石頭嘴銅鐵礦礦柱回采研究與實踐

胡平安

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

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石頭嘴銅鐵礦礦柱回采研究與實踐

胡平安

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

石頭嘴銅鐵礦礦柱回采面臨系列技術難題。上向低分段空場嗣后充填采礦法試驗研究成功并獲得推廣應用是石頭嘴銅鐵礦礦柱回采技術難題得以解決的關鍵所在,它為礦山持續安全、高效、低成本、低損失貧化穩產生產奠定了可靠基礎;三維數值模擬分析得出石頭嘴銅鐵礦礦柱回采順序宜從上至下、從中央往兩端;先用低分段空場嗣后充填法開采,條件成熟時再過渡到高分段空場嗣后充填法開采;上下中段礦房礦柱應對齊;-220 m以上民采空區水體威脅解除之前,宜先采下部中段礦柱再采上部中段礦柱,或暫只采上部中段礦柱的下分段等結論,對礦區宏觀地壓控制、水害防治及安全生產具重要指導作用。

礦柱;回采方法;回采順序;地壓控制

石頭嘴銅鐵礦區毗鄰大冶湖畔。-200 m標高以上民采空區封堵了相當數量的地下水;-200～-220 m標高間留有20 m厚的防水隔離礦柱;-220 m標高以下(一期至-420 m標高,二期至-800 m標高)屬大冶大紅山礦業有限公司的開采范圍,按二步驟法開采,一步驟礦房采用淺孔留礦嗣后尾砂膠結充填法開采,二步驟礦柱曾考慮采用上向水平分層法開采,但一直未實施。鑒于一期開采范圍內礦房開采已接近尾聲,礦柱回采試驗研究迫在眉睫。

1 礦柱回采難點分析

一期開采范圍內共有32個礦柱,其中-270 m中段8個;-320 m中段8個;-370 m中段7個; -420 m中段9個,保有資源量礦石量(111b類) 2 604.545 kt,平均品位:Cu 1.37%;TFe 37.26%。礦柱回采存在以下難點:

1.礦體頂盤巖溶發育、含水豐富的大理巖向北東延伸直插大冶湖底,下盤礦巖接觸帶異常破碎,地面湖泊、農田、池塘及鐵路、學校等工礦企業眾多,地表不允許陷落。

2.-200 m以上民采空區封堵了相當數量的地下水,處于頂水作業環境下的礦柱回采不能破壞上部20 m厚的防水隔離礦柱。

3.地面帷幕注漿工程已完,礦柱回采不能對該工程產生破壞,否則會引發突水淹井事故。

4.一步驟礦房開采期間,因某些方面原因導致了上下中段礦房、礦柱位置不對應,造成了礦柱應力集中厲害,地壓顯現嚴重。

5.礦房采完后,礦柱承受了較大支撐力,部分出現了剝離脫落不穩定跡象,如何使礦柱承受的地壓平穩安全有效地轉移到礦房充填體上是礦柱回采研究的重點。

6.一步驟礦房充填體強度分布極不均勻,試驗取樣測得礦房充填體單軸抗壓強度為0～6.10 MPa?，F場揭露顯示:建礦初期開采的礦房采場充填體強度低,后期開采采場充填體強度高;采場上部充填體強度低(有的為純尾砂體),采場底部充填體強度稍高。

7.礦山生產技術水平低,機械化程度不高,無礦柱回采經驗,原考慮采用的上向水平分層充填法因與淺孔留礦嗣后充填法一樣,作業人員需暴露在礦體頂板下,而節理裂隙發育的礦體易引發冒頂、片幫等安全事故的發生,且上向水平分層充填法存在工序繁雜、成本高、能力小等缺點,礦柱回采需尋求一種更安全、高效的回采順序和回采方法。

2 礦柱回采方法研究與實踐

2.1 一步驟礦房回采方法演變過程

建礦之初,帷幕注漿防治水工程實施前,考慮到中深孔落礦采礦法會對礦體上盤大理巖造成較大破壞,故一步驟礦房開采采用了預留5 m厚護頂礦壁的淺孔留礦嗣后尾砂膠結充填采礦法;二步驟礦柱回采擬采用預留5 m厚護頂礦壁的上向水平分層充填采礦法(未實施),回采礦量不到總量的50%～55%。

隨著礦房開采深度的增加以及地面帷幕注漿防治水工程的實施,礦山通過對上盤大理巖的試探性揭露及探水證實:礦區深部大理巖密實性好,含、透水性遠比上部差。在此情況下,礦山及時取消了5 m厚的護頂礦壁,并將電耙漏斗出礦底部結構改成了WJD-0.75型電動鏟運機出礦的平底塹溝結構,底柱高由12.0 m降到了8.0 m,采場出礦能力有了較大提高。

在頂水作業環境下,礦山采用淺孔留礦嗣后尾砂膠結充填法采礦房實為迫不得已。但生產實踐表明:該采礦方法生產效率低,礦量積壓多,礦塊回采周期長,同時回采采場數量多。其次,礦體受到結構面切割,采場內經常發生局部掉塊現象,對頂板下作業人員的安全構成了一定威脅,后部分礦房采場改用了分段空場嗣后尾砂膠結充填采礦法。與淺孔留礦嗣后尾砂膠結充填采礦法相比,后者生產效率與安全性均有顯著提高。

2.2 二步驟礦柱回采方法試驗研究

在頂水作業環境(-200 m以上采空區積水暫未排干)及礦柱承受了較大垂直載荷、兩側充填體膠結強度偏低等不利條件下,為尋求一種安全、高效、低成本、低損失、貧化的礦柱回采方法,礦山與設計研究單位合作,開展了上向低分段空場嗣后充填采礦法回采礦柱的試驗研究工作。上向低分段空場嗣后充填采礦法如圖1所示。

礦柱回采試驗采場選擇在-320 m中段11線礦柱(即3211A1與32111房間礦柱),該礦柱附近系礦區地壓活動始發地段,代表性強。試驗重點研究解決了低強度充填體內采準巷道的掘進與支護方法、中深孔鑿巖爆破參數的優化、爆破動載下低強度充填體穩定性研究、采場底部結構與出礦工藝的優化選擇等技術難題。通過單、雙巷鑿巖爆破效果對比試驗,尤其是在下分段礦體與充填體接觸面間實行平行孔預裂爆破(見圖1)時,可見到采場兩側“礦皮”在自重作用下緩慢跌落,采場兩側充填體已充分暴露的情況下,充填體能自穩站立,表面平整,未出現大面積坍塌,避免了充填體混入礦石而造成較大貧化現象的發生,取得了較好的技術經濟指標,說明爆破達到了預期最佳效果。礦柱回采主要技術經濟指標列于表1。

圖1 上向低分段空場嗣后充填采礦法示意圖

表1 礦柱回采主要技術經濟指標

上向低分段空場嗣后充填采礦法通過降低回采高度(由45 m高變成2個22.5 m高的分段)達到了減少兩側充填體暴露面積、高度及時間的目的,通過先采下分段并及時充填來保護應力相對集中的充填體下半部,順利地實現了垂直載荷由礦柱向充填體及上下盤圍巖的平穩有效轉移,實現了安全、高效、低損失貧化回采礦柱的目的。

該礦柱回采方法試驗成功后,在全礦得到了推廣應用。

3 礦柱回采順序研究與實踐

礦柱回采前通過對礦區工程地質與地壓活動的調查分析、礦巖及充填體物理力學參數的測試后,對礦區礦柱回采順序進行了數值模擬分析。

3.1 數值分析模型

采用三維有限元分析軟件,按X=280 m(垂直走向),Y=-170～-470 m(豎直方向),Z=400 m (走向)范圍建立三維數值模型。模型中礦塊垂直走向布置,長40 m,寬12.5 m,高50 m,其中頂柱高5 m,底柱高8 m,傾角85°。單元劃分總數21 504個,節點24 453個。采用最大拉應力判據(αT≤[σT]),結合德魯克-普拉格(Drucker-Prage)屈服準則(F =αI1+J2-β)確定礦體內部應力、位移及可能出現的破壞范圍、裂隙帶最大高度等。收斂系數設為3%～5%,解方程時用PCCG法(Pre-Conditioned Conjugate Gradient Method)求解,最大重復次數30次。三維有限元模型示意圖如圖2所示。

圖2 三維有限元模型示意圖

3.2 數值分析結論

1.采取從上向下的中段回采順序,各中段均處于較低的應力狀態,對安全高效開采非常有利;相反,若采取從下往上的中段回采順序,在開采初期,采場受力狀態較差,礦體及上下盤圍巖均處于高應力狀態,頂板較易產生冒落,甚至發生巖崩,危及采場回采安全,故石頭嘴銅鐵礦區的礦柱回采宜采取從上往下的回采順序。

2.充填礦房開采礦柱時,主要荷載仍由礦柱承擔,礦房充填體只承擔了較少部分荷載。礦柱開采時,礦房充填體較大范圍內產生了塑性區,該塑性區在水平方向上完全貫通了整個充填體,且礦柱開采所形成的空區頂部產生了較大范圍的拉應力區,對礦區-200～-220 m標高間隔離礦柱的穩定產生影響。因此,在-220 m以上民采空區水體威脅解除之前,在礦柱的中段回采順序上,宜考慮先采下部中段礦柱再采上部中段礦柱的上行式回采順序,或暫只采上部中段間柱的下分段。而且,在礦柱回采時,仍應加強間柱兩側充填體的保護,適時監測礦區地壓變化過程,防止過去威脅性地壓活動的再次發生。

3.通過對-270 m中段從“中央向兩端、從兩端向中央、從一端向另一端”三種不同方案的礦柱回采順序的數值模擬表明:采取從中央向兩端的礦柱回采順序,大多數采場處于相對較低的應力狀態,對礦柱的回采相對有利;相反,若采取從兩端向中央采場回采順序,則在回采中央采場時,礦體及上、下盤圍巖均處于高應力狀態,采場頂柱和上盤圍巖較易產生冒落,甚至于發生巖崩,從而危及采場回采安全。因此,該中段內的礦柱回采宜采取從中央向兩端的回采順序。

4.礦區上、下中段礦房、礦柱完全對齊時,上覆巖層載荷可以有效地傳遞到深部及上下盤圍巖中,礦區大多數采場處于相對較低的應力狀態,對下中段礦柱回采也相對有利。相反,若上、下中段礦房、礦柱不完全對齊,則在采場四角(頂、底柱內)應力集中明顯,易引發剪切破壞,給下中段礦柱的回采帶來極不利影響,故建議石頭嘴銅鐵礦區礦回采時,采取上下中段礦房、礦柱完全對齊方式進行開采較合適。

5.石頭嘴銅鐵礦礦柱回采可采用高分段空場嗣后充填法或低分段空場嗣后充填法兩種回采方法。數值模擬分析表明:低分段空場嗣后充填法回采對采場穩定性較好,上盤圍巖和礦房充填體均處于較低的應力狀態,產生的位移也較小。采用高分段空場嗣后充填法回采時,采場穩定性明顯降低。為穩妥計,石頭嘴銅鐵礦礦柱回采建議先試驗低分段空場嗣后充填法,條件成熟時再過渡到高分段空場嗣后充填法。

4 地壓控制技術研究與實踐

4.1 礦區地壓活動調查分析

石頭嘴銅鐵礦在礦房、礦柱回采過程中發生了一系列地壓活動,主要體現在:(1)礦柱受壓拉交替作用破壞,部分礦柱支撐能力下降;(2)巷道表面圍巖剝離脫落,斷面加大;(3)穿脈巷道發生底鼓;(4)采場冒頂,上、下盤圍巖局部崩塌;(5)地壓有從下往上、從中部往兩端發展的趨勢。

礦區地壓活動頻繁對礦山開采安全構成了威脅。研究表明礦區地壓活動頻繁主要與以下因素有關:(1)礦區不良工程地質條件是導致地壓活動頻繁的根本原因;(2)應力場分布特征(礦區以水平構造應力為主應力場)與回采順序不協調是礦區地壓活動頻繁的重要原因;(3)充填與采礦工作不協調是地壓活動的主要原因;(4)礦房長度過大(礦體厚大地段)也是造成部分采場地壓活動頻繁的原因之一; (5)礦房、礦柱未對齊(礦區-320 m、-370 m中段礦房、礦柱因某方面原因造成上、下完全錯位)是造成礦區地壓活動嚴重的誘導原因。

4.2 地壓控制措施

地壓活動發生后,礦山及時調整了采場回采出礦順序;及時對采空區進行了充填;對已破壞巷道進行了噴錨補強;建立了較先進的遠程地壓監控系統,對礦區地壓活動進行了長期監測。現階段礦區地壓活動得到了有效控制,主要體現在:(1)地壓顯現嚴重區段已經基本穩定,巷道內垮冒現象已得到明顯控制,未采礦柱中大的裂縫已經停止了發展;(2)地壓由下往上發展的趨勢得到了遏制。目前,-270 m、-220 m中段巷道與礦柱基本穩定;(3)頂、底柱再沒有出現明顯的滑移跡象,采場穩定性得到了有效控制;(4)地壓監測系統的正常穩定運行,為掌握礦區地壓活動提供了及時可靠的信息。

5 結 語

1.上向低分段空場嗣后充填采礦法試驗研究成功并獲得推廣應用是石頭嘴銅鐵礦礦柱回采技術難題得以解決的關鍵所在,它為礦山持續安全、高效、低成本、低損失、低貧化穩產生產奠定了可靠基礎。

2.三維數值模擬分析得出石頭嘴銅鐵礦礦柱回采順序宜從上至下、從中央往兩端;先用低分段空場嗣后充填法開采,條件成熟時再過渡到高分段空場嗣后充填法開采;上下中段礦房礦柱應對齊;-220 m以上民采空區水體威脅解除之前,宜先采下部中段礦柱再采上部中段礦柱,或暫只采上部中段礦柱的下分段等結論,對礦區宏觀地壓控制、水害防治及安全生產具重要指導作用。

3.礦區地壓活動特征的調查與分析、系列地壓控制措施的采取,特別是遠程地壓自動監控系統的建立并保持長期平穩運行為礦區實現安全生產提供了可靠保證。

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[4] 伍佑倫,路軍.遠程地壓監控技術在地下礦山中的應用研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26:2 815-2 819.

Abstract:The pillar stopng of Shitouzui copper and iron ore faces a seriesof technical problems.The key to solve is the success on the test and application by low sublevel open stoping with subsequent backfilling method,which has laid a reliable foundation for the mine continuous safe,efficient,low cost and low losses depleted stable production; 3D numerical simulation analysis showed that the stoping order should be from top to bottom,from the central to both ends;it uses the low sublevel open stoping with subsequent backfilling first,then transitions to the high when conditions are ripe;the upper and lower middle stoping pillars should be aligned;before the goaf water threat of-220m above relieved,it should adopt the lower middle stope pillars and then the upper one first or the low part of the upper middle pillars only for the moment.The study has played an important guiding role in the mining area pressure control,flood prevention and safety production.

Key words:pillar;stoping method;stoping order;pressure control

Study and Practice of Pillar Stoping of Shitouzui Copper and Iron Ore

HU Ping-an
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

TD853.391+.1

A

1003-5540(2012)02-0001-04

2011-12-26

胡平安(1964-),男,高級工程師,主要從事采礦工程設計和安全評價技術工作。