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礦柱回采技術(shù)研究在貓場礦區(qū)開展工業(yè)試驗后的再探索

2021-06-06 09:51:32陳世明劉建龍
采礦技術(shù) 2021年3期
關(guān)鍵詞:礦柱鋁土礦采場

陳世明,劉建龍

(中國鋁業(yè)貴州分公司, 貴州 貴陽 550014)

當(dāng)前,淺部鋁土礦資源逐漸枯竭,鋁土礦已由露天開采逐漸轉(zhuǎn)入地下開采。因礦體賦存特征和其經(jīng)濟價值,鋁土礦多采用空場法進行開采,采場內(nèi)需留設(shè)大量礦柱用于支撐頂板,造成了資源浪費與損失。所以,對原始礦柱的開采需考慮礦山的生產(chǎn)經(jīng)濟效益,更需要考慮開采的安全問題。常見的空場法采區(qū)礦柱回采主要有抽柱法、削柱法、置換法,其中,人工礦柱置換法因其成本低、安全性好而被廣泛應(yīng)用。

1 礦山概況及開采技術(shù)條件

貓場礦區(qū)隸屬于中國鋁業(yè)貴州分公司,位于貴陽清鎮(zhèn)市犁倭鎮(zhèn)境內(nèi),是貴州華錦鋁業(yè)公司最重要的鋁土礦礦石原料供應(yīng)基地。礦區(qū)為特大型沉積型鋁土礦床,含礦巖系為下石炭統(tǒng)大塘組(C1d);厚度受其下伏地層古喀斯特侵蝕程度制約,凹處厚度大,凸處厚度小,約為0.30m~25.09m,由黏土巖、硫鐵礦、鋁土礦及鋁土巖等組成,具有工業(yè)價值的鋁土礦礦體產(chǎn)于含鋁巖系中。

礦床間接頂?shù)装逵商妓猁}巖組成,直接頂?shù)装逵绅ね翈r類組成,厚為0.27m~25.09m,平均為9.81m,其中直接頂板厚為0~15.62m,平均為1.77m;直接底板厚為0~112.97m,平均為3.22m;礦體直接頂?shù)装錜QD平均為12.50%,屬軟質(zhì)巖石塊狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定巖體。

礦床間接頂板擺佐組(C1b)大部分為堅硬巖石,屬塊狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定巖體。礦床間接底板婁山關(guān)群(?2-3ls)巖溶發(fā)育相對較弱,裂隙多呈閉合性,巖體較完整,除主要斷裂帶及其影響帶之外,為堅硬巖石塊狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定巖體。

對于鋁土礦層,土狀鋁土礦屬軟質(zhì)巖石塊狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定巖體,致密狀鋁土礦屬硬質(zhì)巖石、塊狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定巖體,總體屬硬質(zhì)巖石與軟質(zhì)巖石互層的層狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定巖體。

礦區(qū)自2016年6月投產(chǎn)以來,主要采用留礦壁護頂房柱法開采,采場內(nèi)留設(shè)大量礦柱用于支撐頂板,造成資源損失,因此需開展礦柱回采技術(shù)研究?,F(xiàn)場開展的混凝土礦柱置換礦石礦柱工業(yè)試驗要達到以下要求:①合理安排礦柱位置,選擇合理的人工礦柱位置及參數(shù)設(shè)計;②設(shè)計人工混凝土礦柱結(jié)構(gòu),選用合理的參數(shù)和施工工藝,確保回采時的穩(wěn)定與安全;③發(fā)現(xiàn)人工點柱缺陷與問題,提出相應(yīng)解決辦法及今后的研究方向。

2 礦柱回采現(xiàn)場工業(yè)試驗

2.1 試驗采場概況

試驗采場位于南部1160m中段南西巷與1180m中段之間,礦體平均厚度為3.64m,礦體平均傾角為7°,直接頂板厚度約為1.2m。

2.2 試驗采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

工業(yè)試驗采場沿走向布置,礦房走向?qū)挾燃s為55m,傾向長度約為56m,礦房高度為礦體的平均厚度為3.64m,采場頂?shù)字綄挾葹?5m,置換礦柱選用混凝土礦柱,強度為C20,混凝土礦柱尺寸為4m×4m,混凝土礦柱邊對邊間距為6m,混凝土礦柱高度為礦體厚度約為3.0m(考慮護頂?shù)V壁厚度0.6m),采準(zhǔn)切割工程布置如圖1所示。

圖1 采準(zhǔn)切割工程布置/m

2.3 混凝土人工礦柱施工工藝

混凝土人工礦柱施工工藝步驟如下:

第1步:施工混凝土人工礦柱槽。

第2步:底板處理(先清理底板上的礦巖碎石并整平,錨桿端部要打入底板穩(wěn)固巖體不小于0.5m,錨桿網(wǎng)度為1m×1m,錨桿直徑大于Φ20mm)。

第3步:立模(混凝土人工礦柱有3面為礦體邊界,只需立一面金屬模板即可)。

第4步:澆筑混凝土人工礦柱(混凝土礦柱分兩次澆筑,每次澆筑厚度不宜超過1.5m,每澆筑30 cm~50 cm時使用振動棒震動,2次澆筑間隔時間應(yīng)控制在3d~5d左右,混凝土金屬模板在3d后拆除。為增加抗剪強度,1m3混凝土添加30 kg鋼纖維)。

第5步:接頂處理(澆筑混凝土人工礦柱與礦體頂板接近時,采用噴射混凝土方法進行接頂)。

2.4 礦房回采工藝

試驗采場礦體采用沿礦體傾向由上而下后退式回采,回采工藝為常規(guī)的采礦工藝,包括鑿巖、爆破、通風(fēng)、頂板處理、出礦。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

現(xiàn)場工業(yè)試驗采場效果統(tǒng)計所得技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。工業(yè)試驗結(jié)果表明,礦柱回采工業(yè)試驗采場礦石回采率達到80.16%。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比

3 施工中存在的問題及解決措施

通過開展混凝土人工礦柱置換礦石礦柱工業(yè)試驗,現(xiàn)場存在如下問題:

(1)現(xiàn)場工業(yè)試驗過程中混凝土礦柱接頂采用噴射混凝土進行接頂,接頂密實度不夠,導(dǎo)致回采過程中,存在個別混凝土人工礦柱未完全接頂,存在安全風(fēng)險。

(2)工業(yè)試驗采場共澆筑混凝土947.08m3,每次澆筑高度不超過1.5m,每次澆筑間隔時間應(yīng)控制在3d~5d,現(xiàn)場運輸澆筑混凝土各類材料難度大,澆筑效率低。

(3)工業(yè)試驗采場共澆筑混凝土947.08m3,單價為670 元/m3,總價為63.5 萬元,置換成本高。

(4)底板處理過程中未對底板進行整平處理,澆筑后混凝土人工礦柱位于一斜面上,削弱了混凝土人工礦柱的穩(wěn)定性。

3.1 提高人工點柱穩(wěn)定性的措施

貓場礦區(qū)采場底板為緩傾斜,為保證人工混凝土柱的穩(wěn)定性,澆注前需對混凝土柱底板進行處理。在設(shè)計澆筑混凝土柱的位置,先對底板進行整平處理,后在底板上安裝錨桿,錨桿長1m,其中錨入底板長0.5m,外露0.5m。底板處理完成后,進行模板架立,混凝土澆筑。

混凝土礦柱澆筑到距離頂板2.5m時安裝人工礦柱頂板錨桿,頂板安裝錨桿8根,錨桿長2m,其中錨入頂板長1m,錨入混凝土礦柱內(nèi)1m,按三角形布置,詳見圖2。

圖2 頂?shù)装邋^桿布置/m

另外,也可以借鑒我國木質(zhì)古建筑常用的結(jié)構(gòu),設(shè)計卯榫式點柱。

(1)底座結(jié)構(gòu)。針對人工點柱易傾覆問題,處理底板時,在底板上留設(shè)方形凸起,其余點柱范圍內(nèi)底板做平整處理,形成卯榫結(jié)構(gòu)中的隼結(jié)構(gòu),如圖3所示。利用混凝土澆筑完成后卯榫結(jié)構(gòu)的咬合力,增加點柱抗傾覆性。

(2)柱體結(jié)構(gòu)。在無礦體一側(cè)架立模板,內(nèi)部空間澆筑混凝土形成人工混凝土柱體,采用膨脹混凝土材料補償收縮混凝土,以保證柱體密實無空隙。

(3)接頂結(jié)構(gòu)。針對常規(guī)人工柱體接頂不密實的問題,處理頂板時,在頂板上預(yù)留方形凸起,其余點柱范圍內(nèi)頂板做平整處理,如圖3所示。澆筑時從下至上泵送混凝土,在模板最高點處留設(shè)小型觀察窗口,澆筑補償收縮混凝土,以保證柱體接頂密實,頂端四周依靠卯榫咬合力達到抗傾覆作用。

圖3 卯榫式點柱

3.2 提高混凝土人工礦柱接頂密實度的措施

因礦體傾角較小和頂板的不平整性,為了實現(xiàn)充分接頂,在混凝土中添加8%~10%的膨脹材料,減小充填體中的空隙,降低充填體收縮率。采用注漿泵高壓泵入接頂層。為了防止接頂過程中的模板跑漿,可在模板內(nèi)部鋪設(shè)土工布或廢舊麻袋。在接頂過程中,根據(jù)需要可在充填材料中加入速凝劑等添加劑,提高接頂層的初凝強度。接頂層澆注完成形成強度后,根據(jù)接頂情況,在頂板與混凝土人工礦柱空隙中楔入木樁,支撐頂板。

3.3 選取水壓支柱代替混凝土人工礦柱

水壓支柱作為井下采場采礦、礦柱及殘礦體回采臨時性支護設(shè)施,廣泛應(yīng)用于有色金屬、貴金屬礦山系統(tǒng)。多根水壓支柱形成的集束水壓支柱由點支護擴展成為體支護,可達到人工混凝土柱的效果,水壓支柱結(jié)構(gòu)見圖4。且集束水壓支柱相對于人工混凝土柱而言,其工藝簡單,勞動效率高,成本低。

圖4 水壓支柱

3.4 提高澆筑效率的措施

澆筑效率低,主要體現(xiàn)在立模和澆筑混凝土上??商剿骺焖俨鹧b式模具,使立模工藝簡單化,并通過循環(huán)利用,大幅降低立模成本。后續(xù)開展充填技術(shù)工業(yè)化推廣應(yīng)用,特別是對于高品位礦石區(qū)域,改為采用充填采礦法開采,從根本上解決房柱法開采點柱和頂?shù)字粼O(shè)導(dǎo)致的資源損失問題。同時,通過技術(shù)創(chuàng)新和自動化充填系統(tǒng)的研究與建設(shè),進一步提高充填效率和質(zhì)量。

3.5 開展礦區(qū)采空區(qū)點柱調(diào)查及回采技術(shù)研究

貓場礦區(qū)一直采用房柱法回采工藝,空區(qū)內(nèi)留有大量點柱,為回采貓場礦區(qū)房柱法開采遺留的大量高品位點柱,達到國家規(guī)定的資源開采要求,根據(jù)貓場礦區(qū)現(xiàn)有點柱的特點,有針對性的對點柱資源進行回采,方案制定過程中,遵循安全、高效、回采率高、短時的原則,達到快充、快采、快出的要求,充分回采礦產(chǎn)資源。

4 結(jié)語

(1)以貓場礦區(qū)為試驗采場開展混凝土礦柱替代原生礦石礦柱的工業(yè)試驗,結(jié)果表明,采用人工點柱回采方法的采場礦石損失率為19.84%,與空場法采場相比降低了16.29個百分點,貧化率為2.79%,相比空場法減少了1.05個百分點。(2)針對人工點柱施工過程中出現(xiàn)的問題,提出頂?shù)装?、卯榫式點柱、水壓支柱以及新型組合式模板等處理措施,為類似工程提供經(jīng)驗,并為今后的研究提供思路與方向。

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