多分段嗣后胶结充填采矿法的应用研究

杨秀明

(贵州开磷集团矿肥有限责任公司, 贵州开阳县 550302)

多分段嗣后胶结充填采矿法的应用研究

杨秀明

(贵州开磷集团矿肥有限责任公司, 贵州开阳县 550302)

针对矿肥公司矿山采用锚杆护顶分段空场法时,矿石回收率低、采场地压大、地表开裂、下沉等问题,提出了多分段脉内连续退采嗣后充填采矿法,并详细介绍了该法的采场布置、回采工艺等。采用该法能显著提高矿石回收率,且井下掘进废石不出坑直接用于磷石膏胶结充填,实现无废开采,获得了较好的经济效益和社会效益。

充填采矿;磷石膏;采场结构;回采工艺;无废开采

0 前 言

贵州开磷集团矿肥有限责任公司所属矿山的矿石品位高,不经选矿便可直接作为生产优质磷肥的原料。目前采用空场法开采,矿石回收率低,仅为70%,且采后未对空区进行有效处理,经过多年开采,形成了大量的采空区,致使矿区局部地段空区顶板冒落,给矿山的安全生产和地表设施带来了极大威胁。另外贵州开磷集团矿肥有限责任公司化工厂已建成,每年因生产磷酸产生的工业废弃物——磷石膏将达 300万 t左右,因此化工厂不得不投巨资建设磷石膏库堆放磷石膏,不仅占用了大量的耕地,而且对周围的环境产生严重的污染。

采用磷石膏和废石胶结充填可提高矿石回收率、显著减少磷石膏库的库存量、节约耕地,能减少磷石膏对周围环境产生的严重污染,且将井下掘进废石直接用于充填,降低充填成本,其经济效益和社会效益显著。

1 矿床开采技术条件

贵州开磷集团矿肥有限责任公司所属矿山为滨海、浅海相沉积磷块岩矿床,产于震旦系上统陡山沱组上部,与上覆灯影组白云岩呈假整合接触。矿层呈层状产出,与地层产状一致,为整体呈东倾的单斜构造,产出稳定。矿石以凝胶结构为主,碎屑结构次之。水文地质条件简单,为一单斜伫水构造,属以溶蚀裂隙为主、顶板直接进水的岩溶充水矿床,水源为大气降水。

矿床为单一沉积型磷矿床,成矿后受构造运动影响,被 F41、F44、F403逆断层错切,推移成 4个矿块。矿山主要开采对象为 F44断层的上、下盘矿,俗称南矿块、北矿块,南矿块在 E38～E48线之间与北矿块叠加,两矿层水平间距 200～300 m。开采区域内构造简单,断层较少,一般以北北东向为主,局部呈北东。

矿层为缓倾斜 -倾斜中厚层状矿体,矿体倾角16°～39°,南陡北缓 ,浅部陡、深部缓 ,厚度 1～10 m,平均厚度 5 m。矿层凿岩爆破性好,属中稳 -不稳固,矿石平均品位 35.45%。顶板为白云岩、硅质岩,中等稳固。直接底板为中厚层石英砂岩或含砾砂岩,厚 1.35～17 m,较稳固,其下为紫红色砂页岩、页岩,致密,凿爆性较好,但暴露后易风化垮塌,不稳固。

2 原有采矿方法及存在的问题

现用采矿方法为锚杆护顶分段空场法。中段高度为 60 m,分段高度为 10 m,矿房尺寸为 16 m×12.5 m,顶柱、间柱尺寸分别为 2.5,1.5 m,矿块长度 200 m,盘区走向长 600～800 m。采准工程由盘区斜坡道、溜井、分段联络巷、沿脉分段平巷组成。除沿脉分段平巷外,均布置于矿体下盘。溜井底部安装振动放矿机,与中段大巷通过装矿石门联结;井筒距矿体最小水平距离为 12 m,通过石门与盘区斜坡道、沿脉分段平巷联结。

回采工艺为先进行分段平巷刷帮取底、切割上山取底、矿房回采,采用 SI MBAH357深孔凿岩台车凿岩,导爆管和非电毫秒雷管、复式起爆网络起爆;采用电动铲运机或柴油铲运机铲运至溜矿井;新鲜风流利用盘区斜坡道,经分段平巷至采掘作业面,在作业面布置局扇辅助通风,污风经溜井、回风联络巷进入上中段大巷,从回风斜井排出地表。脉内采切巷道采用金属树脂锚杆挂金属网支护。其主要技术经济指标为:回收率 65%～68%,贫化率 6%～8%,采场生产能力 400～500 t/d。空区顶板自然崩落。

实践证明,锚杆护顶分段空场法存在以下问题:

(1)回收率低,仅为 65%～68%;

(2)开采后遗留的空间未处理,在安全采深以上范围给地表带来崩塌、开裂、沉降等隐患;

(3)采场地压不能很好的控制,给采矿安全带来威胁;

(4)各系统均布置于矿体下盘紫红色页岩内,由于该页岩暴露后易风化、崩解,井巷支护困难,在带来安全隐患的同时,增大井巷支护和维护的费用和难度;

(5)矿井出坑废石量大,增加废石运输和碴场建设、管理成本,除占用土地外,还增大了碴场安全隐患;

(6)采矿后遗留的空间没有充分的利用,是空间资源的浪费。

3 采矿方法的改进

贵州开磷集团矿肥有限责任公司所属矿山,矿体倾角小于 20°的矿体占矿段总储量的 12.8%,矿体倾角为 20°～30°的矿体占矿段总储量的 35.5%。因此,在矿体倾角较小条件下,探讨无废开采工艺具有重要的实际意义。本文以矿体倾角 20°、真厚度3.5 m进行设计。

由于矿体倾角较小,矿体水平厚度增大,在实现疏水条件下,利于在适宜地段取消分段脉外平巷和脉外出矿进路,布置脉内沿脉平巷,按设计的矿房尺寸布置矿房,采取多分段脉内连续退采嗣后充填采矿法,如图1所示。

图1 多分段脉内连续退采嗣后充填采矿法示意

(1)采场结构参数。中段高度为 60 m,分段高度为 7.5 m,矿房尺寸为 15.3 m×20 m,矿柱尺寸(顶柱斜长)为 2.1 m;盘区走向长度 400～600 m,比原有采矿方法参数减少 200 m,目的是利于减少分段沿脉平巷准备和服务、维护时间,同时增加盘区数量和采场数量。分段高度 7.5 m,随矿体倾角和今后采掘设备的变化而变化,以满足凿岩和出矿工艺要求、减少底板留矿。

(2)采准系统 (除分段沿脉平巷外)均布置于矿体上盘白云岩内,利于井巷支护,掘进废石用于配合磷石膏就近充填,尽可能做到废石不出坑。溜井及井筒采用石门与中段运输大巷、盘区斜坡道、分段沿脉平巷联结。由于倾角和分段高度小,为避免分段联络巷 (分段石门)重叠,上下相邻分段联络巷中心线相错 1个矿房间距 (20 m)。只布置中央溜井。

(3)矿房布置。分段内以石门为中心,按 20 m走向长度向两翼均等划分矿房。当遇构造破碎地段或顶板稳固性变化时,视情况调整,或局部留设间柱,以保障作业安全。矿房倾斜长度为矿体斜长,分段上部在本分层回采时留设水平厚度为 2 m的顶柱,该顶柱在上分段回采时予以回收。

(4)回采顺序。盘区内从下往上、分段内由两翼向中央退采。相邻上下分段之间,下分段超前 2个矿房。最上分段采用现应用的锚杆护顶空场法回采。

(5)矿房回采工艺。第一步采用 BOOMER 281浅孔凿岩台车施工切割上山;第二步,采用 Sandvik DL330-5中深孔台车打中深孔;第三步,爆破、通风、处理安全;第四步使用 TORO-400,ST-6铲运机出矿;第五步,卧底取底板三角矿和回收下分段顶柱。

(6)采场充填:在凿岩巷道 (分段平巷)中砌筑充填挡墙,从上分段平巷向空区进行磷石膏胶结充填,同时可把掘进废石添加到充填体中。

(7)支护。分段平巷、切割上山采用金属树脂锚杆和金属网支护,交岔点和分段平巷 (兼回采凿岩巷)视情况采用锚索加固支护。

(8)主要技术经济指标为:回收率 90%,贫化率 2%,采场能力 141 t/d,盘区能力 1046 t/d(按布置 6个采场,和 200 t/d采切附产矿量计算)。

4 结 论

(1)多分段脉内连续退采嗣后充填采矿法,采场中不留间柱,从而能显著提高矿石回收率,且废石不出坑,直接用于充填,与传统的脉外采准充填法相比,能大量减少废石产出,向无废矿山建设目标推进。从而节省成本,为磷石膏废碴排放提供空间,创造良好的社会效益和经济效益。

(2)每立方米充填体能消耗 1.2 t磷石膏,显著减少了化工厂磷石膏库的库存量,节约耕地,并能减少磷石膏对周围环境产生的严重污染。

(3)在生产能力方面,由于矿体倾角较小,在目前采矿技术装备情况下,只要精心布置、合理安排,实现多中段、多盘区、多采场生产,是可以达到目标要求的。

(4)无废开采是矿山走可持续发展道路、实现绿色矿山的必然之路。作为磷资源开采与深加工的企业,既要努力实现井下生产废石不出坑,又要使加工产生的磷石膏用于井下充填开采,在磷石膏充填采矿法取得突破性进展的同时,仍将是一项较为长期的艰巨任务。目前,该矿井下产出的顶板白云岩废石,除少量应用外,其他仍存放于地表排碴场,需对废石胶结充填工艺进行研究。

[1] 周爱民.矿山废料胶结充填 [M].北京:冶金工业出版社,2007.

[2] 彭怀生,古德生,董鸿翮.矿床无废开采的规划与评价[M].北京:冶金工业出版社,2001.

[3] 孙恒虎,黄玉诚,杨宝贵.当代胶结充填技术 [M].北京:冶金工业出版社,2002.

[4] 刘同有,等.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社,2001.

[5] 蔡嗣经.矿山充填力学基础 [M].北京:冶金工业出版社,1994.

[6] 张富民,等.采矿设计手册(矿床开采卷 下)[M].北京:建筑工业出版社,1987.

[7] 陈中经.矿床地下开采[M].北京:冶金工业出版社,1991.

[8] 高鹏举.废渣充填的生产成本和环保效益评价[J].采矿技术,2006,6(3):126-127,156.

[9] 贵州开磷矿肥公司,中南大学.沙坝土磷石膏充填采矿方法综合技术研究[R].贵阳:贵州开磷矿肥公司,2010.

2011-03-28)

杨秀明 (1965-),男,贵州湄潭人,工程师,主要从事矿山开采设计与管理,Email:Yang7588989@sina.com。