某磷礦采礦方法優(yōu)化研究

周根明， 胡建釗， 段永祥

（金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京101500）

某磷礦為新建地下開采礦山，屬緩傾斜中厚礦體，設(shè)計(jì)分為兩期開采，一期開采400 m標(biāo)高以上礦體，可服務(wù)約32 a；二期開采400 m標(biāo)高以下礦體，可服務(wù)約22 a，最終服務(wù)年限為54 a.設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為500萬t/a.礦山采用主副井開拓，主井為箕斗井，用于礦石提升，副井擔(dān)負(fù)全礦人員、設(shè)備、材料的提升任務(wù)，副井同時(shí)擔(dān)負(fù)進(jìn)風(fēng)任務(wù).共設(shè)1條主井，2條副井.采出礦石經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)裝入自卸卡車，卸入主溜井，經(jīng)箕斗井提升至地表.設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填法和上向進(jìn)路充填法進(jìn)行開采.

鑒于設(shè)計(jì)采礦方法采切工程量大、工藝復(fù)雜、安全性差、生產(chǎn)能力低和勞動(dòng)強(qiáng)度高[1]，難于滿足礦山500萬t/a的生產(chǎn)能力的要求.通過對礦山開采技術(shù)條件及礦山生產(chǎn)實(shí)際的綜合研究[2]，確定采取盤區(qū)布置形式，預(yù)控頂中深孔空場嗣后充填采礦法和掘進(jìn)機(jī)進(jìn)路式采礦法開采，并使用大型無軌設(shè)備進(jìn)行采掘作業(yè).方案優(yōu)化后減少了采切工程、簡化了采礦工藝、改善了作業(yè)條件，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度[3]，較原采礦方法采切比降低了20%，生產(chǎn)能力提高了83%，損失率降低了23%，經(jīng)濟(jì)效益明顯.

1 開采技術(shù)條件

該磷礦為緩傾斜中厚礦體，分上下（a、b）兩礦層，總體呈隱伏狀產(chǎn)出.上層礦為b礦層，傾角15°，平均厚度9 m；下層礦為a礦層，傾角15°，平均厚度16 m，a、b二層礦因用途不一須分采分運(yùn).夾層平均厚度3.99 m.礦體走向北東，走向長約3 800 m，賦存標(biāo)高0～800 m，分東西兩翼礦層.西翼礦層傾向320°～350°， 傾角 10°～23°； 東翼礦層， 傾向 150°～170°，傾角 50°～65°.

礦體的容礦巖石為含炭質(zhì)磷塊巖，節(jié)理發(fā)育，具層狀構(gòu)造.該巖層工程地質(zhì)特性復(fù)雜多變，穩(wěn)固性總體較差.a、b礦層及頂?shù)装迨疽鈭D見圖1.

圖1 a、b礦層及頂?shù)装迨疽釬ig.1 Schematic diagram of a and b seam and roof and floor

直接頂板及礦體的夾層均由深灰色厚層含磷泥至粉晶白云巖和含硅質(zhì)巖團(tuán)塊白云巖組成，含磷巖石軟硬不均.礦體節(jié)理、裂隙發(fā)育，將礦巖切割成大小不等的碎塊，巖層穩(wěn)定性較差.

礦體直接底板為深灰色薄層條帶狀細(xì)-中粒含磷細(xì)砂巖夾含磷細(xì)晶白云巖和白云巖及少量白云質(zhì)黏土巖組成.該巖層物理力學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定，工程地質(zhì)性能良好，巖層穩(wěn)固性較好.

礦區(qū)水文地質(zhì)條件相對簡單.坑內(nèi)涌水主要是由大氣降水與裂隙水補(bǔ)充，涌水量不大，對礦體回采影響較小.

2 原采礦方法評述

原設(shè)計(jì)采用上向水平分層充填法和上向進(jìn)路充填法開采.其中，上向水平分層充填法用于巖石穩(wěn)固性相對較好的地段，上向進(jìn)路充填法用于巖石較破碎地段[4].2種采礦方法所占的比例分別為70%和30%.

上向水平分層充填法采場垂直礦體走向布置，沿礦體走向每隔120 m劃分盤區(qū)，采場長度分別為a、b礦層水平厚度，中段高度50 m，分段高度12.5 m.分礦房礦柱二步驟回采，礦房、礦柱寬度均為8 m，先采礦房后采礦柱，嗣后均采用膠結(jié)充填[5].

上向進(jìn)路充填法采場沿礦體走向布置，沿礦體走向每隔120 m劃分盤區(qū)，采場長度為60 m，中段高度50 m，分段高度12.5 m，每個(gè)分段承擔(dān)3個(gè)分層的回采，進(jìn)路寬4.5 m.

經(jīng)研究認(rèn)為原采礦方法存在如下問題:

1）采準(zhǔn)工程基本在脈外布置，基建和生產(chǎn)過程中廢石量較大[6].

2）分段巷道距礦體的水平距離較近，但由于礦體較緩，使得每個(gè)分段第2分層聯(lián)絡(luò)道的傾角達(dá)26°左右，坡度約48%，這樣大的坡度采用鏟運(yùn)機(jī)出礦難以實(shí)現(xiàn).經(jīng)分析實(shí)際生產(chǎn)中分段巷道至礦體的距離還需加大，相應(yīng)各條分層聯(lián)絡(luò)道的長度也會(huì)增加，故采切工程量實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)增大[7].

3）采準(zhǔn)工程極有可能穿過巖性較差的南沱組冰磧礫巖夾黏土巖層，施工難度較大，支護(hù)成本較高[8-9].

4）a、b層礦的礦石性質(zhì)不同，難以采用統(tǒng)一的采場尺寸.且兩層礦之間的緩傾斜夾層難以剔除，導(dǎo)致貧損指標(biāo)較高.

5）2種采礦方法回采工藝均較為復(fù)雜，生產(chǎn)能力偏低，作業(yè)安全性差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較高[10-11].

3 采礦方法優(yōu)化與礦塊布置

3.1 采礦方法初選

通過對礦體開采技術(shù)條件研究，對比原設(shè)計(jì)推薦采礦方法，擬選采礦方法如下:

1）對于a層礦，采用預(yù)控頂中深孔空場嗣后充填采礦法[12]，但考慮到a層礦厚約16 m，若切頂后一次采全高約12～13 m，則空區(qū)兩側(cè)圍巖可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，故進(jìn)一步考慮了采用分兩段開采的情況.同時(shí)，對不同采場寬度情況下，采用FLAC3D軟件對a層礦一次采全高和分兩段開采時(shí)采場受力情況和變形情況進(jìn)行了模擬研究，得出較為合理的采場寬度[13].

2）對于b層礦，設(shè)計(jì)采用綜采機(jī)進(jìn)路式開采[14].

3.2 采場數(shù)值模擬研究

1）建立FLAC3D數(shù)值分析模型.模型沿礦體走向長度取60 m，垂直礦體走向?qū)挾?0 m，高度60 m.巖體本構(gòu)采用摩爾庫侖準(zhǔn)則.分兩段回采時(shí)，礦房寬度分別取6 m、8 m、10 m、12 m，預(yù)控頂層高4 m，每段采高6 m.一段回采時(shí)，礦房寬度分別取6 m、8 m、10 m、12 m，控頂層高4 m，采高12 m.

2）巖石力學(xué)參數(shù)確定.根據(jù)磷礦的工程地質(zhì)特征、室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)以及此次計(jì)算的要求[15]，磷礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 磷礦礦巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of phosphate rock

3）采場穩(wěn)定性數(shù)值模擬.分述如下.

第1，①全段回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬.頂板垂直位移分析:頂板垂直位移的變化對于采場穩(wěn)定性具有重要影響，在研究采場時(shí)，判斷頂板最大垂直位移是衡量采場是否安全的重要指標(biāo)[16].主要對比分析6 m、8 m、10 m及12 m礦房寬度條件下頂板的垂直位移，而頂板的最大位移為12.82 mm，尚處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明采場頂板穩(wěn)定，頂板最大圍巖量與礦房寬度曲線圖見圖2.②兩側(cè)圍巖水平位移分析:采用本采礦方案時(shí)，兩側(cè)圍巖高度較高，暴露面積較大，存在著安全隱患，所以該處的變形特征是判斷危險(xiǎn)區(qū)域的重要參考指標(biāo)[17].文中主要對比分析以上4種礦房寬度下兩側(cè)圍巖的水平位移，兩側(cè)圍巖最大位移量與礦房寬度關(guān)系曲線圖見圖3.從圖3可以看出左側(cè)圍巖位移大于右側(cè)，說明左側(cè)圍巖的穩(wěn)定性較差，這與礦體的構(gòu)造和地應(yīng)力分布有一定的關(guān)系.

第2，分段回采穩(wěn)定性數(shù)值模擬.①頂板垂直位移分析:對比分析分段回采時(shí)6 m、8 m、10 m及12 m礦房寬度條件下頂板的垂直位移，頂板的最大位移為13.73 mm，尚處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明采場頂板較為穩(wěn)定.頂板最大圍巖量與礦房寬度曲線圖見圖2.②兩側(cè)圍巖水平位移分析:對比分析分段回采條件下以上4種礦房寬度下兩側(cè)圍巖的水平位移，兩側(cè)圍巖最大位移量與礦房寬度關(guān)系曲線圖見圖3.從圖3可以看出左側(cè)圍巖位移大于右側(cè).此外，與全段回采相比，分段回采時(shí)圍巖的水平位移小于前者，這說明分段回采時(shí)，加入充填體有助于控制圍巖的水平位移.

圖2 頂板最大下移量與礦房寬度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of roof maximum declination and width of ore chamber

圖3 兩側(cè)圍巖最大位移量與礦房寬度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of maximum displacement of surrounding rocks on both sides and width of ore chamber

4）數(shù)值模擬結(jié)論.根據(jù)FLAC3D軟件數(shù)值模擬的結(jié)果，當(dāng)切頂后一次全段回采時(shí)，礦房寬度為6 m；當(dāng)采用兩段回采時(shí)，礦房寬度為8 m采空區(qū)側(cè)幫和頂板穩(wěn)定性較好.分兩段回采的方式盡管穩(wěn)定性較好，但是與全段回采的方式相比，將會(huì)增加采切成本.故對a層礦巖石穩(wěn)固性相對較好的地段采用全段回采，對巖石較破碎地段采用分段回采.

3.3 采礦方法描述

1）采區(qū)、盤區(qū)和采場劃分.礦體沿走向每隔200～300 m布置一個(gè)采區(qū)，采區(qū)在傾向方向采用偽傾斜布置，采區(qū)之間沿礦體偽傾向留設(shè)35 m或25 m間柱，a礦層分段回采時(shí)間柱寬35 m，a礦層全段回采時(shí)間柱寬25 m，間柱內(nèi)布置斜坡道，其平均坡度15%；同一采區(qū)中，在高度方向上每50 m設(shè)置一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)礦柱中布置無軌巷道.a層礦體開采時(shí)，在盤區(qū)內(nèi)沿礦體走向劃分條帶式采場.

2）開采順序.①采區(qū)開采順序:原則上按照由兩翼端部向回風(fēng)井的方向進(jìn)行回采.②盤區(qū)開采順序:總體按照自下而上的開采順序，即同一標(biāo)高的各盤區(qū)均可同時(shí)采礦，不同標(biāo)高的盤區(qū)可按照兩翼的盤區(qū)超前中間盤區(qū)的方式進(jìn)行同時(shí)回采[18-19].③a、b礦層的開采順序:采用先開采a礦層后開采b礦層的開采順序.

3）采準(zhǔn)切割.①a礦層分段回采時(shí)采準(zhǔn)工程主要有:斜坡道聯(lián)絡(luò)道、分段聯(lián)絡(luò)道、回風(fēng)充填道、a礦層溜井、b礦層溜井、b礦層出礦道、進(jìn)風(fēng)天井、回風(fēng)天井等；切割工程主要有1步驟切割平巷、2步驟切割平巷和切割天井.其中斜坡道聯(lián)絡(luò)道斷面為4.3 m×3.8 m，分段聯(lián)絡(luò)道斷面為4.3 m×3.8 m，回風(fēng)充填道斷面為4.3 m×3.8 m，溜井?dāng)嗝鏋棣? m，出礦道斷面為3.8 m×3.5m，切割平巷斷面為3.8 m×3.5 m，切割天井?dāng)嗝鏋? m×3 m.a礦層分段回采采礦方法見圖4.②a礦層全段回采時(shí)采準(zhǔn)工程主要有:斜坡道聯(lián)絡(luò)道、a礦層回風(fēng)充填道、a礦層溜井、b礦層主溜井、b礦層盤區(qū)出礦道、進(jìn)風(fēng)天井、回風(fēng)天井等；切割工程主要有切割平巷和切割天井.斷面規(guī)格同上，全段回采采礦方法見圖5.

4）回采工藝.①a礦層.切頂采用Boomer281鑿巖臺車，炮孔孔徑45 mm，孔深 2.5～3.5 m，炮孔間距（最小抵抗線）1.1～1.7 m，同時(shí)配備YT28鑿巖機(jī)輔助鑿巖[20].下層鑿巖采用T-100G潛孔鉆機(jī)，孔徑76 mm，為有效控制采場出礦塊度，設(shè)計(jì)中深孔鑿巖臺車于切頂平巷內(nèi)向a礦層打下向平行孔，排距1.8 m，孔距1.8 m，抵抗線2.0 m，孔底距1.8 m.礦石由4 m3柴油鏟運(yùn)機(jī)裝入20 t運(yùn)礦卡車，卸至a礦層溜井，裝入a礦層主運(yùn)輸皮帶，經(jīng)皮帶運(yùn)至主井附近a礦層主溜井，放入主井箕斗提到地面.新鮮風(fēng)流經(jīng)副井和進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入，經(jīng)盤區(qū)斜坡道或進(jìn)風(fēng)天井進(jìn)入采場，沖洗工作面后，污風(fēng)由回風(fēng)巷道、回風(fēng)天井進(jìn)入上部回風(fēng)巷，由回風(fēng)井抽出地表.采用濃度為73%的尾砂∶磷石膏配比為1∶3～1∶4的膠結(jié)充填.a礦層全段回采回采工藝同上，不同的是采場寬為6 m或者8 m，高為13 m.②b礦層.采用綜采機(jī)進(jìn)路式回采，開采分兩層，進(jìn)路高4.5 m，寬4 m，先采下分層，待下分層充填達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后進(jìn)行上分層開采，采用隔二采一的回采工藝，進(jìn)路沿礦體偽傾斜方向布置，長度約100 m，每條進(jìn)路回采后進(jìn)行充填.礦石由4 m3柴油鏟運(yùn)機(jī)裝入20 t運(yùn)礦卡車，卸至b礦層溜井，裝入b礦層主運(yùn)輸皮帶，運(yùn)至主井附近b礦層主溜井，放入主井箕斗提到地面.通風(fēng)及充填同a礦層，若先開采b礦層，則b礦層開采后形成的采空區(qū)必須采用陳化時(shí)間在3 d以內(nèi)的新鮮磷石膏制成的充填料漿作為充填材料以提高b充填體的強(qiáng)度.

3.4 采礦方法指標(biāo)對比

采礦方法優(yōu)化前后主要技術(shù)指標(biāo)對比見表2.

從表2中可以看出，雖然因?yàn)樾枇粼O(shè)保安礦柱，綜合回收率下降了3.75%，但是盤區(qū)生產(chǎn)、綜合貧化率、廢石率、副產(chǎn)率和采切比指標(biāo)均得到了大幅度的優(yōu)化[21].

圖4 a礦層分段回采采礦方法示意Fig.4 a schematic diagram of the method of segmented mining back to mine

圖5 a礦層全段回采采礦方法示意Fig.5 a schematic diagram of mining method for the whole section

表2 采礦方法優(yōu)化前后主要技術(shù)指標(biāo)對比Table 2 Comparison of main technical indicators before and after optimization of mining methods

4 結(jié) 論

通過對原采礦方法優(yōu)化，將上向分層充填法和上向進(jìn)路充填法開采改為預(yù)控頂中深孔空場嗣后充填采礦法和綜采機(jī)進(jìn)路式充填法，經(jīng)綜合分析，優(yōu)化后的采礦方法具有以下優(yōu)點(diǎn):

1）盤區(qū)生產(chǎn)能力提高了83%，完全滿足礦山500萬t/a的要求；貧化率降低了23%，將大幅度降低運(yùn)輸、提升和選廠成本.

2）廢石率得到了明顯降低，不但減少炸藥消耗，減少雇員，而且大幅度降低運(yùn)輸、提升，減少地表廢石場面積，節(jié)約地表占地，減少了設(shè)備購置費(fèi).

3）由于采用脈內(nèi)采準(zhǔn)布置，基建和生產(chǎn)期副產(chǎn)率得到了較大的提高，一定程度上加快了業(yè)主回收資金的速度.

4）通過此次采礦方法優(yōu)化，采用大型無軌機(jī)械設(shè)備，不但提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，而且可改善工人井下作業(yè)環(huán)境，為安全、高效開采打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).