井下礦覆蓋層礦石回收技術應用研究

韓鵬舉,馬 飛

(富蘊蒙庫鐵礦有限責任公司)

1 引言

無底柱分段崩落法作為一種回采效率較高、機械化程度高且安全性較好的地下礦開采方法,被廣泛應用于國內的各大地下礦山[1-2],隨著我國地下礦山數量和規模的不斷擴大,無底柱分段崩落法因其具備的諸多優點必將進一步得到大范圍應用。但其依然存在一些不足之處,其中較大的問題就是礦石的損失貧化較大。 在無底柱分段崩落法中采礦作業需要在一定的覆蓋層巖石下進行,其中覆蓋層的主要作用是保護地下采礦作業,控制采場上部的落石以及采場中的地壓,但覆蓋層也含有大量的礦石[3-4]。 但對于這部分礦石,礦山通常沒有具體的回收計劃和方案,由此造成了大量的礦石損失。且隨著已開采資源的大量消耗,剩余礦產資源的價值必上升,因此如何安全高效的回收覆蓋層礦石,降低礦石的損失率、提高經濟效益成為目前礦山企業關注的重要問題。

近年來針對無底柱分段崩落法覆蓋層礦石的回收的研究取得了一定的成果。 喬登攀等[5]分析了含礦覆蓋層形成的原因,考慮覆蓋層礦石對供礦品位的影響,提出了多分段多步距的順帶回收方法,實現了覆蓋層礦石的回收。 李林生[6]從探討了符山鐵礦覆蓋層松散體中的鐵礦石的合理開采邊界品位,并通過具體采場實踐獲得了針對覆蓋層的采礦和選礦經濟技術指標。 何佳峰[7]和雷剛[8]等根據實際礦山開采情況分別構建了針對覆蓋層礦石的相似模擬回收實驗,通過對比不同回收方案的回收率、貧化率等指標挑選了最佳的覆蓋層礦石回收方案。

張海磊等[9]通過室內模擬放礦試驗確定了含礦覆蓋層的回收參數,并以此參數作為參考制定了現場試驗的回收方案。 以上研究都針對具體礦山生產情況,并結合室內模擬實驗得到了覆蓋層回收方案的參數,并在實際運用中都取得了較好的結果。

針對礦山對覆蓋層礦石回收的要求,本文結合蒙庫鐵礦的實際開采情況,研究下沉或者抬高的平底式和塹溝式底部結構與無底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的結合,根據現場鑿巖、鏟運設備外性尺寸,鏟運出礦方式等確定合理的、適用的出礦底部結構。 實現在不同采準巷道和不同區域采礦工藝中應用礦石回收方法,同時為類似礦山覆蓋層回收提供可借鑒的思路和經驗。

2 覆蓋層作用原理及含礦成因

2.1 覆蓋層作用

根據我國《金屬非金屬礦山安全規程(GB16423)》規定:回采工作面的上方,應有大于分段高度的覆蓋巖層,以保證回采工作的安全;若上盤不能自行冒落或冒落的巖石量達不到所規定的厚度,必須及時強制放頂,使覆蓋巖層厚度達到分段高度的二倍左右。 為保證出礦能安全有效的進行,無底柱分段崩落法要求崩落礦石在覆蓋巖層下進行出礦,因此在礦石上部形成覆蓋層,如圖1 所示。 對于使用無底柱分段崩落法的礦山,覆蓋層的形成對于礦山的地壓控制、減少冒落、減緩雨水和地下水滲入等都有很大的作用。

圖1 無底柱分段崩落法覆蓋層示意圖

(1)形成擠壓爆破條件。 在礦體爆破過程中,覆蓋層的存在能起到擠壓限制的作用,使分段礦石不至于崩落到空區而無法放出,可以改善礦石的回收率和貧化率。 同時覆蓋層還能控制爆破對圍巖和頂板的沖擊,起到緩沖作用。

(2)釋放采場地壓。 隨著采場礦石的不斷崩落,無底柱分段崩落法的采空區也會不斷擴大,這就導致采空區頂板暴露面積不斷增大。 地壓增強可能導致圍巖發生大量崩落,大量落石的沖擊將嚴重影響出礦作業安全,而覆蓋巖層的存在能夠對落石起到緩沖的作用,消耗落石的沖擊能量,釋放采場地壓,保證采場作業人員和設備的安全。

(3)減緩雨水和地下水的滲入。 足夠厚度的覆蓋巖層在礦石和地表之間形成了隔離帶,且能夠減緩地表雨水以及地下水的滲入速度,同時也能吸收一部分雨水和地下水,從而減輕地下排水的壓力。

(4)保溫防凍。 位于高寒地區或者處于寒冷季節的礦山,覆蓋巖層還可以作為地下采場與地面的保溫帶,隔絕地表寒風與冷空氣。 起到了保持地下采場溫度的作用,延緩礦石因低溫而凝結,防止礦石結塊而無法順利出礦。

2.2 覆蓋層含礦成因

(1)無底柱分段崩落法開采,其本質特點就是覆巖下放礦,其要求在開采過程中在采場上部預留一定厚度的覆蓋巖層,而通常預留的這部分覆蓋層中本就含有大量礦石。

(2)在無底柱分段崩落法開采的過程中,受到生產中爆破的影響,一部分礦石會被沖擊和擠壓進入覆蓋巖層,而頻繁的爆破作業導致礦石混入覆蓋層的數量和深度都會增加,最終這部分礦石也成為覆蓋層的一部分。

(3)隨著多分段的不斷放礦,由于礦石下流速度不一致,無底柱崩落法中各放礦步距會存在放礦殘留體,這部分殘留礦石也會混入覆蓋巖層,最終形成的覆蓋層中會含有大量的礦石。

但大多數礦山企業由于技術和經濟的原因對于這部分的礦石并沒有制定回收計劃,而是將含礦覆蓋層丟棄不再回收。 這就造成了大量的礦石損失,影響礦山的經濟效益,因此研究如何回收無底柱分段崩落法礦山覆蓋層礦石是非常有意義的。

3 礦石回收結構及技術要求

3.1 工程概況

蒙庫鐵礦圍巖主要為角閃變粒巖,僅在礦體西端見少量條帶狀角閃變粒巖。 其他礦體圍巖主要為條帶狀角閃變粒巖、角閃變粒巖、黑云角閃片麻巖,圍巖與礦體呈整合接觸關系。 圍巖沿走向和傾向具相變特征,圍巖中有磁鐵礦化現象,蝕變以碳酸鹽化、絹云母化、鈉長石化、綠泥石化為主。 礦床礦石礦物成份復雜,種類繁多。 主要以磁鐵礦礦石為主,礦體內夾石主要分布在 1 號礦體中。 夾石呈不規則脈狀、細脈狀、條帶狀、透鏡狀分布,夾石的組成主要是角閃變粒巖,少量黑云角閃斜長片麻巖、磁鐵石榴石巖、磁鐵變粒巖。 普氏系數礦石 f=16 ～18, 巖石 f=8～12。 目前開采的 1070-938 中段礦體分布于 119 ～134 線之間,埋藏標高 1212. 5 ～863m。 總體走向約 300°左右,傾向 NE,傾角 75°～89°。 地 表 長 763m, 厚 度 最 大 35. 53m, 最 小2.89m,平均 12.99m,厚度分布頻率以 5 ～10 m 居多。 地表礦體形態呈似層狀、扁平透鏡狀。 沿走向有膨大收縮、分枝尖滅變化特征。 呈舒緩波狀展布,中部(126～128 線)及東端(131～132 線)略有膨大。 其余各段均為厚度小的脈狀。 礦體東端在 133線呈分枝狀尖滅。 屬于掛幫礦體開采,大多巷道沿走向布置,采用無底柱分段崩落法。

蒙庫鐵礦井下礦采用無底柱分段崩落法,此方法實施過程中,受采礦工藝要求,回采時上部必須預留約30 米礦石作為覆蓋層,以滿足井下礦體開采過程中防突水、防泥石流、防凍、防漏風、防沖擊地壓、形成擠壓爆破和端部放礦條件等要求。 目前,井下礦1022 西沿脈、1006 東三沿脈、1006 東部進路、989～972m 水平西沿脈礦體尖滅后,下部無采準巷道布置,上部留有大量礦石覆蓋層。 剩余礦石約49.11 萬噸,無法通過無底柱分段崩落法出礦回收。

為回收礦體尖滅后,下部無采礦工程布置區域的礦石覆蓋層,提高礦石回收率,降低礦石損失,減少礦石資源浪費,探索崩落法開采的井下礦覆蓋層礦石回收方法。 通過研究下沉或者抬高的平底式和塹溝式底部結構與無底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的結合,根據現場鑿巖、鏟運設備外性尺寸,鏟運出礦方式等確定合理的、適用的出礦底部結構,盡可能回收覆蓋層礦石。 在不同采準巷道和不同區域采礦工藝中應用礦石回收方法,緩解礦山生產壓力,實現資源的充分回收和利用,同時為同類礦山提供借鑒和參考。

3.1 底部結構選擇

底部結構類型為有軌設備裝礦底部結構。 底部結構特點為運搬設備為鏟運機,二次破碎位置在裝礦巷道中進行;采用平底式和塹溝式兩種。 在本分層施工,平底式底部結構見圖2;在下分層施工,塹溝式底部結構見圖3。

圖2 平底式底部出礦結構

圖3 塹溝式底部出礦結構

3.2 技術要求

礦巖穩定性較好的礦山通常采用鏟運機出礦,是提升采場開采強度和勞動生產率常用出礦設備,適用于絕大部分采礦方法的各類礦山。 而出礦結構是各類礦山設計中普遍存在的重要組成部分。采場底部結構中的出礦結構是由集礦塹溝、出礦巷道、裝礦進路、運輸平巷、出礦溜井等組成。

集礦塹溝為連接裝礦進路和上部采場的受礦結構,且平行于出礦巷道。 集礦塹溝在采場中的條數根據采場寬度確定,當采場寬度小于20m 時,采用單塹溝;當采場寬度大于20m 時,采用雙塹溝。集礦塹溝的斜面傾角一般采用45°～55°[10]。

出礦巷道為平行于集礦塹溝與裝礦進路連接的巷道。 當采場垂直礦體走向布置時,該巷道為穿脈巷道,且位于間柱中。 當采場沿礦體走向布置時,該巷道沿礦體走向布置于礦體下盤或上盤圍巖中。 裝礦進路是連接出礦巷道與集礦塹溝的巷道。該巷道的布置與采場尺寸、鏟運機的外型尺寸,礦巖的穩固程度和運輸巷道的布置有關。 裝礦進路與出礦巷道的連接,可斜交,交角一般為45°～50°左右[10]。 裝礦進路間距一般為10 ～15m。 問距過小,不能保證出礦結構的穩定性;間距過大,進路間難于裝運出的三角礦堆損失過大。 因此,裝礦進路支護后可以采場底部總暴露面積不超過采場水平面積的40%為參考。 鏟運機在直線位置上鏟裝效率高,機械磨損小。 因此,該巷道長度一般不小于設備長度與礦堆占用長度之和。

裝礦進路布置形式與采場寬度有關,當采場寬度小于12m 時,采用單塹溝單側裝礦進路的布置形式;當采場寬度為12～20m 時,采用單塹溝雙側裝礦進路的布置形式,一般兩側進路錯開布置;當采場寬度大于20m 時,采用雙塹溝雙側裝礦進路的布置形式,兩側進路可對稱布置,亦可錯開布置[10]。

運輸平巷為與出礦巷道連接的巷道。 當采場垂直礦體走向布置時,該巷道沿礦體走向布置于上、下盤圍巖或礦體中;當采場沿礦體走向布置時,該巷道與出礦巷道合而為一。

4 工程實踐

蒙庫井下礦1022m 水平224 沿脈礦體形態呈似層狀、不規則脈狀及平行側列的細脈狀,傾向NE,厚度6～7m,礦石 f=12～18,分段高 17m。 根據本采礦方法及上下分層關系,礦體尖滅,為最后一回采分層,下部無采準工程,回采崩礦量為2.3 萬噸,正常回采鏟出礦石量為6750 噸;剩余覆蓋層礦石約為1.6 萬噸。 1022m 水平東3 沿脈,礦體形態礦體形態呈似層狀、不規則脈狀及平行側列的細脈狀,傾向NE,厚度8～10m,分段高16～17m,根據本采礦方法及上下分層關系,上部有3 個分層,剩余覆蓋層礦石約3.5 萬噸。 989m 水平東采區,礦體賦存形態以層狀為主,東西總長度337m,向西在138 線逐漸殲滅,礦體走向近東西向,傾向NE,傾角75°～80°,礦體連續性好,上部有5 個分層,剩余剩余覆蓋層礦石約14.51 萬噸。

底部結構設計如下:1022m 水平224 沿脈施工3 條下沉平底式底部結構,與脈外運輸巷道垂直布置,間距為10m;東3 沿脈施工4 條下沉平底式底部結構,與脈外運輸巷道斜交布置,間距為8m。 均采用圖2 平底式底部出礦結構。 989m 水平東采區,施工4 條進路,其中2 條布置塹溝式底部出礦結構,與出礦進路斜交布置,間距為10m。 采用圖3 塹溝式底部出礦結構。

5 實施效果

在實施了覆蓋層礦石回收方案之后,礦山取得了明顯的效益。 1022m 水平224 沿脈覆蓋層礦石回收量為0.67 萬噸,回收率為41.6%。 東3 沿脈覆蓋層礦石回收量為1. 81 萬噸,回收率為51. 2%。989m 水平回收覆蓋層礦石回收量為0.5 萬噸,且目前還在持續回收中,回收過程無異常。 按照現有成本分析,截至目前降低成本約240 萬元,預計降低成本581 萬元,創收經濟效益9799 萬元。

6 結論

蒙庫鐵礦開采過程中的工程實際對于覆蓋層礦石回收提出了更高的要求,本文研究了下沉或者抬高的平底式和塹溝式底部結構與無底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的結合,并根據現場鑿巖、鏟運設備外性尺寸,鏟運出礦方式等確定合理的、適用的出礦底部結構,并在此底部結構下回收上部覆蓋巖層中的礦石。

蒙庫鐵礦的應用表明,通過覆蓋層礦石回收技術可以將礦石回收率提升到41%～51%,按照現有成本分析,截至目前降低成本約240 萬元,預計降低成本581 萬元,創收經濟效益9799 萬元,經濟效益顯著提升。

實踐證實,當礦體尖滅后,通過上部預留覆蓋層的回收,為降低礦石覆蓋層傳統的永久損失提供了保障。 提高了礦石回收率,減少礦石資源浪費,緩解了礦山生產壓力,同時為類似礦山資源的回收提供可借鑒的方法和經驗。