高嶺土型鋁土礦復(fù)雜礦體開采方法研究

田 野

（準(zhǔn)格爾旗蒙盛新材料有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399）

調(diào)查資料顯示，目前鋁土礦儲(chǔ)量區(qū)域分布在幾內(nèi)亞、澳大利亞、越南、牙買加、巴西、印度、中國等13 個(gè)國家內(nèi)，鋁礦石類型多、儲(chǔ)量豐富。截止到2019 年年末，全球鋁土礦儲(chǔ)量達(dá)到了300 億t，其中幾內(nèi)亞占據(jù)了74.0 億t、越南占據(jù)了37 億t、巴西占據(jù)了26 億t、牙買加占據(jù)20 億t、印尼和中國分別占據(jù)了12億t 和10 億t。盡管中國擁有較為豐富的鋁土礦資源，但由于日常使用消耗量大，因此為了可持續(xù)發(fā)展的理念，針對(duì)高嶺土型鋁土礦，提出面對(duì)復(fù)雜礦體的開采方法。目前國內(nèi)的高嶺土型鋁土礦，主要分布在山西區(qū)域內(nèi)，鋁土礦的礦石粒度分布較細(xì)，每0.021mm 中占79.36%的鋁土成分[1]。此類型鋁土礦在自然環(huán)境影響下，以高嶺石族粘土礦物為主，形成一般的粘土和粘土巖，具有可塑性等物理特征。目前中國鋁土資源人均量較小，因此采用全新的鋁土礦復(fù)雜礦體開采方法，進(jìn)一步加強(qiáng)高嶺土型鋁土礦的開采工作，為國家的鋁土礦資源的使用，提供更加完善的采礦技術(shù)。

1 高嶺土型鋁土礦復(fù)雜礦體開采方法

1.1 提取高嶺土型鋁土礦開采誘發(fā)的巖層移動(dòng)規(guī)律

在執(zhí)行高嶺土型鋁土礦開采任務(wù)時(shí)，復(fù)雜的礦體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)類型，給開采工作帶來極大難度，因此開采復(fù)雜放鋁土礦礦體時(shí)，根據(jù)開采區(qū)域的自然環(huán)境特征和人文環(huán)境特征，提取高嶺土型鋁土礦開采誘發(fā)的巖層移動(dòng)規(guī)律。目前常用的巖層移動(dòng)規(guī)律分析方法，包括有限單元法、邊界單元法以及離散單元法。而經(jīng)過大量的技術(shù)創(chuàng)新，綜合上述方法的技術(shù)特點(diǎn)，誕生了效果更好的拉格朗日元法，該方法更加注重整個(gè)環(huán)境因素和礦體結(jié)構(gòu)的分析，通過大量的位移、應(yīng)力、應(yīng)變以及塑性區(qū)等力學(xué)指標(biāo)，找尋其中更加符合實(shí)際的巖層移動(dòng)規(guī)律。為了便于書寫，下文將該方法簡寫為FLAC[2]。該方法在差分求解過程中，將求解的區(qū)域劃分成面積一致的四邊形網(wǎng)格，同時(shí)在邊界等不規(guī)則區(qū)域，用三角形網(wǎng)格來擬合。下圖1 為該方法應(yīng)用下的網(wǎng)格劃分示意圖。

圖1 拉格朗日元法劃分的差分網(wǎng)格

因此根據(jù)圖1中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，假設(shè)某一個(gè)時(shí)刻時(shí)，各個(gè)階段的速度可通過測量獲得，則通過高斯定理計(jì)算單元應(yīng)變率，公式為。

通過上述計(jì)算過程，提取高嶺土型鋁土礦開采誘發(fā)的巖層移動(dòng)規(guī)律。

1.2 長臂式削壁充填法開采復(fù)雜礦體

不同的采礦方法決定了材料設(shè)備、回采工藝效率、礦石回采率等因素，因此結(jié)合高嶺土型鋁土礦復(fù)雜礦體的巖層移動(dòng)規(guī)律，在滿足安全、礦石貧化小、礦石回采率高、生產(chǎn)效率高以及經(jīng)濟(jì)效益高的前提下，根據(jù)現(xiàn)有的法律法規(guī)采礦規(guī)定，選擇長臂式削壁充填法開采復(fù)雜礦體。長臂式削壁充填法執(zhí)行開采任務(wù)時(shí)，沿走向從礦塊一側(cè)向另一側(cè)全面推進(jìn)，要求工作面與走向之間存在垂直或斜交關(guān)系，要求沿走向布置采場。此次工作綜合各項(xiàng)開采環(huán)境條件和可能存在的巖層移動(dòng)規(guī)律，將走向長度設(shè)置為100m，傾向長度則設(shè)置為50m。該開采方法的應(yīng)用方案如下圖2所示。

圖2 開采方法應(yīng)用方案示意圖

已知該方法在圍巖穩(wěn)固性一般、傾角較緩的鋁土礦復(fù)雜礦體上應(yīng)用，圖中字母a 表示崩落礦石；b 表示工作面；c 表示上層運(yùn)輸平巷；d 表示頂柱；e 表示切割天井；f 表示底柱；g 表示下層運(yùn)輸平巷；h 表示電耙硐室。利用上層運(yùn)輸平巷進(jìn)行回風(fēng)、材料下放以及物體充填；利用下層運(yùn)輸平巷掘進(jìn)切割天井，同時(shí)通過電耙搬運(yùn)各個(gè)尺寸的鋁礦石。而回采工作自上山幵始，沿著走向不斷推進(jìn)，最后使用爆破技術(shù)控制落礦方位。而這一過程中采用淺眼爆破的方式處理礦石和圍巖，爆破后落在工作面附近的礦石，可以用電耙耙出，而其中摻雜的廢石，則需要將其放置在工作面的2m 以外，用于后續(xù)的采空區(qū)充填工作中。在必要的情況下，在品位低的礦石開采處設(shè)置預(yù)留礦柱，將其作為采空區(qū)的支柱，保護(hù)礦體的礦頂。最后進(jìn)行采場支護(hù)工作，保證整體開采工作的穩(wěn)定性和安全性。利用小塊廢石間斷充填預(yù)留礦柱，同時(shí)用大量大塊廢石建立圍墻，小塊廢石填補(bǔ)漏洞，則利用下列計(jì)算公式，確定削壁厚度：

公式中：D 表示削壁厚度；M 表示礦脈厚度；1H 、2H 分別表示采空區(qū)充填系數(shù)和巖石松散系數(shù)。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，確定削壁所需的巖石量，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的填充，保證開采過程中的安全性。上述提出的開采方法，既可以避免多余巖石帶來的工作困難，又可以獲得理想化的貧化率，降低礦石貧化帶來的環(huán)境惡化程度。此次提出的開采方法，要求將損失率控制在5%以下，貧化率則不超過20%，實(shí)現(xiàn)對(duì)高嶺土型鋁土礦復(fù)雜礦體的常規(guī)開采[4]。

2 應(yīng)用分析

將此次提出的鋁土礦開采方法作為實(shí)驗(yàn)組測試對(duì)象，將兩種傳統(tǒng)的鋁土礦開采方法，分別作為對(duì)照A 組和對(duì)照B 組的測試對(duì)象，以W 市中城北地區(qū)的高嶺土型鋁土礦作為實(shí)驗(yàn)測試背景，通過采樣試驗(yàn)的方式，分析三種方法的使用效果，評(píng)價(jià)兩種不同開采難度下，三個(gè)測試組的開采安全指數(shù)，結(jié)果如下表1、表2 所示。

表1 中等復(fù)雜礦體的開采安全指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 高等復(fù)雜礦體的開采安全指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表1 中的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，三個(gè)測試組的安全指數(shù)平均結(jié)果，分別為0.9346、0.9002 以及0.9051，都在0.9 以上，其中實(shí)驗(yàn)組的安全指數(shù)更接近1，面對(duì)中等復(fù)雜礦體時(shí)，滿足一般開采要求。而根據(jù)表2 中的測試結(jié)果可知，三個(gè)測試組的安全指數(shù)平均結(jié)果，分別為0.9181、0.8500 以及0.8517。綜合來看盡管三個(gè)測試組的安全指標(biāo)有所下降，但實(shí)驗(yàn)組的最終結(jié)果，仍保留在0.9以上，兩個(gè)對(duì)照組的安全指標(biāo)，比實(shí)驗(yàn)組低了0.0681 和0.0664。因此證明此次研究的開采方法，面對(duì)高嶺土型鋁土礦復(fù)雜礦體時(shí)，安全性更高。

3 結(jié)語

此次研究的復(fù)雜鋁土礦礦體開采方法，在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上取得了更好的研究成果，為高嶺土型鋁土礦的開采安全，提供更加可靠的開采方法。但此次研究在計(jì)算上相對(duì)復(fù)雜，今后的研究工作可以建立一套更為簡便的算法，保證開采工作的準(zhǔn)確性。