新城金矿厚大矿体开采方法研究

刘 滨,姬 涛,由 伟

(山东黄金矿业股份公司新城金矿, 山东莱州市 261438)

新城金矿厚大矿体开采方法研究

刘 滨,姬 涛,由 伟

(山东黄金矿业股份公司新城金矿, 山东莱州市 261438)

新城金矿5号矿体厚度大,矿岩破碎,现有上向水平分层充填采矿法难以开采深部矿体,为此,针对矿山现有采矿方法存在的技术难题,提出了应力拱连续开采上向水平分层充填采矿法,实现了新城金矿5号矿体的安全开采,工业试验取得了盘区生产能力477.45t/d,贫化损失率均为8%的良好效果。

厚大破碎矿体;应力拱连续开采;充填采矿法

山东黄金矿业股份有限公司新城金矿70%以上产量是由V#矿体开采所得,V#矿体上盘为焦家破碎带,矿体厚度大,平均水平厚57m,矿岩稳固性一般,局部地段矿岩破碎、裂隙发育,给矿山生产带来安全隐患。针对V#矿体开采技术条件,矿山采用了上向水平分层尾砂(胶结)充填采矿法,采场垂直矿体走向布置,一步采宽8m、二步采宽7m,分层高度3.3～3.4m,分段高度10.0m,中段高度50m。目前矿山主要回采一步矿房,开采高度从-580m已采至-550m,二步采矿房有部分刚刚揭露。由于V#矿体厚大,中部采场长达130m以上,且矿体倾角较缓,约30°左右,二步采场作为一步采场回采时的矿柱,对一步采场安全高效回采发挥了重要作用。但随着一步采场的回采,二步采矿的安全问题开始显现,不仅影响到矿山的可持续生产,而且可能导致重大安全事故或造成较大损失,因此,针对深部开采技术条件的采矿方法变革势在必行。

1 国内外深部厚大破碎矿体开采经验

纵观国内外地下矿山高价值破碎复杂矿体采矿方法[1],由于充填采矿具有矿石回收率高,特别适合于不稳固矿岩条件下的高价值矿体开采的特点[2],自然成为高价值破碎复杂矿体的首选采矿方法。随着科学技术的不断进步和发展,充填采矿法实现了采场机械化回采和充填,原来的低产、低效、劳动强度大的弱点已逐渐演变成高产、高效和劳动强度低的现代化开采方法[3]。目前充填采矿法已形成了分层充填、分段充填和阶段充填的完整体系。针对不同的适用条件与开采技术特点,选择不同的充填采矿方法,对降低贫化损失与保障采矿安全具有重要意义[4]。

在所有使用充填采矿法开采高价值软破复杂矿体的矿山中,主要考虑的问题是矿体开采的安全性,即考虑矿岩的稳固程度、矿岩的顶板暴露面积与暴露时间、矿岩对作业人员与设备的安全影响与危害、矿岩的自稳与贫化损失。因此,正是由于矿体的不稳固性,从而使目前使用的充填采矿法主要集中在上向分层充填采矿法、上向进路充填采矿法以及下向进路充填采矿法3种形式。

1.1 上向分层充填采矿法

上向分层充填采矿法在瑞典、加拿大、美国、澳大利亚、意大利及其他国家广泛用于开采矿石稳固、围岩破碎的急倾斜薄矿脉和中厚矿体[5],比较典型的矿山有瑞典的汤普森矿、斯特拉思科纳矿等[6]。在加拿大,每年用充填法开采的矿石量达到2700～3200万t,占地下开采矿石总量的35%～40%,其中87%是用各种不同形式的分层充填法方案开采出来的。在日本约有43%的有色金属矿石是用充填法开采出来的。对于埋藏条件很复杂的矿体,主要是采用机械化上向分层充填采矿法进行开采,在瑞典的45个矿山中近乎一半以上的矿山采用该方法。但由于充填体强度等原因,出矿过程中会出现矿石混入充填料的现象,从而导致矿石的二次贫化与损失,个别情况不好时甚至会导致二次贫损超过一次贫化与损失。

1.2 上向进路式充填采矿法

上向进路式充填采矿法是在分层充填采矿法基础上发展起来的,该法用于矿岩更加破碎、稳固性较差的矿体。这种采矿方法的主要特征是在矿块划分分层后按一定规律划分进路,类似于巷道掘进,逐条进路进行回采,采完后进行进路充填并接顶,直到分层回采结束,然后转向上一分层的回采,直到矿块回采完毕。采用上向进路充填采矿法,主要存在采场生产能力小、充填接顶困难、管理复杂等缺点。

1.3 下向进路充填采矿法

下向进路充填采矿法是20世纪50年代末发展起来的一种采矿方法,该法最先在瑞典加彭贝里铅锌矿使用,主要用于取代传统的分层崩落法。该方法适用于埋藏深,地应力大,有地热高温与岩爆的可能性和矿岩很不稳固的矿床。其后,下向进路充填采矿法在德国、美国、日本、加拿大得到广泛应用。但下向进路充填采矿法受岩层条件的限制,采矿方法技术与工艺等方面要求较为苛刻。

2 五号深部厚大破碎矿体开采方法研究

新城金矿采矿方法选择中,矿山优先考虑的关键问题是在生产安全的前提下,充分利用矿山现有开拓与设备,尽可能与新城金矿现有生产能力接轨,保证矿山产量稳定、生产持续发展,同时降低开采成本,提高资源回收率和降低贫化率。

根据采矿方法选择原则,结合新城金矿5号矿体的开采技术条件,选择了4个具有代表性的采矿方案,分别为:应力拱连续开采上向水平分层充填采矿法、盘区交错式无间柱上向分层充填采矿法、棋盘式预护顶中深孔上向凿岩分段充填法、人工再造环境下的混合充填采矿法。经综合分析,选择应力拱连续开采上向水平分层充填采矿法开采新城金矿破碎厚大矿体(见图1)。

2.1 盘区布置与采场回采顺序

盘区沿走向划分,尺寸为38m×50m,即盘区长38m,高度为50m,分段高度为10m。连续矿房宽度为31m,划分为5个矿房,1～5号矿房宽度依次为6,6,7,6,6m,矿柱宽度为7m。一个盘区内的5个矿房,3号矿房超前2,4号矿房3个分层,即10 m,2,4号矿房超前1,5号矿房3个分层的高度回采,使5个矿房在空间上形成一个免压拱(见图1)。

图1 应力拱连续开采上向水平分层充填采矿法

2.2 采准与回采工艺

盘区采用下盘脉外分段平巷和集中溜井出矿的无轨采准方式。平行矿体下盘边界布置分段运输平巷,各分段运输平巷通过联络道与主斜坡道相通。采场分层联络道将分段运输平巷与采场相连,溜井联络巷与中段集中出矿溜井相联,从而构成盘区下盘脉外无轨采准系统。分段高10m,分层高度3.3～3.4m,即一个分段控制3个分层矿体的回采。考虑到用无轨设备凿岩、出矿,重车出矿上坡的坡度不超过15%,重车下坡的坡度不超过21%,以此为依据进行分段平巷设计和采准工程优化。每分段有3条分层联络巷通达矿体,其第2条为第1条压顶后形成,第3条为第2条压顶后形成。

采场支护用树脂锚杆和钢带联合护顶。锚杆杆体选用20MnSi无纵肋螺纹钢,直径为Φ18mm,长度L=2400mm。树脂锚固剂型号为K2535和Z2360。采场锚杆呈梅花形布置,间距×排距=1200 mm×1200mm。钢带由矿山自行加工,用直径Φ10 mm的A3钢筋切割焊接而成。钢带宽40mm,共3种规格,长分别为1500,2900,4200mm,由两根平行钢筋每隔200mm用同径钢筋焊接制成。

凿岩采用Mercury-14全液压单臂凿岩台车,钎杆长4.3m,柱齿形合金钎头直径为40～43mm,炮眼深度一般为3.8～3.9m。爆破使用GB12437-90粉状铵梯炸药,以上分层的空顶距为爆破自由面,沿矿房全断面拉开。采用非电毫秒差导爆管,使用导爆管起爆器引爆。

采用芬兰Toro-250BD柴油铲运机出矿,经分层联络道、溜井联络道,倒入放矿溜井。

采场分层采完后,在采场内砌筑充填挡墙,然后从通风充填天井中引入并架设充填管,用水泥尾砂胶结充填,尾砂比1∶12～1∶10。一个分层分2～3次充填,最后一次充填浇面,最上一个分层的最后一次充填须接顶。

3 结 论

针对新城金矿深部V#矿体埋藏深、地应力大、岩体破碎等开采技术条件,提出了应力拱连续开采上向水平分层充填采矿法回采深部矿体,该方法实现应力拱式开采,安全性好,有利于地压控制,凿岩出矿作业比较集中,管理简单,辅助作业时间少,生产效率高。新城金矿深部V#矿体工业试验达到盘区生产能力477.45t/d、采矿工效34.86t/工班、采矿贫化率8%、采矿损失率8%、采切比12.55m/kt、直接采矿成本80元/t等良好指标。

[1]王新民,肖卫国,张钦礼.深井充填理论与技术[M].长沙:中南大学出版社,2005.

[2]刘同友.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社,2001.

[3]刘志祥,李夕兵,戴塔根.尾砂胶结充填体损伤模型及与岩体的匹配分析[J].岩土力学,2006,27(9):1442～1446.

[4]刘志祥.深部开采高阶段尾砂充填体力学与非线性优化设计[D].长沙:中南大学,2005.

[5]Biswas K, Jung S J. Review of current high density paste fill and its technology[ J ]. Mineral Resources Engineering, 2002, 11 ( 2 ) :165～182.

[6]刘同友,黄业英.国外金属矿山充填采矿技术的研究与应用[R].长沙:中国有色金属学会采矿学术委员会,1997.

2009-11-20)

刘 滨(1969-),男,山东莱州人,助理工程师,主要从事采矿工程技术研究。