膠結充填采礦工藝中存在的問題和改進措施

陳宗林

(金川集團公司二礦區, 甘肅金昌市 737100)

膠結充填采礦工藝中存在的問題和改進措施

陳宗林

(金川集團公司二礦區, 甘肅金昌市 737100)

對機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦工藝中采準工程布置、盤區劃分、進路回采、充填工藝、提高回采強度等方面進行了分析,指出存在的采礦設備利用率不高、生產效率低下等問題,有針對性地提出了改進方案和改進措施。

膠結充填;采礦工藝;問題分析;改進措施

金川集團公司二礦區采用的采礦方法是機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦法,該方法在長 100 m、寬為礦體厚度 (約 80～150 m)的采區 (即盤區)內,組織機械化開采。中段高 100～150 m,分段高 20 m,分段道沿走向布置,在上盤圍巖中布置分斜坡道連通上下兩個分段,每個盤區布置一條脈外溜井,溜井聯絡道與分段道連通,盤區分層聯絡道通向回采分層,分層高 4.0 m。回采進路沿礦體走向布置或垂直礦體走向布置,進路斷面 5 m×4 m。鑿巖采用雙臂電動液壓臺車,礦石運搬采用 H928D 6 m3鏟運機。進路充填時先清底、吊掛鋼筋、板墻封口后采用高濃度細砂管道輸送膠結充填。采場通風采用預留充填回風小井方式,新鮮風流通過分段道、分層聯絡道進入采場,在輔扇抽出 (負壓)作用下形成貫穿風流排出采場。盤區生產能力為 118～132 t/班,勞動強度大,生產效率低,機械化開采的優勢未充分發揮。

1 采礦工藝存在的問題

機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦法見圖1。該采礦方法有較多的工藝優勢和工藝特點,但隨著科技進步,該采礦工藝也暴露出了許多與經濟發展不協調的問題和缺點,主要體現在以下幾方面:

圖1 機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦法

(1)采準工程量大、礦山工程投入多、采礦成本高。該采礦方法的采準工程有分斜坡道、分段道、礦石溜井、溜井聯絡道、進風井及聯絡道、分層聯絡道、回風充填聯絡道、預留假坑道等,采準工程量十分巨大,采切比達到 3.609 m/kt。二礦區目前下降速度快的盤區采準工程嚴重滯后,下降速度慢的盤區采準工程則閑置,導致分段工程服務年限被迫延長,加大了返修工程量。充填采礦方法本身所固有的局限性,金川礦山幾乎每采出 1 m3礦石就要充填進 1 m3混凝土,而且,為了給下一分層創造安全的作業環境,對充填體的要求很高,這就造成采礦成本居高不下。

(2)采礦方法開層困難、假頂層難做、預留工程量巨大。從二礦區 1150,1000 m兩個中段第一分層回采情況看,機采盤區開層十分困難。要形成完整的假頂層,至少要回采 3～4層才能完成,個別盤區直到第 5層、第 6層才能形成較為完整的假頂層。開層時片幫、冒頂時有發生,所有回采進路均要全斷面支護,既降低了生產效率,又增大了采礦成本。預留的假坑道受采礦擾動影響,變形破壞嚴重,造成采場通風差,溫度高,影響生產效率的提高。

(3)盤區劃分和進路布置不盡合理。目前,二礦區每 100 m劃分一個盤區,形成一個分段布置 8個盤區相對獨立回采。由于受人力、車輛設備投入的限制,每個盤區只能布置一條分層聯絡道和配備一臺套采礦設備,造成小盤區車輛配備能力過剩,而大盤區則顯不足,設備效率不能充分發揮。因盤區長度小,無法布置兩條分層聯絡道,當盤區轉層轉段時,盤區持續生產則受到限制,如果再采掘失調,盤區生產更受影響。其主要表現在兩個方面:一是這種采礦方法所要求的采準工程限制和進路式采礦對設備鏟礦效率的限制,致使設備不均衡負荷運轉,出礦效率低下,沒有發揮無軌設備在短距離內能高效轉運礦石的能力,導致大型無軌設備的利用率沒有得到充分發揮;二是進路式采礦的崩礦效率低—據現場調查,每次崩礦量大約 120 t(進尺約 2.4 m左右)左右,與最初設計的每炮進尺 3.6 m相差甚遠,而且每個盤區每個班只能完成兩個循環。由于受到盤區長度小,脈內預留風井限制等因素的影響,盤區分層聯絡道、分層道布置相對固定,不能將盤區劃分為備采區、回采區、充填區 3大塊。生產工區為了完成生產計劃定額,在進路回采時多開口、亂開口,充填區內有回采,回采區內有充填,造成回采區受充填影響泥水多、工業衛生差,甚至無法回采。在充填區內受采礦影響造成板墻不穩跑灰漏漿,充填體強度大受影響。另外,還造成剛充填完就著急回采相鄰進路,而使相鄰進路的充填體后期強度形成受到很大影響,甚至導致其下分層頂板的開裂脫層。

(4)工業衛生差。為了解決充填體假頂暴露時間長易產生冒落的安全隱患,保證充填接頂,采場充填時泥水多、排污困難,采場工業衛生差。每條進路回采結束,都必須人工砌充填擋墻、架設充填管線,在進路內敷設底筋和吊筋等,生產工人的勞動強度大。并且由于盤區內部通風效果較差,工人的體力消耗也比較大。

(5)盤區回采強度低。目前二礦區大盤區平均每年采出礦量 24萬 t左右,回采強度只有 12.5 t/m2·a;小盤區平均回采面積 9500 m2,回采強度為18.9 t/m2·a。目前國內平均回采強度為 20～30 t/m2·a,金川礦區的盤區生產能力還達不到全國礦山企業回采強度的下限。機械化盤區設計的生產能力為 33萬 t/a,而多年的生產實踐表明,機械化盤區的實際生產能力只能達到原設計的 55%～70%,因此礦山為了完成既定的任務必須采用“廣種薄收”的辦法,所有的生產盤區全部生產才能完成公司的任務,無備用盤區。

(6)礦石搬運距離大,生產效率低,材料消耗大。二礦區機械化盤區目前的平均運距均在 300 m以上(單程最大運距可達 480 m)。鏟運機平均往返時間 480 s,利用率不足 60%,鏟運機生產能力平均只有 72.5 t/h。同時給車輛帶來較大磨損,導致備品備件超耗,輪胎費用增加,生產成本上升。

2 改進措施

2.1 采準工程布置的改進

采準工程的改進見圖2。

圖2 采準工程改進方案

(1)溜井布置在分段道內側或者脈內布置溜井。

(2)加大分段高度,由原來分段高 20 m服務 5層變為分段高 24 m服務 6層。

(3)分層聯絡道呈樹枝狀布置。

其優點在于:縮短鏟運機運距;減少采準工程量,采切比由 3.609 m/kt降為 2.843 m/kt;鏟運機不出分段道,增加了分段道內行人的安全性;因分段道距礦體較遠,降低了采礦對分段道的擾動,使分段道變形破壞因素減少,增加了分段道的穩固性,減少了分段道的返修量。

2.2 優化盤區尺寸

將目前每 100 m劃分一個盤區,加大到每 140～150 m為一個盤區。

其優點是:可將盤區再劃分為回采區、充填區、備采區,使采充互不影響,既有利于充填體強度的養護,又減少采場污染,還有利于提高生產效率;有利于轉層轉段;減少盤區數目后,有利于采礦設備的配備和備用,有時間有精力保養維修設備;有利于巷道返修維護,不至于因返修巷道影響生產。

2.3 上下分層進路交錯布置

如果沿上分層進路方向布置下分層進路,當進路開采時,充填體頂板形成懸臂梁;而交錯布置時則形成簡支梁,跨度僅為進路寬度 (見圖3)。

圖3 同方向布置與交錯布置示意

根據梁受力狀態分析,懸臂梁剪應力狀態見圖3B,簡支梁剪應力狀態見圖3D。當剪應力大于充填體抗剪強度時,充填體頂板發生開裂、變形甚至冒落。

上下層回采進路采用交錯布置時,可以消除上下兩層進路平行布置時造成的懸臂梁作用,避免充填體頂板的應力集中,提高盤區充填體頂板的整體穩定性。進路采用交錯布置方式后,不僅大大改變充填體頂板的受力狀態,而且承受剪應力最小,不必象以前那樣為了防止充填體頂板冒落而架設大量的木棚子,降低了生產成本,并為加大進路斷面提供可靠依據,使盤區生產能力提高近 15%。

2.4 充填工藝的改進

(1)加厚擋墻,提倡兩次充填接頂,改變目前一次打底,二次補充,三次補口接頂的充填次序。其優點在于:減少了充填水并降低了水泥的用量,減少了采場污染次數,便于充填準備和充填管理,有利于提高充填效率。

(2)改變充填體內吊筋布置。根據充填機理研究的理論數據,充填體頂板主要承受拉應力,應力方向與吊筋方向垂直。吊筋相當于錨桿,起錨桿支護的懸吊作用。當進路長度大于 50 m時,充填體強度很難抗衡橫向拉應力和縱向剪應力,充填體假頂易發生脫層,故吊筋的懸吊作用凸顯,建議適當增加吊筋直徑,以增強充填體頂板的抗拉強度。

(3)充填底筋敷設方式改進。底筋敷設原為人工進行,鋼筋與鋼筋之間要靠手工方式在進路里綁扎,勞動強度大,效率低,鋼筋的整體強度也很難保證。現改為將鋼筋焊接加工成 2.25 m×4.25 m的網片,充填時運至井下進行敷設。改進后提高了勞動效率,鋼筋的整體性好,鋼筋網度比較均勻,有助于提高充填質量。

(4)增設濾水裝置,使接頂更充分,減少接頂時的溢流量。將研究成功的濾水裝置用于生產,嚴格按照新制定的充填技術標準施工,將充填進路中的水分及時排放出采場。

2.5 提高回采強度

主要從以下幾個方面改進:

(1)提高單炮進尺。目前國際上最高的單炮進尺已達 5 m以上,平均在 4.0 m左右,我國許多礦山的單炮進尺也在 3.0 m以上,而二礦平均單炮進尺只有 2.1～2.3 m。目前公司正在與中南大學合作進行增大爆破進尺的試驗研究,將研究的成果運用于生產,再適當配套一些獎勵政策,單炮進尺達 3 m以上應不成問題,單炮進尺達 4 m也不是夢想。

(2)加強采場管理,合理調整回采順序,使進路回采具有時效性、連續性和采充平衡性,也是提高盤區回采強度的重要因素。

(3)在大盤區靠近礦體上盤增設脈內溜井,井深 20 m,直徑 3 m,底部安裝振動放礦機,上部與采場連通。采場礦石直接在盤區內運搬,大大減少了運礦距離,生產效率提高了 30%,加快大盤區的下降速度,對提高二礦區整體生產能力起到了關鍵作用。

3 結束語

機械化盤區下向分層水平進路膠結充填采礦法,雖然有許多優點,比如適應礦巖破碎穩固性差經濟價值高的金屬礦床開采,它的低貧化率和損失率也是其它采礦方法無法比擬的。對于金川二礦區厚大礦體穩固性差、礦石經濟價值高的礦床開采也是非常適宜的。但是,該采礦方法在礦塊布置上的確存在一定的缺陷,在采礦工藝上也存在一些問題,加之下向膠結充填采礦法自身所固有的局限性,成本高、效率低等缺點始終是制約金川鎳礦進一步發展的重要因素。與此同時,隨著金川鎳礦開采深度的不斷下降,當回采至 850 m中段時,礦山地壓將會越來越大,由此所引起的問題將越來越多,采礦成本也會增高,下向機械化盤區膠結充填采礦法的弊病也會日益顯著。作者根據二礦區回采多年的實際經驗,提出對該采礦方法和回采工藝的改進措施是必要的,只要對金川二礦區采礦方法進行革新,就能達到安全生產、降低成本、取得更大經濟效益的目的。

[1] 陳國山.地下采礦技術[M].北京:冶金工業出版社,2008.

[2] 余仁兵.銅祿山銅礦開采問題的分析與對策[J].采礦技術,2007,7(1):20～21,39.

[3] 王賢來,等.下向進路式膠結充填采礦法中巷道預留技術實踐[J].礦業研究與開發,2007,27(1):5～6,27.

[4] 陳俊智,廟延鋼,喬登攀.金川龍首礦深部開采充填體的充填高度模擬研究[J].礦業研究與開發,2007,27(1):9～11,23.

[5] 王云飛,李長洪,鄭曉娟,等.不同開挖方式地下硐室壓力拱的演變機理研究[J].礦業研究與開發,2009,29(3):12～14.

[6] 王發芝.冬瓜山銅礦深部采場充填技術[J].礦業研究與開發,2008,28(4):4～5.

[7] 侯哲生,等.金川二礦區開采過程中水平礦層內部應力特征分析[J].礦業研究與開發,2008,28(5):6～8.

2010-03-26)

陳宗林 (1967-),男,甘肅天水人,高級工程師,主要從事礦山采礦工程設計、施工及技術管理等工作。