王志君

(1.五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計(jì)有限公司,安徽 合肥 230601;2.五礦礦業(yè)控股有限公司,安徽 合肥 230601)

空?qǐng)鏊煤蟪涮罘軌蛴行Э刂频貕?提高礦山資源回采率、降低貧化率,充分利用礦山產(chǎn)生的廢料,減少污染[1-2]。該方法符合綠色采礦的目標(biāo),是采礦工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為保證礦山持續(xù)、均衡地生產(chǎn),采礦工作之間的銜接多采用生產(chǎn)準(zhǔn)備礦量(也稱“三級(jí)礦量”)管理理論[3]。該理論協(xié)調(diào)了礦山開(kāi)拓、采準(zhǔn)與備采作業(yè)之間的關(guān)系,缺少出礦之后的空區(qū)和充填管理,現(xiàn)已不能完全涵蓋礦山采場(chǎng)的生產(chǎn)管理步驟。

據(jù)此,本研究圍繞安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)李樓鐵礦采場(chǎng)布置、空區(qū)暴露面積以及暴露時(shí)間、充填組織之間的管理進(jìn)行了分析,明確了各因素之間的相互關(guān)系,提出了采場(chǎng)布置、空區(qū)與充填采場(chǎng)之間的數(shù)量關(guān)系與運(yùn)行規(guī)律,梳理了從出礦、充填到空區(qū)管理的生產(chǎn)管理思路,彌補(bǔ)了嗣后充填采礦的采場(chǎng)管理理論的空白。

1 工程概況及存在的問(wèn)題

1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)李樓鐵礦位于安徽省霍邱縣,礦床走向近南北,長(zhǎng)3.4 km,傾向西,傾角 65°～85°,主礦體平均厚度49.65 m。礦山設(shè)計(jì)開(kāi)采規(guī)模500萬(wàn)t/a,開(kāi)采礦種為鏡鐵礦,平均品位34.08%,普氏硬度系數(shù)f=15～16。礦體底板為白云大理巖,f=8～10;礦體頂板為黑云片麻巖,f=8～10。礦區(qū)地表為厚大第四系,分布著村莊、農(nóng)田及道路,不允許塌陷。

1.2 采礦方法

礦山采用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法[4-6],采場(chǎng)垂直礦體走向布置,高100 m,寬20 m,長(zhǎng)50 m左右。每120 m(6個(gè)采場(chǎng))劃分一個(gè)盤(pán)區(qū),布置礦石溜井和通風(fēng)天井,盤(pán)區(qū)內(nèi)分三步驟開(kāi)采。

1.3 嗣后充填采場(chǎng)分類(lèi)

嗣后充填采場(chǎng)分類(lèi)形式較多,按生產(chǎn)礦量準(zhǔn)備程度可將采場(chǎng)分為開(kāi)拓采場(chǎng)、采準(zhǔn)采場(chǎng)和備采采場(chǎng);按作業(yè)內(nèi)容可將采場(chǎng)分為掘進(jìn)采場(chǎng)、出礦采場(chǎng)、充填采場(chǎng)。

李樓鐵礦按礦房的回采順序?qū)⒉蓤?chǎng)分為一步采采場(chǎng)、二步采采場(chǎng)、三步采采場(chǎng)三個(gè)梯次。

其中一步采采場(chǎng)“隔一采一”,二步采采場(chǎng)和三步采采場(chǎng)“隔三采一”。

1.4 嗣后充填采空區(qū)分類(lèi)

為提高礦山生產(chǎn)安全,本次將采場(chǎng)頂部開(kāi)始暴露起至充填接頂結(jié)束期間內(nèi)的空區(qū),均稱為采空區(qū),主要包括在采空區(qū)、備充空區(qū)和在充空區(qū)。其中,在采空區(qū)是指正在進(jìn)行爆破出礦的空區(qū);備充空區(qū)是指采場(chǎng)回采結(jié)束正在進(jìn)行空?qǐng)龅那宓?、充填水平的充填管路敷設(shè)、進(jìn)路的充填擋墻施工等充填準(zhǔn)備工作的空區(qū);在充空區(qū)是指正在正行充填作業(yè)的空區(qū)。

1.5 充填工藝

李樓鐵礦采用的是全尾砂膏體膠結(jié)充填與全尾砂充填相結(jié)合的充填工藝[4]。出礦結(jié)束后50%的采場(chǎng)(一步采采場(chǎng))采用全尾砂膏體膠結(jié)充填,50%的采場(chǎng)(二、三步采采場(chǎng))采用全尾砂膏體膠結(jié)充填與全尾砂充填相結(jié)合的方式充填,充填能力221萬(wàn)m3/a。

1.6 存在的問(wèn)題

目前,礦山多采用“三級(jí)礦量”理論指導(dǎo)礦山生產(chǎn)管理,該理論僅對(duì)礦山開(kāi)拓、采準(zhǔn)和備采的礦量進(jìn)行了指導(dǎo),對(duì)于采場(chǎng)布置、空區(qū)及充填管理暫無(wú)理論依據(jù)。因此,各礦山均存在采場(chǎng)、采空區(qū)及充填之間銜接不充分的問(wèn)題,具體表現(xiàn)如下:

(1)部分一步采采場(chǎng)空區(qū)充填不及時(shí),空區(qū)存量過(guò)多,暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致部分空區(qū)成片冒頂,存在安全隱患。

(2)由于一步開(kāi)采采場(chǎng)空區(qū)充填不及時(shí),導(dǎo)致后續(xù)的二、三步采場(chǎng)礦量得不到釋放,造成資源和資金積壓。

(3)為保證礦山正常生產(chǎn),采用多布置一步采采場(chǎng)進(jìn)行回采,加大了當(dāng)期掘進(jìn)投入,進(jìn)一步惡化了資金緊張局面。

(4)造成生產(chǎn)銜接緊張,當(dāng)一步開(kāi)采采場(chǎng)與二、三步開(kāi)采采場(chǎng)上下中段重疊時(shí),無(wú)法布設(shè)新采場(chǎng),導(dǎo)致礦山減產(chǎn)。

2 采場(chǎng)布置、采空區(qū)及充填運(yùn)行管理

2.1 采場(chǎng)時(shí)空管理

采場(chǎng)的時(shí)空管理[7]是指各類(lèi)采場(chǎng)回采過(guò)程的相對(duì)空間位置以及回采時(shí)間節(jié)點(diǎn)管理。其數(shù)值關(guān)系管理是根據(jù)采場(chǎng)的時(shí)空關(guān)系確定的。

本研究以一個(gè)盤(pán)區(qū)12個(gè)采場(chǎng)作為一個(gè)管理單元,對(duì)采場(chǎng)布置的各類(lèi)作業(yè)、時(shí)空關(guān)系銜接、采場(chǎng)礦量等關(guān)鍵因素進(jìn)行采場(chǎng)管理說(shuō)明。

2.1.1 采場(chǎng)空間關(guān)系

空間位置上,一步采采場(chǎng)按“隔一采一”的原則進(jìn)行布置,即回采的一步采采場(chǎng)為圖1中的2#采場(chǎng)、4#采場(chǎng)、6#采場(chǎng)、8#采場(chǎng)、10#采場(chǎng)和 12#采場(chǎng);二步采采場(chǎng)(礦柱)按“隔三采一”的原則進(jìn)行布置,即回采的采場(chǎng)為圖1中的1#采場(chǎng)、5#采場(chǎng)和9#采場(chǎng);三步采采場(chǎng)(礦柱)按“隔三采一”的原則進(jìn)行回采,即回采的采場(chǎng)為圖1中的3#采場(chǎng)、7#采場(chǎng)和11#采場(chǎng)。

圖1 李樓鐵礦采場(chǎng)劃分Fig.1 Stope division of Lilou Iron Mine

從圖1中可以看出,一步采采場(chǎng)間隔1個(gè)采場(chǎng),兩側(cè)為礦體(12#采場(chǎng)一側(cè)為圍巖);二步采采場(chǎng)間隔的3個(gè)采場(chǎng),兩側(cè)為充填體(1#采場(chǎng)一側(cè)為圍巖);三步采采場(chǎng)間隔的3個(gè)采場(chǎng),兩側(cè)都是充填體。

2.1.2 采場(chǎng)布置時(shí)間關(guān)系

空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法主要作業(yè)內(nèi)容按先后順序分別為采場(chǎng)的采準(zhǔn)掘進(jìn)、鑿巖、爆破出礦、空區(qū)充填準(zhǔn)備、空區(qū)充填及充填養(yǎng)護(hù)等。

李樓鐵礦采場(chǎng)完整的采充作業(yè)工藝步驟及時(shí)間為:采準(zhǔn)掘進(jìn)3個(gè)月,中深孔鑿巖3個(gè)月,爆破出礦4個(gè)月,充填準(zhǔn)備(如擋墻、管路敷設(shè)等)1個(gè)月,充填作業(yè)4個(gè)月,充填體養(yǎng)護(hù)期4個(gè)月,共計(jì)19個(gè)月。

3步采采場(chǎng)回采之間理想的銜接關(guān)系為:當(dāng)上一梯次采場(chǎng)充填體養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,下一梯次采場(chǎng)的爆破出礦剛好展開(kāi)。即要求下一梯次采場(chǎng)采準(zhǔn)和中深孔鑿巖在上一梯次采場(chǎng)充填養(yǎng)護(hù)結(jié)束前6個(gè)月開(kāi)始。

2.1.3 采場(chǎng)數(shù)量

根據(jù)“三級(jí)礦量”理論,結(jié)合李樓鐵礦生產(chǎn)能力,其采準(zhǔn)采場(chǎng)一般為22個(gè),備采采場(chǎng)一般為8個(gè)。

在滿足“三級(jí)礦量”采場(chǎng)個(gè)數(shù)的基本要求后,根據(jù)李樓鐵礦生產(chǎn)組織模型,4個(gè)采場(chǎng)同時(shí)出礦。按照第一組一步采采場(chǎng)開(kāi)采開(kāi)始至第一組三步采采場(chǎng)充填結(jié)束排列。屆時(shí),不同梯次采場(chǎng)作業(yè)的數(shù)值關(guān)系如下。

一步采采場(chǎng)出礦量∶二步采采場(chǎng)出礦量∶三步采采場(chǎng)出礦量=2∶1 ∶1.

一步采空區(qū)充填量∶二步采空區(qū)充填量∶三步采空區(qū)充填量=2∶1 ∶1.

一步采空區(qū)存量∶二步采空區(qū)存量∶三步采空區(qū)存量=2∶1 ∶1.

2.2 李樓鐵礦空?qǐng)鏊煤蟪涮罟芾?/h3>

隨著礦體的的持續(xù)開(kāi)采,礦山會(huì)逐漸形成一定體積的采空區(qū),其穩(wěn)定性主要受空區(qū)暴露時(shí)間和暴露面積影響,采空區(qū)的存在使得礦山的安全生產(chǎn)存在安全隱患。嗣后充填法會(huì)在礦山開(kāi)采過(guò)程中對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填處理,在確保充填時(shí)間和質(zhì)量的前提下,該方法能夠有效消除采空區(qū)的安全隱患。

2.2.1 采空區(qū)允許暴露面積

空區(qū)暴露面積主要是根據(jù)采場(chǎng)的地質(zhì)及巖石力學(xué)條件研究確定。采場(chǎng)暴露面積一般是指采場(chǎng)頂板的暴露面積;對(duì)于采場(chǎng)充填體而言,一般是指充填體側(cè)幫的暴露面積。李樓鐵礦主要利用Trueman擴(kuò)展的Mathews穩(wěn)定圖[8-9]確定采場(chǎng)暴露面積,見(jiàn)圖2,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 Trueman擴(kuò)展的Mathews穩(wěn)定圖Fig.2 Mathews stable graph extended by Trueman

通過(guò)對(duì)李樓鐵礦巖石力學(xué)及研究,李樓鐵礦采場(chǎng)暴露面積推薦見(jiàn)表1,其采場(chǎng)跨度為20 m,階段高度100 m。

表1 采場(chǎng)暴露面積推薦值Table 1 Stope exposure area recommended values

通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)算及國(guó)內(nèi)外類(lèi)似礦山實(shí)例,礦山選取的采場(chǎng)暴露面積是科學(xué)的,也是安全的。

2.2.2 采空區(qū)允許暴露時(shí)間

目前,采空區(qū)暴露時(shí)間計(jì)算多基于薄板理論。該理論將采空區(qū)頂板簡(jiǎn)化為彈性薄板,將礦柱簡(jiǎn)化為損傷的Kelvin-Voigt體,建立采空區(qū)頂板—礦柱蠕變損傷力學(xué)模型。通過(guò)推導(dǎo)采空區(qū)頂板擾度的微分方程并進(jìn)行求解,進(jìn)而預(yù)測(cè)采空區(qū)頂板的穩(wěn)定時(shí)間[10-13]。

基于薄板理論建立的采空區(qū)頂板—礦柱蠕變損傷力學(xué)模型的微分方程[10]如下:

式中,D為板的抗彎剛度;ω為板的擾度平均值;?為拉普拉斯算子;q為均布載荷集度;λ為礦柱面積與頂板面積的比值;E1為黏彈性模量;E2為彈性模量;η1為黏壺的黏滯系數(shù);D(t)為t時(shí)刻的損傷變量。

通過(guò)對(duì)上述微分方程的求解,可得礦體頂板彈性形變和流變損傷的時(shí)間T。

李樓鐵礦采場(chǎng)參數(shù)一般為50 m×20 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)。采空區(qū)上覆蓋層厚度約為400 m,采場(chǎng)頂板為礦體和巖石250 m,礦體的抗壓強(qiáng)度52.281 MPa,抗拉強(qiáng)度為0.889 MPa,彈性模量26.607 GPa,泊松比為0.198,礦柱的橫截面積之和為頂板面積的50%,礦柱數(shù)目為2,高度100 m,礦柱的蠕變參數(shù)及損傷演化方程參照相關(guān)文獻(xiàn)選取[10]。

通過(guò)計(jì)算,當(dāng)?shù)V柱為礦體時(shí),采空區(qū)總穩(wěn)定時(shí)間為17個(gè)月;當(dāng)?shù)V柱為充填體時(shí),采空區(qū)總穩(wěn)定時(shí)間為14個(gè)月。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),預(yù)測(cè)時(shí)間與采空區(qū)出現(xiàn)局部冒落時(shí)間基本吻合。

2.2.3 采空區(qū)暴露體積

為保證礦山生產(chǎn)安全,礦山采空區(qū)最大保有量必須嚴(yán)格控制。結(jié)合礦巖穩(wěn)定特性和采礦方法,對(duì)礦山巖石力學(xué)進(jìn)行研究,進(jìn)而得到礦山采空區(qū)的保有量和暴露時(shí)間,并將采場(chǎng)的暴露時(shí)間和暴露面積作為空區(qū)管理的依據(jù)。

李樓鐵礦一步開(kāi)采采場(chǎng)空區(qū)暴露時(shí)間為17個(gè)月,二、三步開(kāi)采采場(chǎng)空區(qū)暴露時(shí)間為14個(gè)月。根據(jù)一、二、三步開(kāi)采采場(chǎng)關(guān)系,采空區(qū)的存量分配為:一步開(kāi)采采場(chǎng)∶二步開(kāi)采采場(chǎng)∶三步開(kāi)采采場(chǎng)=2∶1∶1;即一步采采場(chǎng)允許暴露17個(gè)月的空區(qū)體積占允許暴露體積的1/2,其余二、三步開(kāi)采采場(chǎng)各占空區(qū)暴露體積的1/4。則礦山允許暴露的體積為

式中,V空為礦山允許暴露體積,m3;A充為礦山充填能力,m3/a;T1、T2、T3為各步驟回采采場(chǎng)允許暴露時(shí)間,a。

李樓鐵礦充填能力為221萬(wàn)m3/a,計(jì)算得礦山允許最大暴露體積為285.46萬(wàn)m3,其中一步采采場(chǎng)空區(qū)體積為156.54萬(wàn)m3,二步采采場(chǎng)空區(qū)體積為64.46萬(wàn)m3,三步采采場(chǎng)空區(qū)體積為64.46萬(wàn)m3。

2.2.4 充填采場(chǎng)個(gè)數(shù)

根據(jù)各梯次采場(chǎng)暴露體積,結(jié)合礦山充填能力,計(jì)算得礦山一步采充填采場(chǎng)不大于4個(gè),二步采填采場(chǎng)不大于2個(gè),三步采采場(chǎng)不大于2個(gè)。

備充空區(qū)的數(shù)量與管理水平、技術(shù)水平有關(guān)。對(duì)于李樓鐵礦,其采場(chǎng)爆破出礦4個(gè)月,充填準(zhǔn)備1個(gè)月,充填4個(gè)月。即單個(gè)采場(chǎng)的充填準(zhǔn)備速度為出礦采場(chǎng)或充填采場(chǎng)的4倍。據(jù)此,各類(lèi)充填空區(qū)的數(shù)量關(guān)系為:在采空區(qū)∶在充空區(qū)∶備充空區(qū)=4∶4∶1。

3 采場(chǎng)布置、采空區(qū)及充填規(guī)律

通過(guò)綜合考慮采場(chǎng)和采空區(qū)的管理規(guī)律。李樓鐵礦各類(lèi)采場(chǎng)、空區(qū)及充填存在以下關(guān)系:

(1)從速度上看:在充空區(qū)的總量消失速度=備充空區(qū)的總量準(zhǔn)備速度=在采空區(qū)的總量產(chǎn)生速度。

(2)不同梯次采場(chǎng)主要作業(yè)量:一步采采場(chǎng)∶二步采采場(chǎng) ∶三步采采場(chǎng)=2 ∶1∶1。

(3)在采空區(qū)+備充空區(qū)+在充空區(qū)≤允許暴露空區(qū)體積。

(4)在充空區(qū)個(gè)數(shù)=在采空區(qū)個(gè)數(shù)。

(5)各類(lèi)充填空區(qū)的數(shù)量關(guān)系為:備充空區(qū)=1/4在充空區(qū)=1/4在采空區(qū)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截止至2021年6月底,李樓鐵礦的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2～表4。

從表2中可以看出:李樓鐵礦“三級(jí)礦量”滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)定,開(kāi)拓礦量3～5年,采準(zhǔn)礦量1～1.5年,備采礦量6～10個(gè)月。

表2 三級(jí)礦量關(guān)系Table 2 Relationship of tertiary ore volume

從表3中可以看出:李樓鐵礦不同梯次采場(chǎng)的開(kāi)采個(gè)數(shù)、在充個(gè)數(shù)、出礦量基本滿足2∶1∶1的規(guī)律。采空區(qū)暴露體積為148萬(wàn) m3,小于計(jì)算允許值285.46 萬(wàn) m3。

表3 各采場(chǎng)數(shù)量關(guān)系Table 3 Quantity relation of stopes

從表4中可以看出:在采空區(qū)、在充空區(qū)、備充空區(qū)個(gè)數(shù)滿足4∶4∶1的比例關(guān)系。

表4 空區(qū)數(shù)量關(guān)系Table 4 Quantitative relationship of mined-out area

李樓鐵礦年生產(chǎn)礦山500萬(wàn)t,年充填量221萬(wàn)m3,礦山生產(chǎn)組織銜接科學(xué),采場(chǎng)布置、采區(qū)及充填管理安全可靠,能夠保證礦山持續(xù)生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)利用Trueman擴(kuò)展的Mathews穩(wěn)定圖、數(shù)值模擬計(jì)算以及經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法確定了采空區(qū)的暴露面積;結(jié)合采空區(qū)頂板—礦柱蠕變損傷力學(xué)模型,通過(guò)求解微分方程,預(yù)測(cè)了李樓鐵礦采空區(qū)頂板的穩(wěn)定時(shí)間,其中一步采采場(chǎng)空區(qū)允許暴露時(shí)間為17個(gè)月,二步采采場(chǎng)、三步采采場(chǎng)空區(qū)允許暴露時(shí)間為14個(gè)月。

(2)提出了礦山各步驟回采采場(chǎng)的在采個(gè)數(shù)、在充個(gè)數(shù)、出礦量應(yīng)滿足 2∶1 ∶1。

(3)結(jié)合李樓鐵礦,總結(jié)了礦山采場(chǎng)出礦與采掘作業(yè)之間規(guī)律,得到了在采空區(qū)、在充空區(qū)、備充空區(qū)個(gè)數(shù)應(yīng)滿足4∶4∶1的比例關(guān)系。

(4)本研究基于“三級(jí)礦量”理論,提出了采場(chǎng)、空區(qū)和充填運(yùn)行的管理規(guī)律,補(bǔ)充了采場(chǎng)管理理論,為類(lèi)似礦山采場(chǎng)管理提供了依據(jù)。