武尚榮
(昆明有色冶金設計研究院股份公司,云南 昆明 650061)
受斷層控制成礦的某地下金屬磁性鐵礦山開采范圍內(nèi)的某一個采區(qū)的礦體分布高差 60 m,沿走向長度約為 150 m,礦體平均厚度約18~20 m,礦體為急傾斜礦體,平均傾角約85°。從現(xiàn)有的地質勘探報告來看,礦體兩側受到兩條沿走向的縱向斷層控制(上盤為F10斷層、下盤為F4斷層),斷距約為2~20 m 不等,斷層破碎帶由構造角礫和含碳質斷層泥組成,角礫呈棱角狀,角礫成分以斜長變粒巖為主,次為斜長片巖、透輝石矽卡巖。同時局部區(qū)域受到橫向小規(guī)模斷層的穿插破壞,小規(guī)模斷層處的礦體內(nèi)結構面、構造和節(jié)理裂隙較為發(fā)育,但礦體整體穩(wěn)固性較好。如圖1、2所示。
圖1 已揭露的礦體頂板構造
礦體上下盤受到F10與F4斷層的影響,穩(wěn)固性一般。礦體底板巖性主要為片麻巖、云母片巖、變粒巖、角閃巖,屬于較堅硬巖組,但下盤圍巖受到F4等斷層的影響,RQD值低,較為破碎,穩(wěn)固性差。巖性主要為片巖、千枚巖,局部夾大理巖,屬于較堅硬巖組,但上盤圍巖受到F10等斷層的影響,較為破碎,RQD值低,穩(wěn)固性差。礦體形態(tài)特征及與斷層的關系,如圖2所示。
該采區(qū)礦石量較少,總量約為54萬t,礦石全鐵平均品位為23.31%,磁性鐵占比約為60%,礦山采用磁選工藝進行選礦,磁性鐵基本均能回收,礦石價值約為120~130元/t,價值低。
但由于礦山的深部系統(tǒng)還在建設中,為保證礦山選廠生產(chǎn)和現(xiàn)金流,考慮對該采區(qū)進行采礦,盡可能以低成本高效率的采礦方法進行安全回采。
圖2 礦體形態(tài)特征
同時,考慮基于該采區(qū)進行階段空場嗣后充填法在本礦山應用的采礦工業(yè)試驗,來判斷控礦斷層與節(jié)理裂隙的情況對采場的穩(wěn)固性與頂板暴露面積大小的影響,以保證礦山深部的采礦方法與采場結構參數(shù)較為合適,該采區(qū)的開采對礦山深部采礦方法的優(yōu)化選擇具有極為重大的意義。
控礦斷層與節(jié)理裂隙對采場結構參數(shù)的確定,起著重要的決定作用,而空場嗣后充填法的采場結構參數(shù)的確定在很大程度上決定了采礦方法的成敗,因此,應充分考慮控礦斷層與節(jié)理裂隙的情況以確定采場結構參數(shù),并優(yōu)化采場回采順序以確保先采采場的充填體強度達到要求后再進行二步驟采場的回采。
為盡可能地減少采準工程量,控制采切比,減少采切工程的成本投入,礦體分布高差 60 m,考慮上下盤圍巖受到斷層的影響,為減少側壁的暴露面積,考慮分段高度為 30 m。同時,鑒于礦體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育,在走向上縮小采場長度,控制采場側壁與頂板的暴露面積,確?;夭砂踩?/p>
根據(jù)礦體厚度,中段高度 60 m,分段高度 30 m,采場沿走向劃分和布置。由于上下盤F4與F10斷層對礦體影響的范圍難以真正確定,考慮節(jié)理裂隙對頂板的影響,參照國內(nèi)礦山斷層較多頂板與側壁的實際應用情況——礦石穩(wěn)固性中等,頂板暴露面積控制在 600 m2,根據(jù)礦體厚度計算采場長度為 31~36 m,對全部頂板進行支護,并對頂板支護形式進行研究,采場寬度為礦體水平厚度。
采場之間留設間柱,間柱寬度尺寸為 6 m(該結構參數(shù)參照類似礦山的間柱寬度尺寸最終確定),采場之間按間隔順序回采,中段之間由下往上開采,標準采礦方法如圖3所示。
圖3 采礦方法標準圖
在采場回采聯(lián)道的下盤端部采用分段爆破形成切割天井,在上中段沿脈干線上以一定的坡度(18.0%)向下掘進至礦體內(nèi)部,擴刷形成切頂硐室,并對切頂硐室進行支護。在切頂硐室內(nèi)鉆鑿下向平行深孔(炮孔直徑和孔網(wǎng)參數(shù)參照國內(nèi)部分大直徑深孔礦山,如張莊鐵礦、冬瓜山銅礦和安慶銅礦等,最終確定本礦山的大直徑深孔Φ165 mm,孔網(wǎng)參數(shù) 3.0 m×3.0 m),以切割天井為自由面,垂直礦體走向排面崩礦以形成切割槽,然后在塹溝受礦巷道內(nèi)采用H1354鑿巖臺車鉆鑿排距1.6~1.8 m、孔底距2.2~2.5 m、Φ76 mm上向扇形炮孔以超前于平行深孔形成受礦塹溝,平行深孔的爆破滯后于下部的塹溝巷道的爆破(炮孔直徑和孔網(wǎng)參數(shù)采用礦山在I#礦段采用的無底柱分段崩落法實踐中應用的孔網(wǎng)參數(shù)和炮孔直徑)。采用非電復式起爆網(wǎng)絡進行爆破,3 m3鏟運機在回采聯(lián)道內(nèi)出礦,本中段采出的礦石直接裝入礦用卡車內(nèi)(上中段的礦石由采場溜井下放至下中段)經(jīng)斜坡道運出地表。
采用雙層鋼筋混凝土密閉墻以封閉采場礦房底部回采聯(lián)道,并在密閉墻內(nèi)設置濾水管等濾水設施。充填料漿經(jīng)充填鉆孔達到 490 m 與 520 m 標高的1#采場南側,由回采聯(lián)道充入采空區(qū)。底部充填體的灰砂比1∶25,面層充填體高度 1.0 m,灰砂比1∶4。高強度面層應滿足鏟運機運行要求。在料漿充填之前先進行廢石充填。為確保接頂效果,切頂硐室聯(lián)道采用一定的負坡通達采場。
本次共布置有2個中段,每1個中段沿走向布置5個采場,采場間柱寬度 6 m,礦房長度25~29 m。中段之間開采順序是由下往上。為避免間柱出現(xiàn)應力集中造成采礦方法失敗,5個采場采用間隔回采順序,先采1#采場、3#采場、5#采場,在回采充填養(yǎng)護結束、充填體強度達到要求后再采2#采場、4#采場。采場中段平面布置,如圖4所示。
圖4 采場布置(斜線陰影部分為間柱)
考慮到礦體內(nèi)部節(jié)理裂隙較為發(fā)育,而采場切頂硐室的長為26~29 m,寬約為18~20 m,切頂硐室的頂板暴露面積約為468~580 m2,且切頂在垂直礦體方向上的跨度較大,為保證作業(yè)人員設備的安全及上中段采場的底部結構順利形成,對切頂硐室進行加固支護。切頂硐室支護形式主要考慮以下2種方式,在切頂硐室穩(wěn)固性極差區(qū)域采用2種方式的聯(lián)合支護,如有必要應加大錨索的長度:
1)在切頂硐室內(nèi)留設沿走向的條柱以連接采場兩側的間柱及頂板,條柱寬度為 3 m,長度為礦房的長度,高度為切頂硐室的高度,如圖4所示。
2)對切頂硐室的頂板進行噴錨網(wǎng)+錨索支護,Φ15.9 mm 長度 8 m 的錨索與Φ45 mm 長度 2 m 管縫式錨桿,噴砼C20厚度 100 mm,鋼筋網(wǎng)Φ6 mm,鋼筋網(wǎng)的孔網(wǎng) 100 mm×100 mm,如圖5所示。
圖5 切頂硐室的噴錨網(wǎng)+錨索支護及切頂硐室支護條柱
對礦山下中段最南側的1#采場進行采準與切割工程的施工,并進行回采爆破與出礦,該采礦工業(yè)試驗的主要采場情況如下:
1)切頂硐室頂板。切頂硐室長度為 29 m,平均寬度約為 19 m,北邊寬度略大,南邊寬度略小,切頂硐室高度為 3.6 m(滿足T—150鑿巖臺車的施工高度要求),切頂硐室穩(wěn)固性較好,在切頂硐室中部沿礦體走向留設的條柱(寬度為 3 m),未進行噴錨網(wǎng)+錨索支護。
2)切割槽形成。切割天井位于回采聯(lián)道端部的一側,在切割天井的一側的回采聯(lián)道內(nèi)施工2排平行的擴井炮孔(共4個炮孔),擴井炮孔采用H1354中深孔鑿巖臺車進行施工,炮孔Φ76 mm,并以切割天井為自由面,對該2排擴井炮孔進行爆破以擴大切割井。然后以擴大的切割井為自由面,采用H1354中深孔鑿巖臺車施工上向扇形炮孔排距為 1.4 m,孔距 1.6 m,炮孔Φ為 76 mm,上向扇形炮孔進行爆破形成切割槽。炮孔最大長度約為 30 m,施工方式均由下往上,未出現(xiàn)炮孔變形、堵塞等異常情況。
切割槽形成采用非電復式起爆破網(wǎng)絡,一次爆破2排(排間微差),采用銨油粒裝炸藥,單排炮孔的總裝藥量約為 587 kg,每一次爆破后進行部分出礦,切割槽爆破完成后進行大量出礦,切割槽爆破過程中未出形側壁垮塌等現(xiàn)象。
3)采場爆破與出礦。在切頂硐室內(nèi)采用T—150鑿巖臺車鉆鑿下向平行深孔,孔徑 165 mm,孔網(wǎng)參數(shù) 3.0 m×3.0 m,炮孔長度15.0~16.0 m。在塹溝巷道內(nèi)采用H1354中深孔鑿巖臺車進行鉆鑿上向扇形炮孔,孔徑 76 mm,排距 1.6 m,孔底距2.2~2.5 m。采用非電復式起爆網(wǎng)絡進行起爆,以一端的切割槽為自由面,上下部的炮孔一般為同時起爆,側向崩礦。為減少爆破震動對地表的影響,一般一次爆破為2、3排,每排炮孔總裝藥總量約為 893 kg,根據(jù)出礦過程前后對采場的觀察,采場四周側壁及頂板未出現(xiàn)垮塌等破壞礦房與間柱的現(xiàn)象,采場礦圍巖穩(wěn)固性可以達到嗣后充填的要求,采礦方法工業(yè)試驗取得了成功。
4)采場充填。1#采場采空區(qū)面積約為 15 600 m2,對回采聯(lián)道進行密閉,密閉墻采用雙層鋼筋的 800 mm 混凝土澆筑,密閉墻內(nèi)埋設一定的濾水管。充填料經(jīng)充填管道到達 490 m 標高的1#采場的切頂硐室聯(lián)道,充填料濃度為72%~74%。為保證一定的脫水效果,底層灰砂比1∶25,面層高度 1 m,面層灰砂比1∶4,為保證 490 m 分段的采場出礦與受礦的要求,面層養(yǎng)護強度達到2.0~3.0 MPa。充填效果達到了設計的要求,滿足相鄰采場及上部采場的開采要求,且滿足采空區(qū)管理的要求。
1)1#采場的采場長度 29 m,采場高度 30 m,采場進行回采后,采場整個結構完整,上下盤采場側壁暴露面積高達 870 m2,未出現(xiàn)側壁及頂板垮塌等現(xiàn)象。說明上下盤控礦斷層(F10與F4)對礦圍巖穩(wěn)固性的影響,可以通過調(diào)節(jié)采場的尺寸來實現(xiàn)空場嗣后充填而消除,2條斷層及礦體內(nèi)部的節(jié)理構造不至于影響分段法的應用,為礦山深部采用高效率低成本采礦方法提供了強有力的依據(jù)。同時,采用間隔開采可以減少間柱的集中應力,通過回采順序確保采礦方法成功。
2)1#采場切頂硐室采用沿走向布置的條柱作為切頂硐室的支護,在開采過程中切頂硐室頂板及條柱未出現(xiàn)垮塌等現(xiàn)象。實踐證明:該支護形式是可行的,條柱的支護形式可以為深部空場嗣后充填法的采場切頂硐室支護所借鑒。礦體內(nèi)部的節(jié)理構造不至于影響采礦方法的選擇,但節(jié)理構造應引起足夠的重視。
3)由于礦山未采用遙控鏟運機進入采場內(nèi)進行殘礦回收,導致1#采場采出的礦石約為礦房內(nèi)圈定的礦石量的78%,再加上采場間柱的損失,1#采場損失高達30%以上。為盡可能地減少礦石損失,提高回采率,礦山應配備遙控鏟運機進入采場內(nèi)進行鏟裝作業(yè),加強礦山的智能化與數(shù)字化建設。