云南文山斗南錳礦深部破碎巖體開采技術(shù)研究

呂達(dá)海，趙麗桃

(云南文山斗南錳業(yè)股份有限公司，云南 硯山 663101)

0 前 言

近年來，隨著錳礦資源的消耗迅猛增長，國內(nèi)開采條件較好、品位較高的錳礦資源基本上都已經(jīng)進(jìn)行了開采，有的還進(jìn)入到后期開采階段。礦石品位低、開采條件復(fù)雜、埋藏較深等錳礦資源的開采逐步得到重視，但由于尚未形成可行的系列開采技術(shù)，這類錳礦山的開采成本及錳礦資源利用的效果也很不理想，造成原本緊張的錳礦資源被不合理開采，并造成各種安全事故。

云南文山斗南錳礦破碎礦體(白姑礦區(qū)緩傾斜礦體、嘎科礦區(qū)急傾斜礦體)、貴州遵義錳礦深部緩傾斜破碎礦體、云南鶴慶錳礦急傾斜破碎富錳礦體、廣西大新錳礦深部傾斜礦體、湖南桃江錳礦極薄緩傾斜礦體、湖南湘潭錳礦急傾斜礦體的開采均經(jīng)歷了初期的粗放型階段。該類礦山產(chǎn)生的地壓災(zāi)害、巖層控制、巷道維護(hù)、采礦方法、采空區(qū)處理等均是有待解決的技術(shù)問題。隨著錳礦資源不斷減少，需要逐步通過技術(shù)研究提高資源開采率。但如何在經(jīng)濟(jì)安全的條件下實(shí)現(xiàn)錳礦資源的有效回收、如何掌握不同巖層的變形破壞規(guī)律，在確保錳礦山的安全高效開采等方面尚未進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。因此，迫切需要開展深部破碎礦體開采關(guān)鍵技術(shù)研究。

通過斗南錳礦礦山開采現(xiàn)狀和工程地質(zhì)調(diào)查、計(jì)算機(jī)模擬分析、采場爆破技術(shù)優(yōu)化等，對礦體頂板巖體的穩(wěn)固性進(jìn)行綜合評價(jià)，提出滿足礦山安全開采的采場爆破技術(shù)參數(shù)和采場頂板的加固方式，實(shí)現(xiàn)礦山安全開采的目標(biāo)。

1 礦山開采現(xiàn)狀調(diào)查

礦山開采現(xiàn)狀分別對白姑、嘎科(南北)礦區(qū)生產(chǎn)各中段進(jìn)行礦山開采現(xiàn)狀的調(diào)查，對調(diào)查的相關(guān)數(shù)據(jù)加以綜合分析，同時對采場頂板垮冒規(guī)律等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類。

通過工程地質(zhì)調(diào)查、礦巖物理力學(xué)性能的測定和對礦山地質(zhì)勘探資料分析，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀等進(jìn)行綜合研究分析，獲取戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)礦巖的相關(guān)特性，為礦巖分級提供技術(shù)依據(jù)和礦山安全開采提供條件。

對戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)生產(chǎn)各中段進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查，尋找最優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)面、節(jié)理間距等力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，并對礦巖分級。

研究戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)幾種主要礦巖體的力學(xué)性質(zhì)，即在不同的應(yīng)力作用下，研究礦巖變形及強(qiáng)度特性，為巖層穩(wěn)定性分析提供技術(shù)依據(jù)。

建立礦區(qū)開采數(shù)值模型，模擬開采過程中空區(qū)周圍的應(yīng)力、位移變化特性。

通過對戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)的系統(tǒng)研究，提出符合礦山現(xiàn)狀的采場頂板柔性加固方式、加固參數(shù)，并提供柔性加固技術(shù)設(shè)計(jì)。

1)根據(jù)上述研究結(jié)果，對戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)的礦體、圍巖進(jìn)行分類。

2)采場爆破計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化分析。采用計(jì)算機(jī)仿真軟件對白姑、嘎科(南北)礦區(qū)回采爆破效果進(jìn)行分析，從理論上尋找較為合理的采場爆破參數(shù)。

3)現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)與效果檢測。根據(jù)礦體、圍巖分類結(jié)果和采場爆破計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化分析推薦的采場爆破參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)；同時進(jìn)行爆破震動測試檢測爆破對采場頂板的影響程度。

2 礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查測試情況

該項(xiàng)目研究完成了戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)的節(jié)理裂隙調(diào)查和巖石力學(xué)性質(zhì)測試等工作，地點(diǎn)分別在戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)，其中包括戛科礦區(qū)的1825中段沿脈巷道一條、上山一條、頂板巷道一條；白姑礦區(qū)1510中段沿脈巷道一條、頂板巷道一條，以及對兩個礦區(qū)的各中段至少3種不同的地段進(jìn)行了調(diào)查、取樣，取得以下成果。

1)區(qū)內(nèi)主要有兩個含錳礦層位：①在法郎組中上部，即“上含礦段”中部的“白姑含主礦層亞段”(T2f52)；②在法郎組中下部，即“下含礦段”下部的“戛科含主礦層亞段”(T2f41)。

2)錳礦層主要由致密塊狀和條帶狀灰質(zhì)氧化錳礦和碳酸鹽錳礦組成，質(zhì)堅(jiān)性脆，節(jié)理裂隙較發(fā)育，一般由次生方解石脈充填。

3)礦層直接頂?shù)装宥嘤赡噘|(zhì)巖、粉砂巖和灰?guī)r組成。夾石由泥巖與灰?guī)r類組成，以含錳灰?guī)r為主。戛科礦段頂?shù)装寤規(guī)r占50.3%，泥巖及粉砂泥質(zhì)巖占29.1%，含錳灰?guī)r占15.7%，而粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖只占4.9%；白姑礦段頂?shù)装鍎t以粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖最多，占50.4%，次為灰?guī)r類占26.1%，含錳灰?guī)r占13.9%，泥巖及粉砂質(zhì)泥巖僅占9.6%。

3 礦巖特性研究

通過獲得的工程地質(zhì)調(diào)查資料，結(jié)合礦巖物理力學(xué)性能的測定和對礦山地質(zhì)勘探資料分析，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀等進(jìn)行綜合研究分析，取得以下研究成果。

1)斗南錳礦戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)兩個礦區(qū)的礦層埋藏于中三疊系法郎組的一套層理發(fā)育的以細(xì)碎屑為主的沉積巖中，礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育，巖石受到不同程度的破壞，造成巖石節(jié)理裂隙發(fā)育處巖石力學(xué)強(qiáng)度明顯降低。

2)斷層破碎帶中巖石極破碎，多呈摩棱巖化，部分角礫由泥質(zhì)膠結(jié)，斷層泥因擠壓多呈鱗片狀，遇水后易濕解、膨脹、軟化，滑塌現(xiàn)象較多。鉆孔在破碎帶處的巖芯采取率很低，出現(xiàn)孔壁坍塌埋鉆現(xiàn)象。同時泥質(zhì)巖石易風(fēng)化、濕解、失水而破碎。巖石抗壓強(qiáng)度均低于30 MPa，是極不穩(wěn)固的松散巖石類型。

3)礦體及頂?shù)装逡话愠手械确€(wěn)固，局部地區(qū)有泥巖，易分離，穩(wěn)固性較差。整體上認(rèn)為礦體構(gòu)造較復(fù)雜，水文地質(zhì)條件屬于中等偏簡單，礦巖穩(wěn)固性一般，對安全開采造成一定影響。須在爆破、支護(hù)形式和回采進(jìn)度等方面重視，采取切實(shí)可行的措施，提高圍巖強(qiáng)度。盡量保護(hù)采場頂?shù)装鍘r體的完整性和減少對其支護(hù)體的破壞程度，保證井下安全、高效生產(chǎn)。

提出符合礦山現(xiàn)狀的采場頂板柔性加固方式和參數(shù)，并提供柔性加固技術(shù)設(shè)計(jì)。

4 采場控制爆破工藝與參數(shù)的研究

通過深部破碎礦體巖石力學(xué)及作用機(jī)理研究，掌握斗南錳礦破碎礦體采場頂板巖層破壞規(guī)律及破壞機(jī)理、開采區(qū)域應(yīng)力變化規(guī)律及采場開采的安全可靠性，并根據(jù)研究結(jié)果制定破碎礦體頂板柔性加固和采場爆破技術(shù)方案。

通過對深部采場結(jié)構(gòu)參數(shù)與布置方式、分區(qū)開采及其開采順序、礦柱結(jié)構(gòu)與布置方式等研究，確定斗南錳礦深部破碎礦體采礦方法和回采工藝。

通過頂板柔性加固等措施改善破碎礦體開采條件，采用自主知識產(chǎn)權(quán)的破碎礦體采礦方法和回采工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深部破碎礦體的安全開采，提高深部破碎礦體回采率。

5 礦山地質(zhì)與開采現(xiàn)狀

5.1 礦山地質(zhì)

區(qū)內(nèi)向斜位于斗南向斜中部邊緣，為一軸向北50(°)東，北翼平緩，南翼陡立；軸部為晚三疊烏格組，兩翼為中三疊世法郎組和個舊組。礦區(qū)西起戛科、東至尼龍拱，東西長7.5 km，南北寬0.15～0.17 km，面積19 km2，全區(qū)分為5個礦段，其中以戛科、白姑為主要礦段，其礦石質(zhì)量最好。

5.1.1 礦體地質(zhì)特征

1)礦層規(guī)模、形態(tài)、產(chǎn)狀

白姑礦段的礦層自上而下有8個層位，主要呈層狀、似層狀、透鏡狀賦存于T2f52亞段中，傾向南東，走向北東，傾角45(°)～16(°)。

戛科礦段有8個礦層，呈層狀。似層狀賦存于T2f41亞段中，走向北東，傾向南東、北西，傾角18(°)～90(°)。

2)礦石類型和物質(zhì)成分

礦石自然類型分為表生氧化錳礦石和原生灰質(zhì)氧化錳礦石兩大類。礦石一般呈鮞狀、豆?fàn)睢⑽⒕Я?，碎屑狀結(jié)構(gòu)，且塊狀，條帶狀及斑狀構(gòu)造。

5.1.2 礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)位于藏滇歹字型構(gòu)造的左支，經(jīng)歷了印支運(yùn)動以來的多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動，給礦區(qū)留下了以褶皺、斷裂為主的構(gòu)造形跡。

5.1.3 礦山開采現(xiàn)狀

斗南錳礦擁有戛科礦段和白姑礦段兩個礦段，開采規(guī)模30×104t/a，其中嘎科礦段主要開采V1礦層，主要為傾斜礦體到急傾斜礦體，生產(chǎn)規(guī)模18×104t/a。白姑礦段主要開采有V9、V8、V7a3層礦層，主要為緩傾斜礦體，生產(chǎn)規(guī)模12×104t/a。

5.2 研究方法和技術(shù)路線

研究工作采用理論計(jì)算分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)查與監(jiān)測及經(jīng)驗(yàn)類比相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

根據(jù)礦巖體工程地質(zhì)特征和物理力學(xué)性質(zhì)，用多種方法評價(jià)礦巖體的質(zhì)量；依據(jù)礦巖體工程地質(zhì)特征及巖體質(zhì)量，對礦巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)；用數(shù)值模擬方法模擬分析頂板巖體在不同采礦階段的穩(wěn)定性和冒落過程。

根據(jù)采場控制爆破震動測試，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化分析，檢測爆破對采場頂板的影響程度。

根據(jù)礦體賦存條件和礦山具體情況，制定符合礦山實(shí)際的采礦方法和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。提出技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的支護(hù)方案。研究技術(shù)路線如圖1所示。

5.3 礦巖特性研究

為了進(jìn)行采場頂板穩(wěn)定性分類及回采落礦與支護(hù)形式和參數(shù)的選取，確定傾斜礦體多層礦體開采順序和開采超前關(guān)系，對斗南分礦白姑礦段部分礦巖分別補(bǔ)充進(jìn)行了點(diǎn)荷載試驗(yàn)、巖層間弱面的直剪試驗(yàn)。

5.3.1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

點(diǎn)荷載試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)來估算礦巖的單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度。

試驗(yàn)儀器:攜帶式點(diǎn)荷載儀XD-2型，其中包括加載系統(tǒng)、量測巖石破壞系統(tǒng)和測量尺寸及加荷載之間距離系統(tǒng)3部分組成。

圖1 研究技術(shù)路線

取樣與試驗(yàn)：樣本采集于白姑礦段1 560 m水平部分采場和巷道中，對不規(guī)則樣本要求采集上、下面大致平行，長×寬×高約為(60～75)×(50～60)×(40～50)mm，按規(guī)定每組試樣在自然風(fēng)干狀態(tài)下一般不少于20個，因此樣品具有良好的代表性。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)并按照礦巖點(diǎn)荷載儀試驗(yàn)操作規(guī)程及步驟進(jìn)行。

本次試驗(yàn)采用式(1)和式(2)計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度。

σc=22Is(50)

(1)

σt=2.2Is(50)

(2)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，補(bǔ)充礦巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 補(bǔ)充礦巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果 MPa

5.3.2 巖層間弱面直剪試驗(yàn)

巖層間弱面直剪試驗(yàn)的目的是確定礦巖破壞峰值(粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ)，以及殘余內(nèi)摩擦角(φ′)的大小。樣本在干燥狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 巖層間弱面直剪試驗(yàn)結(jié)果

有關(guān)巖體穩(wěn)固性等級與物理力學(xué)參數(shù)對照見表3。

表3 巖體穩(wěn)固性等級與物理力學(xué)參數(shù)

在表3中各級別的圍巖自穩(wěn)能力不一樣：①級別Ⅰ跨度≤20 m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊，圍巖無塌方。②級別Ⅱ跨度10～20 m，可基本穩(wěn)定，局部可掉塊或小塌方。③級別Ⅲ跨度10～20 m，可穩(wěn)定數(shù)日至1月，可發(fā)生小至中塌方(塌方高<3 m或塌方體積30 m3)；跨度5～10 m可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體移動及小至中塌方；跨度<5 m，圍巖可基本穩(wěn)定。④級別Ⅳ跨度>5 m，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日至數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動、小塌方，進(jìn)而發(fā)展為中至大塌方。埋深小時，以拱部松動為主，埋深大時，有明顯塑性流動和擠壓破壞?？缍取? m，圍巖可穩(wěn)定數(shù)日至1月。⑤級別Ⅴ圍巖無自穩(wěn)能力。其中小塌方是指塌方高<3 m或塌方體積<30 m3；中塌方是指塌方高3～6 m或塌方體積30～100 m3；大塌方是指塌方高>6 m或塌方體積>100 m3。

礦區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 礦區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

5.4 巖組劃分

斗南錳礦區(qū)出露的地層為三迭系上統(tǒng)鳥格組、下統(tǒng)法郎組、個舊組，根據(jù)巖性及巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果劃分為6個巖組。① 松散巖組(Ⅰ)； ②較軟巖組(Ⅱ)；③較硬巖組(Ⅲ)：T2f46為上含礦段頂板，與采礦關(guān)系密切，穩(wěn)固性中等；④較軟—堅(jiān)硬巖組(Ⅳ)；⑤較硬—堅(jiān)硬巖組(Ⅴ)，粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖巖體質(zhì)量中等，抗壓強(qiáng)度31.14～51.92 Mpa，軟化系數(shù)0.58～0.67，與采礦關(guān)系密切，穩(wěn)固程度中等；⑥堅(jiān)硬巖組(Ⅵ)。

5.5 斷裂帶工程地質(zhì)特征

礦區(qū)錳礦層賦存于中三疊系法郎組中，為層理發(fā)育的以細(xì)碎屑為主的沉積巖，其巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及灰?guī)r。由于區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖石多受到破壞。故影響礦床開采的工程地質(zhì)條件主要因素為礦層及其頂?shù)装鍘r性特征和斷裂破碎帶。

礦區(qū)錳礦層頂、底板巖石結(jié)構(gòu)較差，開采深部礦體過程中易引起坍塌、冒頂。另外，采掘工程經(jīng)過斷裂帶時會發(fā)生坍塌，是掘進(jìn)、回采過程中的主要的工程地質(zhì)不利因素，應(yīng)注意支護(hù)和加固。礦區(qū)工程地質(zhì)條件中等。

礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育中等，白姑比戛科稍簡單。主要有NNE、NW、 NWW和NS向4組，多為高角度的正斷層，少數(shù)為逆斷層。礦區(qū)內(nèi)小斷層小褶皺也比較發(fā)育。多含脈狀裂隙水，這不僅破壞了巖層的完整性，還往往形成地下水活動的通道，降低了巖層的穩(wěn)固性。

5.6 研究分析

1)從礦山的地質(zhì)資料和生產(chǎn)現(xiàn)狀了解到斗南分礦兩個礦段的礦巖特性，礦層埋藏于中三疊系法郎組的一套層理發(fā)育的以細(xì)碎屑為主的沉積巖中，礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育，巖石受到不同程度的破壞，造成巖石節(jié)理裂隙發(fā)育處巖石力學(xué)強(qiáng)度明顯降低。

2)斷層破碎帶中巖石極破碎，多呈摩棱巖化，部分角礫由泥質(zhì)膠結(jié)，斷層泥因擠壓多呈鱗片狀，遇水后易濕解、膨脹、軟化，滑塌現(xiàn)象較多。鉆孔在破碎帶處的巖芯采取率很低，出現(xiàn)孔壁坍塌埋鉆現(xiàn)象。同時泥質(zhì)巖石易風(fēng)化、濕解、失水而破碎。巖石抗壓強(qiáng)度均低于30 MPa，是極不穩(wěn)固的松散巖石類型。

3)礦體及頂?shù)装逡话愠手械确€(wěn)固，局部地區(qū)有泥巖，易分離，穩(wěn)固性較差。整體上認(rèn)為礦體構(gòu)造較復(fù)雜，水文地質(zhì)條件屬于中等偏簡單，礦巖穩(wěn)固性為一般，且對安全開采造成一定影響。礦山須在爆破、支護(hù)形式和回采進(jìn)度等方面重視，采取切實(shí)可行的措施，提高圍巖強(qiáng)度。盡量保護(hù)采場頂?shù)装鍘r體的完整性和減少對其支護(hù)體的破壞程度，保證井下安全、高效生產(chǎn)。

6 結(jié) 語

為斗南錳礦戛科礦區(qū)和白姑礦區(qū)的安全回采提供了科學(xué)的決策依據(jù)，而且可為礦山的地下硐室、巷道工程掘進(jìn)的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)的選擇提供決策依據(jù)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 礦山綜合回采率由設(shè)計(jì)的78%提高到86.73%，每年可以為礦山多回采3.105萬t礦石，可以充分回收錳礦戰(zhàn)略資源。按照1 200元/t，每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1 043.6萬元。

2) 礦山貧化率由12%降低到8.4%，減少選礦處理成本350元/t，按照減少處理量1.08萬t/a計(jì)算，每年節(jié)約選礦生產(chǎn)成本378萬元。

3) 礦山減少炸藥消耗量為20%，按目前炸藥單價(jià)計(jì)算，節(jié)約炸藥費(fèi)合計(jì)為30 000元/a。

4)采場爆破優(yōu)化，每年減少頂板加固工程量為2.0萬m2，按40元/m2計(jì)算，節(jié)約800 000元/a。

每年可以為礦山獲得1 531.6萬元的經(jīng)濟(jì)效益。從2008-2011年推廣應(yīng)用期間，共取得經(jīng)濟(jì)效益4 594萬元。礦山安全生產(chǎn)條件得到較大改善，安全生產(chǎn)事故有了較大幅度的下降，社會效益明顯。