杏山鐵礦斜分條分段崩落法試驗研究

2021-12-20 13:36:14喬夏梁任鳳玉曹建立師宏偉

東北大學學報(自然科學版) 2021年12期

喬夏梁, 任鳳玉, 曹建立, 師宏偉

(1. 東北大學資源與土木工程學院, 遼寧沈陽 110819; 2. 首鋼礦業公司杏山鐵礦, 河北遷安 064400)

無底柱分段崩落法因其安全性好、回采工藝簡單、機械化程度高、生產強度大、開采成本低等優點,在金屬礦山被廣泛使用[1].瑞典基魯納鐵礦和瑪姆貝爾格特鐵礦、加拿大克萊蒙銅礦、澳大利亞芒特-艾薩銅礦等都是世界上應用無底柱分段崩落法開采的典型礦山[2-4].我國引入無底柱分段崩落法以后,增大結構參數成為礦山的主要發展方向,分段高度已從最初的10～13 m發展到目前的20～30 m[5].由于無底柱分段崩落法在覆巖下放礦,礦石損失貧化率大是其存在的突出問題之一,我國許多應用無底柱分段崩落法開采傾斜礦體的礦山回采率不足75%,貧化率高達25%～35%,技術經濟指標差[6].針對損失貧化率大的問題,國內外研究者從爆破參數[7-14]、采場結構[15-21]、放礦方案[22-30]等方面進行了許多研究.另外,為了解決不穩巖體采準工程地壓破壞問題,人們也研究了各類圍巖的支護技術[31].在這些研究成果的基礎上,進一步研究傾斜礦體在大結構參數條件下適應散體移動規律的采場結構,是降低礦石損失貧化的有效途徑.

本文針對杏山鐵礦小杏山采區傾斜厚礦體回采率低、貧化率大的問題,研究無底柱分段崩落法沿脈布置進路的采場結構,提出斜分條分段崩落采礦法.工業試驗表明,該法有效提高了礦石回采率,降低了貧化率,并可利用誘導冒落技術開采上盤側礦體,大幅度節省采準工程量與降低生產成本.

1 工程背景

杏山鐵礦為鞍山式沉積變質礦床,其中小杏山采區的礦體走向長450 m,傾角44°～65°, 水平厚度50～80 m;夾石水平厚度18～26 m,需要在開采中剔除.礦巖穩定性變化大,從不穩定到極穩定(表1).應用無底柱分段崩落法開采,垂直礦體走向布置回采進路,現用分段高度18.75 m,進路間距20 m,分段采準工程布置形式見圖1.

圖1 小杏山采區相對位置與采準工程布置平面圖

杏山鐵礦是國內應用無底柱分段崩落法開采技術先進的礦山之一,但小杏山采區的回采指標一直較差,據-143 m分段統計,回采率和貧化率分別為74%和18%,嚴重影響礦山總體回采指標.究其原因,主要是小杏山礦體的厚度與傾角較小,垂直走向布置進路導致下盤開掘巖石量較大,同時進路之間的脊部殘留體不能得到充分回收,造成近下盤礦石損失貧化過大.

表1 小杏山礦巖穩定性分級

2 采場結構的適應性分析

2.1 散體流動參數測定

將礦石散體破碎成不大于0.8 cm的塊度,進行礦石散體流動參數測定實驗.采用達孔量法,測得不同方位的放出體剖面形態如圖2所示.

對圖2放出體實驗曲線,按放出體方程[32]

(1)

進行回歸擬合,得出端部放礦的散體流動參數值:α=1.596 0,β=0.125 1,α1=1.550 3,β1=0.120 7,K=0.105 1.其中α，β為沿進路方向散體流動參數;α1，β1為垂直進路方向散體流動參數;K為壁

圖2 不同方位放出體形態

面影響系數;x為以出礦口底部中心為原點，垂直進路方向的坐標值；y為沿進路方向的坐標值；z為高度的坐標值；zH為放出體鉛直高度.

2.2 采場結構對散體移動規律的適應性分析

對于垂直走向布置進路的無底柱分段崩落法,上盤影響脊部殘留體的形狀,下盤影響脊部殘留體的回收(圖3).

圖3 垂直走向布置進路上下盤影響范圍

根據幾何關系,上、下盤影響范圍為

L=2Hcotθ.

(2)

式中:H為分段高度;θ為礦體傾角,對于小杏山采區,θ=44°～65°,平均52.5°,L=28.77 m,礦體水平厚度50～80 m,平均65 m,上、下盤影響區所占比例:28.77/65=44.27%.可見正常回采范圍占55.73%,僅為影響區的1.26倍,因此采場結構對上、下盤影響區的適應性在很大程度上決定了礦石回采指標與生產效率.

小杏山采區的礦體厚度與傾角均相對較小,常規大結構參數開采的進路之間存在較大的脊部殘留體,在下盤影響區得不到充分回收,造成下盤損失礦量所占比例過大.按測定的散體流動參數計算殘留體,在礦體厚度65 m、分段高度18.75 m、開掘巖石高度8 m(從進路頂板算起)條件下,采用截止品位放礦,在進路軸線剖面上,下盤殘留面積約占礦體總面積的8.31%,在上下分段進路軸線投影線的中間剖面上,下盤殘留面積約占礦體總面積的26.84%(圖4).根據殘留體空間形態估算,圖4下盤殘留量約占19.43%.加上落礦損失與端部殘留等,垂直走向布置進路的礦石損失率一般不小于25%.而且在圖1所示的垂直走向布置進路的采場結構中,按巷道長度統計得出,不足60%的回采進路用于崩落與放出礦石,超過40%的回采進路僅為“通道”功能,從而導致采準系數大,由此降低了生產效率.

圖4 垂直走向布置進路的下盤主體殘留剖面形態

3 斜分條分段崩落法構建

根據礦石散體流動參數與散體重力流軸形狀,結合小杏山采區礦體賦存條件和低貧損高效開采要求,研究提出斜分條分段崩落法(圖5).該方法的要點:一是為適應上盤邊壁的導流特性,采用傾斜分條的采場結構,將礦體從上盤到下盤按斜線劃分采場,斜分條的軸線大體上與斜壁放礦的散體流動軸線相符,由此延長覆蓋層廢石到達出礦口的時間,提高崩落礦石的流動性,保障下盤側礦石的充分回收;二是利用上盤側礦體受采動應力集中作用造成可冒性較好的條件,應用誘導冒落技術開采上盤側礦體,由此大量節省采準工程量,并使上分段進路回采為下盤回采進路卸壓,增大下盤回采進路的穩定性;三是采場之間協同開采,回采工作面按分段下降,先回采上盤側誘導冒落進路,滯后15～20 m回采下盤側回收進路,保持各分段自上而下逐一回采的無底柱分段崩落法開采工藝.

圖5中,劃分采場的斜線的傾角是一個重要參數,過大或過小都會使分條的軸線偏離散體流動軸線.根據散體流動特性與斜壁放礦漏斗實驗,確定小杏山采區斜分條的傾角為72°.

新方案與原無底柱分段崩落法相比,一是將回采進路由原來的垂直走向布置改為沿走向布置,二是分段之間進路的布置形式由原來的菱形布置改為幾乎重疊布置,三是利用靠近上盤的回采進路的回采空間與相鄰采場回采爆破的協同作用,誘導上盤側礦石自然冒落,冒落的礦石從下分段回采進路回收.

圖5 斜分條分段崩落法采場結構示意圖

在礦體厚度65 m、分段高度18.75 m條件下,采用截止品位放礦,按測定的散體流動參數計算的新方案的下盤殘留體形態見圖6,下盤殘留面積比例為11.17%,比圖4所示的垂直走向布置進路的19.43%降低了8.26%.

圖6 新方案下盤殘留體剖面形態

4 斜分條分段崩落法試驗研究

4.1 采準工程布置形式

從-236 m 分段開始,在小杏山采區東翼礦體試驗斜分條分段崩落法.因東翼夾層將礦體分隔成上、下盤兩層,試驗采區每一分段布置3條進路:上層礦體布置2條沿脈進路,下盤側小礦體布置1條沿脈進路,分段采準工程的布置形式如圖7所示.回采進路從下盤側到上盤側依次編號為1#～3#進路,其中3#進路為誘導工程,回采時強制崩落本分段礦量,形成連續采空區,誘導上部三角柱礦量自然冒落;2#進路為高強度回采進路,不僅采出本分段崩落礦石,而且要回收上分段誘導冒落的礦石;1#進路回采下盤小礦體.與圖1所示的垂直走向布置進路形式相比,圖7沿脈布置進路的采準工程量降低了22.6%,大幅度提高了單位采準工程的采出礦石量.

圖7 采準工程平面圖

圖7中1#進路的圍巖穩定性較差,特別是2#聯巷以東的端部礦體節理裂隙發育,屬于破碎礦體,采準工程容易塌冒.為提高采準工程的穩定性,采取如下三項措施:①減小巷道斷面尺寸,出礦時進路不允許進人,只按斗容4 m3鏟運機安全運行要求采用寬4.0 m、高4.0 m的半圓拱小斷面;②卸壓開掘,等到上方回采卸壓后,再開掘該沿脈進路;③采用噴錨網聯合支護形式,及時支護確保巷道穩定性.

卸壓開采的具體方法是,保持在其上第二個分段回采后再進行本分段的采準,即在-236 m分段礦體里沿脈進路回采之后,再施工-274 m分段的下盤1#進路.對于高應力破碎圍巖的回采進路,采用卸壓措施晚掘快采,容易保證回采的可靠性.如果在施工安排上不便于卸壓回采,則需要采用噴錨網加錨索的增強支護措施.

4.2 切割工作

切割巷尺寸為寬×高=4.1 m×3.85 m,在切割巷內礦體上盤回采邊界處向上打垂直切割井,斷面尺寸為3 m×3 m.切割井的高度以高出本分段崩礦高度0.5 m左右為宜.-236 m分段的切割井頂部為回采邊界,切割井位于脊部殘留體部位,適宜的崩礦高度為23.6 m;到-255 m分段,切割井頂部為實體邊界,適宜的崩礦高度為23.9 m.為便于施工組織,切割井的高度統一取為高出切割巷道頂板24 m.對于西翼獨立小礦體,切割井的高度均為高出切割巷道頂板16 m.

4.3 回采方案

-236 m分段為過渡分段,為改善回采指標,該分段的2#進路與1#進路,按截止品位控制出礦,而3#進路松動出礦,只放出崩落礦量的30%,留于采場的礦石由-255 m分段2#進路放出(圖8),以此遲滯覆蓋層廢石沿上盤邊壁的快速移動,為下分段下盤進路形成良好的斜分條放礦條件.

圖8 試驗采場回采方案示意圖

在-255 m分段,需要先回采3#進路,再同步回采2#進路與1#進路.3#進路超前2#進路的回采距離,保持15～20 m為宜.此時,3#進路回采時留下的頂部三角礦,在2#進路回采時,由于受到上、下兩個分段爆破的共同作用,快速失穩冒落,堆積于采場內殘留體之上,形成冒落礦石層.同時,2#進路與3#進路交界部位的礦量,也將有少許崩落至3#進路的空區,增大3#進路的礦石層高度,改善下分段2#進路的放礦條件(圖8).

4.4 試驗結果

-236 m分段從2019年5月開始回采,三條進路從切割巷向進路聯巷同時退采,其中1#進路與2#進路放礦到截止品位,3#進路放出崩礦量的30%左右.該分段于2020年4月底回采結束,共采出礦石89.79萬t,采出礦石平均品位27.36%,礦石回采率75.13%,貧化率14.5%.

-255 m分段從2020年7月開始回采,截至2020年12月底,回采范圍見圖9,共采出礦石68.03萬t,采出礦石品位27.13%,礦石回采率85.6%,貧化率15%.

在-236 m與-255 m兩個分段,礦體水平厚度48～70 m,礦體傾角49°～52°.由于-236 m分段為過渡分段,-255 m分段的回采指標具有代表性.可見在礦體水平厚度48～70 m,礦體傾角49°～52°條件下,采用18.75 m的分段高度,斜分條分段崩落法的礦石回采率可達85.6%,貧化率可控制到15%,與垂直走向布置回采進路的采場結構相比,礦石回采率提高11.27%,礦石貧化率降低2.73%.