高寒礦井復(fù)雜難采礦體采礦方法研究與選擇

劉 海， 葛啟發(fā)， 王志遠(yuǎn)， 朱維根， 張愛民

(1.香格里拉市云礦紅牛礦業(yè)有限公司， 云南 香格里拉 674400； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境學(xué)院， 北京 100083)

1 前言

礦區(qū)地處滇西云嶺支脈，區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低，東高西低，海拔4 000～4400m，相對(duì)高差400m以上，為深切割高山峽谷地貌。本區(qū)屬寒溫帶氣候，年平均氣溫5.4℃，最熱月平均氣溫13.2℃，最冷月平均氣溫-3.8℃，日照百分率為49.6%。5-10月氣候較為溫和，11月至第二年4月為積雪期。年平均降雨量619.9mm，雨季(5-10月)降水量占全年降水量的87.1%。無霜期僅128天。礦區(qū)處次穩(wěn)定區(qū)，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

礦區(qū)主礦體產(chǎn)于大理巖邊部矽卡巖帶中，呈似層狀。走向北西—南東向，傾向235°～255°，傾角61°～87°。主礦體傾角大、礦層陡立，利于巖層的穩(wěn)定。礦層上部向北西傾伏，下部?jī)A向南東，同一礦層的頂板與底板相互轉(zhuǎn)換。礦層的頂板與底板巖性主要是三種，大理巖、角巖化變質(zhì)石英砂巖、糜棱巖化變質(zhì)石英砂巖(含部分板巖)。礦石工業(yè)類型以矽卡巖型銅礦石為主，次為角巖化變砂巖型銅礦石，RQD為62%，礦體穩(wěn)定性較好。

礦層的主要頂板、底板，空間展布連貫。結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，多為Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，延伸性差的為主，多閉合狀，鈣質(zhì)、泥質(zhì)充填為主。原生層(板)理面延伸性極好，寬度一般幾毫米，個(gè)別達(dá)幾厘米，砂泥質(zhì)充填軟弱夾層，對(duì)硐室圍巖穩(wěn)定性影響大。然而，由于產(chǎn)狀與礦層相近，與硐室圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系不大，不對(duì)硐室圍巖穩(wěn)定性起控制作用。巖石強(qiáng)度高，緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，結(jié)構(gòu)面的展布與坑道的延伸空間組合關(guān)系不是最不利于圍巖穩(wěn)定的；礦層頂板、底板穩(wěn)定性較好。

該礦屬于矽卡巖礦床，礦體變化較大，礦山分為西部高品位薄- 中厚礦體群和東部較低品位的中厚- 厚礦體帶，礦山目前采用淺孔留礦嗣后充填法進(jìn)行地下開采，上下盤圍巖穩(wěn)定性較差，容易垮塌造成廢石混入，導(dǎo)致采場(chǎng)貧化率高、生產(chǎn)效率低，不能達(dá)到礦山的生產(chǎn)任務(wù)要求。同時(shí)，礦山位于環(huán)境脆弱的保護(hù)區(qū)附近，地表不容許塌陷，礦山充填攪拌站即將建成，根據(jù)礦山的實(shí)際情況，以“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！睘樵瓌t，擬對(duì)東部礦體進(jìn)行單獨(dú)的采礦法研究[1-3]。

2 采礦方法選擇

2.1 可供選擇的采礦方法

針對(duì)該礦區(qū)東部中厚礦體且不允許崩落的特點(diǎn)，以“安全、經(jīng)濟(jì)、高效”的原則，根據(jù)國(guó)內(nèi)外部分礦山的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過采礦方法初選后，確定分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ê头謱映涮罘閭溥x采礦方法[4-6]。這兩種采礦方法礦塊參數(shù)如下。

1)分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

采場(chǎng)沿礦體走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)60m，寬為礦體厚度，采場(chǎng)高度即為中段高度，分4個(gè)分段，分段高度12.5m。采場(chǎng)之間留6m間柱，每隔10～12m的布置一條出礦進(jìn)路。采場(chǎng)底部采用平底結(jié)構(gòu)。結(jié)合開采技術(shù)條件，需要有效控制采場(chǎng)空區(qū)的暴露面積，一般情況下，采場(chǎng)設(shè)計(jì)為兩步驟回采，即一次回采兩個(gè)分段，從下往上依次回采；針對(duì)局部破碎帶及裂隙發(fā)育地段，可按照單個(gè)分段進(jìn)行回采作業(yè)[7-8]。

2)點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法

采場(chǎng)沿走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)60m，兩側(cè)分別設(shè)置厚度3m的采場(chǎng)礦柱，厚度為礦體厚度。采場(chǎng)內(nèi)留點(diǎn)柱，點(diǎn)柱斷面尺寸為4.5m×4.5m。分層充填高度4m，分層下部3.5m采用灰砂比1∶20的充填料進(jìn)行充填；分層上部0.5m采用灰砂比1∶4膠結(jié)充填，掘進(jìn)的廢石就近用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)到采場(chǎng)充填[9-10]。

2.2 采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)采礦方法選擇的原則，采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合比較，其比較結(jié)果見表1。

表1 采礦方法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

通過表1可以看出，方案Ⅱ雖然貧化率指標(biāo)很好，但由于該方案盤區(qū)生產(chǎn)能力低，采礦成本偏高，該方案經(jīng)濟(jì)效益差。方案Ⅰ按現(xiàn)時(shí)50 000元/t銅價(jià)，可比凈現(xiàn)值高于方案Ⅱ，經(jīng)濟(jì)效益較好，因此，推薦選擇方案Ⅰ，即分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。

2.3 采礦方法回采工藝

分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法如圖1所示。

1) 采切工程

采準(zhǔn)工程有分段出礦巷道、分段鑿巖巷道、出礦穿脈、出礦進(jìn)路、人行回風(fēng)天井、出礦水平回風(fēng)穿脈等；切割工程有切割槽。分段出礦巷道布置在下盤脈外，通過采區(qū)斜坡道使其與上下聯(lián)通，鑿巖巷道沿礦體走向脈內(nèi)布置，鑿巖巷道通過人行回風(fēng)天井連接，出礦分段鑿巖巷道通過聯(lián)絡(luò)道與分段巷道連接。

2) 回采

1-運(yùn)輸巷道；2-炮孔；3-出礦進(jìn)路；4-分段巷道；5-鑿巖巷道；6-采準(zhǔn)斜坡道；7-人行通風(fēng)井；8-礦石溜井；9-礦柱；10-充填體；11-礦石圖1 分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

鑿巖采用YGZ- 90型中深孔鉆機(jī)在分段鑿巖巷道內(nèi)鑿上向扇形炮孔，排距為1.5m，孔底距為1.5～2m，鉆孔直徑70mm。采用粒狀銨油炸藥和非電導(dǎo)爆系統(tǒng)起爆。每次爆2～3排孔，可以多分段同時(shí)側(cè)向崩礦，爆破后形成梯段工作面。爆下的礦石用2m3的ACY- 2型柴油鏟運(yùn)機(jī)集中在采場(chǎng)底部出礦。

3) 采場(chǎng)通風(fēng)

新鮮風(fēng)流由中段石門進(jìn)入裝礦巷道沖洗工作面，或經(jīng)過人行回風(fēng)天井或采準(zhǔn)斜坡道進(jìn)入分段鑿巖工作面，污風(fēng)由采場(chǎng)空區(qū)經(jīng)充填水平回風(fēng)天井排出地表。

4) 充填

為了嚴(yán)格控制空區(qū)暴露面積和暴露時(shí)間，在一次回采結(jié)束后，及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填。在頂、底部5m厚分別采用灰砂比1∶6和1∶10的進(jìn)行膠結(jié)充填，中間15m厚可采用灰砂比1∶20的膠結(jié)充填。充填體設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為1.2～1.5MPa，最終設(shè)計(jì)強(qiáng)度需要進(jìn)行試驗(yàn)確定。

3 基于Mathews穩(wěn)定圖的采場(chǎng)暴露面積分析

Mathews穩(wěn)定圖法是1981年提出的，該方法最初統(tǒng)計(jì)了50個(gè)工程實(shí)例的穩(wěn)定數(shù)和崩落水力半徑，并把他們的關(guān)系繪制成了穩(wěn)定圖，其相對(duì)簡(jiǎn)單但理論上并不嚴(yán)密。起初該方法被加拿大用于空?qǐng)霾傻V設(shè)計(jì)并制定了相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在此之后，Diederichs和Kaiser、Trueman等將工程實(shí)例的數(shù)量增加到了500例，并重新繪制了穩(wěn)定圖。Mawdesley采用對(duì)數(shù)回歸的方法，對(duì)穩(wěn)定區(qū)、大破壞區(qū)等進(jìn)行了重新定義，在采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系后各不同的區(qū)帶間，可用平行的直線表示[11-12]。

基于對(duì)數(shù)回歸分析改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定圖如圖2所示，Mathews穩(wěn)定圖法中的調(diào)整系數(shù)如圖3所示。

圖2 基于對(duì)數(shù)回歸分析改進(jìn)的Mathews穩(wěn)定圖

圖2所示的Mathews穩(wěn)定圖被兩條直線劃分了3個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定區(qū)、破壞或主要破壞區(qū)及崩落區(qū)。其中，穩(wěn)定-破壞線表示，落在這條線上的工程，采場(chǎng)穩(wěn)定的概率為57%，破壞或主要破壞出現(xiàn)的概率是43%，崩落出現(xiàn)的概率為0%；破壞- 崩落線表示，落在這條線上的工程，采場(chǎng)穩(wěn)定的概率為0%，破壞或主要破壞出現(xiàn)的概率是5%，崩落出現(xiàn)的概率為95%。穩(wěn)定區(qū)表示在此區(qū)域的工程時(shí)穩(wěn)定的，破壞或只要破壞區(qū)表示在此區(qū)域的工程穩(wěn)定的概率是0%～57%，破壞發(fā)生的概率是5%～43%，崩落發(fā)生的概率是0%～95%，崩落區(qū)表示在此區(qū)域的工程發(fā)生持續(xù)崩落。

Mathews穩(wěn)定圖的應(yīng)用分為2個(gè)步驟：首先確定礦巖體的穩(wěn)定數(shù)N，該指標(biāo)表征巖體在給定的應(yīng)力條件下的自穩(wěn)能力；其次是估算采場(chǎng)的水力半徑S，該指標(biāo)表征拉底面的幾何形狀。

形狀因子或水力半徑S計(jì)算方法為

(1)

式中：S0——采場(chǎng)幫壁面積；

C0——采場(chǎng)幫壁周長(zhǎng)；

a——采場(chǎng)長(zhǎng)度，m；

b——采場(chǎng)寬度，m。

穩(wěn)定數(shù)N類似于Laubscher崩落圖中的MRMR，其計(jì)算方法為

N=Q′×A×B×C

(2)

(3)

式中，Q′為NGI分類方法所獲得的巖體質(zhì)量Q指標(biāo)，近似于Q分類方法的Q值；A為巖石應(yīng)力系數(shù)；B為節(jié)理產(chǎn)狀調(diào)整系數(shù)；C為重力調(diào)整系數(shù)，A，B，C均參考圖3取值。

圖3 Mathews穩(wěn)定圖法中的調(diào)整系數(shù)

4 采場(chǎng)暴露面積和穩(wěn)定性研究

4.1 采場(chǎng)暴露面積研究

本次研究采場(chǎng)直接頂板巖組為礦體，平均埋深100m，頂板與水平面夾角0°，上盤暴露面與水平面夾角70°～90°，上盤圍巖分大理巖和低品位礦石兩種情況。

1)直接頂板暴露面積計(jì)算

該區(qū)域礦體巖組的巖體質(zhì)量參數(shù)RMR=66，由式(3)計(jì)算得出，Q′=11.52。

由于缺乏相關(guān)地應(yīng)力測(cè)量資料，本研究取采場(chǎng)平均埋深100m估算采場(chǎng)中線采礦產(chǎn)生的壓應(yīng)力為4.5MPa，礦體巖組單軸抗壓強(qiáng)度為50.75MPa，通過計(jì)算壓應(yīng)力之比σc/σ1=50.75/4.5=11.3；查圖3得出A=1。

通過礦山已有裂隙調(diào)查成果分析，礦體巖組內(nèi)共發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為316°∠51°、195°∠31°；查詢圖3得出，B=0.35。

本研究采場(chǎng)與水平面夾角為0°；由圖3得出C=1。

因此，計(jì)算穩(wěn)定數(shù)N=Q′×A×B×C=11.52×1×0.35×1=4。

采場(chǎng)直接頂板穩(wěn)定數(shù)N=4，對(duì)比圖2，此時(shí)極限穩(wěn)定狀態(tài)的采場(chǎng)形狀系數(shù)S≈5。此外，本次研究區(qū)域采場(chǎng)長(zhǎng)度根據(jù)工程實(shí)際確定為42m，根據(jù)采場(chǎng)穩(wěn)定性要求，根據(jù)式(1)計(jì)算采場(chǎng)極限寬度bmax為13.1m，即采場(chǎng)的最大跨度不能超過13.1m。

2)上盤大理巖組暴露面積計(jì)算

該區(qū)域礦體上盤大理巖組的巖體質(zhì)量參數(shù)RMR=58，由式(3)計(jì)算得出，Q′=4.74。

由于缺乏相關(guān)地應(yīng)力測(cè)量資料，本研究取采場(chǎng)平均埋深100m估算采場(chǎng)中線采礦產(chǎn)生的壓應(yīng)力為4.5MPa，上盤大理巖組單軸抗壓強(qiáng)度為21.74MPa，通過計(jì)算壓應(yīng)力之比σc/σ1=21.74/4.5=4.8；查圖3得出，A=0.45。

通過礦山已有裂隙調(diào)查成果分析，大理巖組內(nèi)共發(fā)育三組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為269°∠81°、14°∠49°、159°∠42°；查詢圖3得出，B=0.3。

本研究采場(chǎng)與水平面夾角為70°～90°；由圖3得出C=5.6～8。

因此，通過式(2)計(jì)算，上盤為大理巖組穩(wěn)定數(shù)N=3.2～5。

針對(duì)該區(qū)域較典型的區(qū)域，采用Mathews穩(wěn)定圖法對(duì)該礦區(qū)域內(nèi)的采場(chǎng)暴露面積進(jìn)行了綜合分析，采場(chǎng)直接頂板穩(wěn)定數(shù)N=3.2～5，此時(shí)極限穩(wěn)定狀態(tài)的采場(chǎng)形狀系數(shù)S≈4～6。通過計(jì)算，極限斜長(zhǎng)b≈10～16.8m，采場(chǎng)極限垂直高度9～16.8m，該高度對(duì)于分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄝ^小。

3)上盤礦體暴露面積計(jì)算

根據(jù)礦山的實(shí)際情況上盤圍巖為低品位礦石，處于礦體中，通過上述計(jì)算得出：Q′=11.52，A=1，B=0.3，C=5.6～8。

通過計(jì)算，上盤為礦體穩(wěn)定數(shù)N=18～27，此時(shí)極限穩(wěn)定狀態(tài)的采場(chǎng)形狀系數(shù)S≈10～13。通過計(jì)算，極限斜長(zhǎng)b≈38～68m，采場(chǎng)極限垂直高度36～68m，該高度對(duì)于分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄊ潜容^適合的。

4.2 采場(chǎng)穩(wěn)定性分析

通過對(duì)采場(chǎng)暴露面積計(jì)算，如果以較不穩(wěn)固的大理巖作為直接上盤，其采場(chǎng)高度只有9～16.8m，對(duì)于中深孔高度來說，這個(gè)距離是不經(jīng)濟(jì)的；而通過調(diào)整上盤圍巖性質(zhì)，部分貧礦作為上盤圍巖，其穩(wěn)定性較好，采場(chǎng)高度可達(dá)36～68m，這與實(shí)際是相符的。因此，采用Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算分析，一方面得出采場(chǎng)穩(wěn)定性尺寸，盤區(qū)走向長(zhǎng)60m，寬度不超過13m，高度不超過36～68m；另外一方面證明，該區(qū)域的采礦方法選擇的可行性。

5 結(jié)論

針對(duì)礦巖不太穩(wěn)固和品位不太高的中厚礦體開采的技術(shù)難題，本文以某銅礦東部礦體為研究背景，選擇高效、經(jīng)濟(jì)的采礦方法，分析了回采單元的合理尺寸和采場(chǎng)穩(wěn)定性，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在采礦方法初選中，選擇了分段空?qǐng)鏊煤蟪涮詈忘c(diǎn)柱式上向水平分層充填兩種采礦方法，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的比較可以看出，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的經(jīng)濟(jì)效益最好。

(2) 通過上盤圍巖性質(zhì)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響分析，建議該區(qū)域保留部分低品位礦石作為采場(chǎng)上盤圍巖，以實(shí)現(xiàn)高效的開采，這與實(shí)際情況是相符的。

(3) 通過Mathews穩(wěn)定圖法計(jì)算分析，一方面得出采場(chǎng)穩(wěn)定性尺寸，盤區(qū)走向長(zhǎng)60m，寬度不超過13m，高度不超過36～68m；另外一方面驗(yàn)證了該區(qū)域的采礦方法選擇的可行性。

(4) 該區(qū)域開采地應(yīng)力、圍巖性質(zhì)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性影響較大，生產(chǎn)過程應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況開展相關(guān)研究工作，及時(shí)進(jìn)行采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)礦山持續(xù)、高效、經(jīng)濟(jì)的開采。