化12%,適當增加充填成本。

(2)2b 方案:單采區達到1 500 萬t/年,一步礦房120 m 段高開采,二步礦柱60 m 段高回采,貧化7%。

對上述方案進行投資和效益進行測算可知,1b方案(前期僅下采區進行開采,形成1 000 萬t/年)雖投資最省,約4 億,但是資本金凈利潤率(凈利潤/資本金)最高,同時由于考慮固定資產的前期折舊,故后期達產年成本相對較低,但初期生產成本較高,為142.2 元/t原礦,折算至精礦為404.5 元/t精礦,綜合內部收益率和凈現值最低,效益最差。

與60 m 段高開采(1a 方案)相比,120 m 大段高開采方案(2a 或2b 方案)雖然基建期投資可省10 199 萬元,同時由于-900 m 水平無法保證1 500萬t/年的生產能力,必須讓-1 140 m 深部中段提前投入生產,故必須在第7年增加深部開拓工程,最終導致成本費用的增加,投資回收期增長1年,內部收益率減少。

通過最終比較,1c 方案為單采區達到1 500 萬t/年,效益最好,財務內部收益率和凈現值最高,但由于采至上中段,礦量縮減較快,穩產時間短,深部接續中段將投入較早,不利于礦山的穩定生產,管理不便。

各方案優缺點綜合對比分析見表5。

表5 各方案優缺點對比表

5 結論

綜上分析,可以得出以下結論:

(1)從采場穩定性方面分析,120 m 大段高采場比60 m 段高采場的巖體穩定性指數要求高1 倍,且巖體穩定性指數受應力折減系數SRF 值變化較大,考慮首采中段較深,地應力較大,通過穩定性分析,-1 020 m 首采中段采場不太具備120 m 大段高的開采技術條件。

(2)通過各方案綜合對比分析,60 m 段高單中段達到1 500 萬t/年(1c 方案)相比于120 m 大段高開采,雖底部切割清底工作量較大,但具有投資最省(除1b 方案外)、內部收益率和凈現值高、投資回收期短等優勢,且具有充填強度要求低、空區穩定性較好、采場便于生產組織。

此外,結合思山嶺鐵礦采用40 m×40 m 的方形采場結構,60 m 段高更加有利于中段間形成“品字形”或“金字塔形”回采順序,故綜合各因素,最終推薦思山嶺鐵礦首采-1 020 m 中段采用60 m 段高進行開采。后期在生產過程中,再結合巖體揭露情況及應力環境變化,可再考慮在淺部(如-780 m 中段以上)采用120 m 大段高回采的可行性。