胡海波,宋嘉棟

(長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

礬山磷礦安全采礦方法優(yōu)化

胡海波,宋嘉棟

(長(zhǎng)沙礦山研究院, 湖南長(zhǎng)沙 410012)

礬山磷礦礦體上覆第四系高承壓水對(duì)井下的安全采礦帶來(lái)了技術(shù)難題,為了盡快并充分回收資源,必須采取安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的采礦方法。分析研究了適用于該條件下的點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法,解決了礦山的安全開采問(wèn)題,給礦山企業(yè)帶來(lái)了重大經(jīng)濟(jì)效益。

高承壓水;點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法;進(jìn)路充填采礦法;回采工藝

礬山磷礦目前主要設(shè)計(jì)回采西區(qū) (0～40勘探線)的Ⅱ和Ⅲ礦體。礦體賦存在礬山雜巖體中,分布在東西長(zhǎng) 1718 m、南北寬 1480 m、標(biāo)高 591～128 m范圍內(nèi),其中Ⅱ礦體厚度為 13.5 m,Ⅲ礦體厚度為 6 m。礦體總體走向北東,兩端分別向北及北西,傾角 40°～25°,平均 30°左右,為向巖體中心緩傾斜的向南突出的月牙彎曲狀或半盆狀的似層狀礦體。Ⅲ礦體位于Ⅱ礦體下盤,之間有 0～7.5 m的夾石。Ⅱ礦體及其頂板礦巖節(jié)理較發(fā)育,硬度系數(shù) f=5～7,穩(wěn)固性為中等穩(wěn)固～不穩(wěn)固。夾石巖性為云斑狀輝石正長(zhǎng)巖,質(zhì)地堅(jiān)硬,硬度系數(shù) f=12,屬于穩(wěn)固巖石。但Ⅲ礦體和底盤處于較軟的黑云母巖中,該類巖石硬度系數(shù) f=2.3～2.8,屬于不穩(wěn)固礦巖。

該區(qū)屬于高水位區(qū),水文地質(zhì)條件中等偏復(fù)雜。從上至下巖層分布為:上覆第四系的全新統(tǒng)砂礫卵石潛水含水層 (Q4)和上更新統(tǒng)黃土礫石承壓含水層 (Q3),上更新統(tǒng)下部 (Q3)雜色亞粘土層和中更新統(tǒng)上部紅色粘土層屬于良好的隔水層,以及中更新統(tǒng)底部含粘性土礫石承壓含水層 (Q2)。地下水位標(biāo)高為 750～745.8 m,承壓水頭達(dá) 150～160 m,其與基巖風(fēng)化帶直接接觸。

1 開采現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 開采現(xiàn)狀

東區(qū)與西區(qū)共用 1套中央主、副井開拓系統(tǒng)與中央對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)。副井為進(jìn)風(fēng)井,兩翼風(fēng)井為回風(fēng)井。主井采用單箕斗提升,井筒于 399,355 m標(biāo)高處開口,負(fù)擔(dān)礦石和廢石的提升任務(wù)。副井采用雙罐籠提升,井筒在 515,470,425,399,355 m處開口,擔(dān)負(fù)人員、設(shè)備、材料的運(yùn)輸工作。東風(fēng)井早已形成,西風(fēng)井正在建設(shè)。目前礦山東區(qū)主要的生產(chǎn)中段為 470,425 m 2個(gè)中段。西區(qū)暫時(shí)還未生產(chǎn)。

1.2 技術(shù)難題

該礦山礦體上覆第四系的全新統(tǒng)砂礫卵石潛水含水層 (Q4)、上更新統(tǒng)黃土礫石承壓含水層 (Q3)以及中更新統(tǒng)底部含粘性土礫石承壓含水層 (Q2)3層含水層,特別是 Q2含水層,地下水位標(biāo)高 750～745.8 m,承壓水頭高,與基巖風(fēng)化帶直接接觸。在Q2含水層與 Q4、Q3含水層之間存在良好的粘土隔水層,使得 3個(gè)含水層分層徑流,互不聯(lián)系。

(1)Q2含水層約 20 m厚,水頭高達(dá) 150～160 m,如果泄入礦坑將對(duì)礦山安全構(gòu)成威脅。再者,Q2含水層為附近居民主要生活用水來(lái)源,也必須保護(hù),不得疏干。

(2)基巖分化帶節(jié)理裂隙發(fā)育,具導(dǎo)水性。

(3)要保護(hù) Q2含水層,必須保證 Q2含水層上部的隔水層和礦體上盤的基巖風(fēng)化帶不被擾動(dòng),防止 Q3和Q4含水層聯(lián)系,Q2含水層通過(guò)基巖風(fēng)化帶導(dǎo)入礦坑。

(4)Ⅲ礦體及底板礦巖不穩(wěn)定,采礦困難。

(5)礦石的價(jià)值低也制約著采礦方法的選擇。

2 點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法

2.1 采礦方法選擇

該礦山原設(shè)計(jì)對(duì)西區(qū)礦體全部采用上向進(jìn)路分層充填采礦法,在地壓控制方面較好,但是該法生產(chǎn)效率較低、成本較高,除非巖體異常破碎、礦體形態(tài)異常復(fù)雜,否則不考慮進(jìn)路采礦法。因此,對(duì)于礦石價(jià)值不高的磷礦必須優(yōu)化選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的采礦方法。根據(jù)開采技術(shù)條件、礦山的開采現(xiàn)狀及磷礦的價(jià)值等因素可選擇的采礦方法有:上向水平分層充填采礦法;點(diǎn)柱式上向水平分層充填法;上向進(jìn)路分層充填法。

(1)上向水平分層充填采礦法優(yōu)點(diǎn)是不留點(diǎn)柱、損失率低。缺點(diǎn)是:不能嚴(yán)格控制地壓,整個(gè)中段回采后將留下大面積的充填體支撐頂板,沒有點(diǎn)柱的支撐,充填體容易因?yàn)榻禹敳缓枚荒苡行Э刂祈敯宄两?從而破壞上盤水資源;采切比大,采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和采準(zhǔn)工程緊密相關(guān),要獲得較小的采切比,就必須加大采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),但礦體節(jié)理裂隙發(fā)育將嚴(yán)重威脅采場(chǎng)安全,所以,必須嚴(yán)格控制采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù);Ⅲ號(hào)礦體屬于軟弱礦體,采用上向水平分層充填法采場(chǎng)跨度大,嚴(yán)重影響Ⅲ號(hào)礦體的安全回采;二步驟回采礦柱在充填體之間回采,僅靠充填體支撐頂板,由于充填體不能像原巖點(diǎn)柱與頂板那樣完整地支撐頂板,因此二步驟回采礦柱時(shí)安全性差。

(2)點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法優(yōu)點(diǎn)是留永久點(diǎn)柱,相當(dāng)于減少了采場(chǎng)頂板的暴露面積,頂板的暴露面積只是各個(gè)點(diǎn)柱分?jǐn)傊蔚捻敯迕娣e,頂板由點(diǎn)柱和充填體共同支撐,點(diǎn)柱被充填體包裹著,形成三軸受力狀態(tài),增加了點(diǎn)柱的支撐能力;有利于控制頂板巖層移動(dòng);采切工程量小、貧化小。缺點(diǎn)是點(diǎn)柱所占礦量大,作為永久損失,導(dǎo)致?lián)p失率高;點(diǎn)柱的留設(shè)對(duì)施工要求高。

(3)上向進(jìn)路分層充填采礦法優(yōu)點(diǎn)是損失貧化率低,在巷道里鑿巖出礦安全性好,能嚴(yán)格控制頂板下沉。缺點(diǎn)是進(jìn)路式鑿巖出礦生產(chǎn)能力低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本大;進(jìn)路充填要求充填體接頂,不易控制;充填體強(qiáng)度要求大、充填成本高。

經(jīng)過(guò)分析比較以及結(jié)合礦山的實(shí)際情況,對(duì)于不同的礦巖條件采取不同的采礦方法。Ⅱ礦體穩(wěn)固性處于中等穩(wěn)固與不穩(wěn)固之間的礦段,可以采用點(diǎn)柱式上向水平分層充填法來(lái)控制地壓,降低采礦成本和保證礦山的生產(chǎn)能力。該法正適宜于礦石價(jià)值不高、回收率要求不高的礦山。Ⅲ礦體處于不穩(wěn)固的黑云母巖中,礦巖比較破碎,只能夠采用原設(shè)計(jì)的上向進(jìn)路分層充填法。為了保護(hù)礦體上盤的地下水資源,設(shè)計(jì)在礦體上盤留設(shè) 100 m厚的保安礦柱。

2.2 采場(chǎng)構(gòu)成要素與采準(zhǔn)工程

采場(chǎng)沿礦體走向布置,走向長(zhǎng)為 60 m,高度為中段高度 45 m,寬為礦體厚度。底柱高 6 m,不設(shè)頂柱,間柱寬 4 m,采場(chǎng)內(nèi)按 12 m ×15 m布置點(diǎn)柱,點(diǎn)柱規(guī)格 4 m×4 m。相鄰采場(chǎng)之間先暫留寬 4 m的連續(xù)礦柱,2采場(chǎng)錯(cuò)開上升,滯后回采采場(chǎng)將連續(xù)礦柱削采成規(guī)則點(diǎn)柱。采用脈外采準(zhǔn),采準(zhǔn)工程有分段沿脈、采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道、順路溜井、脈外溜井、充填回風(fēng)井。采切工程有切割平巷見圖1。

圖1 點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦方法

2.3 回采工藝

采場(chǎng)內(nèi)工作面以采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道為自由面沿走向推進(jìn),或在靠礦體最上盤形成 2.5 m×2.5 m的拉底巷道,以拉底巷為自由面擴(kuò)采。根據(jù)礦巖穩(wěn)固性和鑿巖設(shè)備,同時(shí)綜合考慮安全因素,設(shè)計(jì)采幅 3 m,分層控頂高度為 4.5 m左右,第一層設(shè)計(jì)采高 4.5 m。一個(gè)分層采完后,進(jìn)行膠結(jié)充填,并為下一循環(huán)留下1.5 m的作業(yè)空間。

(1)鑿巖。采用自下而上逐層回采。采用BOOMER281鑿巖臺(tái)車鉆鑿水平炮孔,孔深 3.8～4.0 m,孔間距 1.5 m,排距 0.75 m。

(2)爆破。鑿巖結(jié)束后清潔炮孔,人工裝填 2#巖石乳化炸藥,起爆器配 CCH型導(dǎo)爆管非電擊發(fā)導(dǎo)爆管雷管,導(dǎo)爆管雷管再引爆導(dǎo)爆索,由導(dǎo)爆索起爆每個(gè)炮孔中敷設(shè)的導(dǎo)爆管雷管,引爆炸藥。

(3)落礦。采切工程施工完畢后,以采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道為自由面,向兩側(cè)擴(kuò)幫到采場(chǎng)邊界,全面拉底,同時(shí)按設(shè)計(jì)要求布置點(diǎn)柱。再在此基礎(chǔ)上挑頂,控頂高度保持為 4.5 m。

(4)采場(chǎng)通風(fēng)。采用上向風(fēng)流貫通式通風(fēng),沿采區(qū)斜坡道→分段沿脈→采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道→采場(chǎng)→充填回風(fēng)井→上中段水平穿脈→上中段水平回風(fēng)沿脈→回風(fēng)井,排出地表。采場(chǎng)通風(fēng)主要借助于礦山主扇風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓和擴(kuò)散作用,局部由局扇輔助通風(fēng),確保良好的采場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

(5)頂板支護(hù)。落礦后,對(duì)于爆破作業(yè)面區(qū)域頂板和兩幫不平整部分和倒掛部分采用撬頂?shù)劝踩胧?。首先撬松?如頂板出現(xiàn)比較大的節(jié)理面剪切巖石時(shí),采用錨桿垂直節(jié)理面加固頂板。如頂板出現(xiàn)多組小節(jié)理面剪切巖石產(chǎn)生碎石時(shí),采用網(wǎng)、噴支護(hù)。如頂板既有大節(jié)理面又有多組小節(jié)理面剪切巖石時(shí),采用網(wǎng)、錨和噴射混泥土支護(hù)。其中,錨桿長(zhǎng) 1.8～2.0 m,網(wǎng)度為 (0.8～1.2)m ×(0.8～1.2)m。也可采用木架或木垛支護(hù)。

(6)采場(chǎng)出礦。確保作業(yè)安全后方可進(jìn)行出礦作業(yè),出礦采用斗容為 2 m3柴油鏟運(yùn)機(jī),由分段沿脈經(jīng)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行鏟裝作業(yè),鏟取礦石后卸入順路溜井或脈外溜礦井,經(jīng)電機(jī)車運(yùn)至主溜井。分層回采結(jié)束后,清理采場(chǎng),以減少遺留礦石,降低損失。

(7)頂柱回收。根據(jù)礦巖的穩(wěn)固情況,采場(chǎng)底柱可隨下中段采場(chǎng)正?；夭身樞蛏喜梢粚?剩余 3 m作為永久損失不再回采。

(8)采場(chǎng)充填。分層充填,正常分層回采結(jié)束并清場(chǎng)后,即可加高人行濾水井,構(gòu)筑充填擋墻。每分層采高 3 m,充填高度 3 m。下部 2.5 m充填體采用低標(biāo)號(hào)分級(jí)尾砂膠結(jié) (灰砂比為 1∶(30～32))充填。上部 0.5 m澆面層采用灰砂比 1∶6～1∶8的充填體 (3 d強(qiáng)度 ＞0.5 MPa)作為下一分層回采時(shí)的作業(yè)平臺(tái)。最后一分層根據(jù)頂柱厚度要求和頂柱的穩(wěn)固性調(diào)整采幅,采高為 2～4 m,采完后充填接頂。

點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

3 結(jié) 論

點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦法能更好的適合于該礦山礦體的開采,其主要優(yōu)點(diǎn)為:

(1)更好的控制頂板冒落與沉降。點(diǎn)柱和充填體共同支撐頂板,點(diǎn)柱被充填體包裹著,形成三軸受力狀態(tài),增加了點(diǎn)柱的抗壓能力,有利于控制頂板冒落與巖層移動(dòng),從而保護(hù)礦體上盤的水資源;

表1 點(diǎn)柱上向水平分層充填采礦法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

(2)采切工程量小,采切比小;

(3)采場(chǎng)可布置順路溜礦井,鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)距小,效率高;

(4)生產(chǎn)能力大,成本低,經(jīng)濟(jì)效益高。

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2010-09-13)

胡海波 1985-),男,湖南永州人,研究生,從事采礦和巖土工程方面的研究,Email:haihaihoo@163.com。