石头嘴铜铁矿矿柱回采研究与实践

胡平安

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

·采 选·

石头嘴铜铁矿矿柱回采研究与实践

胡平安

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

石头嘴铜铁矿矿柱回采面临系列技术难题。上向低分段空场嗣后充填采矿法试验研究成功并获得推广应用是石头嘴铜铁矿矿柱回采技术难题得以解决的关键所在,它为矿山持续安全、高效、低成本、低损失贫化稳产生产奠定了可靠基础;三维数值模拟分析得出石头嘴铜铁矿矿柱回采顺序宜从上至下、从中央往两端;先用低分段空场嗣后充填法开采,条件成熟时再过渡到高分段空场嗣后充填法开采;上下中段矿房矿柱应对齐;-220 m以上民采空区水体威胁解除之前,宜先采下部中段矿柱再采上部中段矿柱,或暂只采上部中段矿柱的下分段等结论,对矿区宏观地压控制、水害防治及安全生产具重要指导作用。

矿柱;回采方法;回采顺序;地压控制

石头嘴铜铁矿区毗邻大冶湖畔。-200 m标高以上民采空区封堵了相当数量的地下水;-200～-220 m标高间留有20 m厚的防水隔离矿柱;-220 m标高以下(一期至-420 m标高,二期至-800 m标高)属大冶大红山矿业有限公司的开采范围,按二步骤法开采,一步骤矿房采用浅孔留矿嗣后尾砂胶结充填法开采,二步骤矿柱曾考虑采用上向水平分层法开采,但一直未实施。鉴于一期开采范围内矿房开采已接近尾声,矿柱回采试验研究迫在眉睫。

1 矿柱回采难点分析

一期开采范围内共有32个矿柱,其中-270 m中段8个;-320 m中段8个;-370 m中段7个; -420 m中段9个,保有资源量矿石量(111b类) 2 604.545 kt,平均品位:Cu 1.37%;TFe 37.26%。矿柱回采存在以下难点:

1.矿体顶盘岩溶发育、含水丰富的大理岩向北东延伸直插大冶湖底,下盘矿岩接触带异常破碎,地面湖泊、农田、池塘及铁路、学校等工矿企业众多,地表不允许陷落。

2.-200 m以上民采空区封堵了相当数量的地下水,处于顶水作业环境下的矿柱回采不能破坏上部20 m厚的防水隔离矿柱。

3.地面帷幕注浆工程已完,矿柱回采不能对该工程产生破坏,否则会引发突水淹井事故。

4.一步骤矿房开采期间,因某些方面原因导致了上下中段矿房、矿柱位置不对应,造成了矿柱应力集中厉害,地压显现严重。

5.矿房采完后,矿柱承受了较大支撑力,部分出现了剥离脱落不稳定迹象,如何使矿柱承受的地压平稳安全有效地转移到矿房充填体上是矿柱回采研究的重点。

6.一步骤矿房充填体强度分布极不均匀,试验取样测得矿房充填体单轴抗压强度为0～6.10 MPa。现场揭露显示:建矿初期开采的矿房采场充填体强度低,后期开采采场充填体强度高;采场上部充填体强度低(有的为纯尾砂体),采场底部充填体强度稍高。

7.矿山生产技术水平低,机械化程度不高,无矿柱回采经验,原考虑采用的上向水平分层充填法因与浅孔留矿嗣后充填法一样,作业人员需暴露在矿体顶板下,而节理裂隙发育的矿体易引发冒顶、片帮等安全事故的发生,且上向水平分层充填法存在工序繁杂、成本高、能力小等缺点,矿柱回采需寻求一种更安全、高效的回采顺序和回采方法。

2 矿柱回采方法研究与实践

2.1 一步骤矿房回采方法演变过程

建矿之初,帷幕注浆防治水工程实施前,考虑到中深孔落矿采矿法会对矿体上盘大理岩造成较大破坏,故一步骤矿房开采采用了预留5 m厚护顶矿壁的浅孔留矿嗣后尾砂胶结充填采矿法;二步骤矿柱回采拟采用预留5 m厚护顶矿壁的上向水平分层充填采矿法(未实施),回采矿量不到总量的50%～55%。

随着矿房开采深度的增加以及地面帷幕注浆防治水工程的实施,矿山通过对上盘大理岩的试探性揭露及探水证实:矿区深部大理岩密实性好,含、透水性远比上部差。在此情况下,矿山及时取消了5 m厚的护顶矿壁,并将电耙漏斗出矿底部结构改成了WJD-0.75型电动铲运机出矿的平底堑沟结构,底柱高由12.0 m降到了8.0 m,采场出矿能力有了较大提高。

在顶水作业环境下,矿山采用浅孔留矿嗣后尾砂胶结充填法采矿房实为迫不得已。但生产实践表明:该采矿方法生产效率低,矿量积压多,矿块回采周期长,同时回采采场数量多。其次,矿体受到结构面切割,采场内经常发生局部掉块现象,对顶板下作业人员的安全构成了一定威胁,后部分矿房采场改用了分段空场嗣后尾砂胶结充填采矿法。与浅孔留矿嗣后尾砂胶结充填采矿法相比,后者生产效率与安全性均有显著提高。

2.2 二步骤矿柱回采方法试验研究

在顶水作业环境(-200 m以上采空区积水暂未排干)及矿柱承受了较大垂直载荷、两侧充填体胶结强度偏低等不利条件下,为寻求一种安全、高效、低成本、低损失、贫化的矿柱回采方法,矿山与设计研究单位合作,开展了上向低分段空场嗣后充填采矿法回采矿柱的试验研究工作。上向低分段空场嗣后充填采矿法如图1所示。

矿柱回采试验采场选择在-320 m中段11线矿柱(即3211A1与32111房间矿柱),该矿柱附近系矿区地压活动始发地段,代表性强。试验重点研究解决了低强度充填体内采准巷道的掘进与支护方法、中深孔凿岩爆破参数的优化、爆破动载下低强度充填体稳定性研究、采场底部结构与出矿工艺的优化选择等技术难题。通过单、双巷凿岩爆破效果对比试验,尤其是在下分段矿体与充填体接触面间实行平行孔预裂爆破(见图1)时,可见到采场两侧“矿皮”在自重作用下缓慢跌落,采场两侧充填体已充分暴露的情况下,充填体能自稳站立,表面平整,未出现大面积坍塌,避免了充填体混入矿石而造成较大贫化现象的发生,取得了较好的技术经济指标,说明爆破达到了预期最佳效果。矿柱回采主要技术经济指标列于表1。

图1 上向低分段空场嗣后充填采矿法示意图

表1 矿柱回采主要技术经济指标

上向低分段空场嗣后充填采矿法通过降低回采高度(由45 m高变成2个22.5 m高的分段)达到了减少两侧充填体暴露面积、高度及时间的目的,通过先采下分段并及时充填来保护应力相对集中的充填体下半部,顺利地实现了垂直载荷由矿柱向充填体及上下盘围岩的平稳有效转移,实现了安全、高效、低损失贫化回采矿柱的目的。

该矿柱回采方法试验成功后,在全矿得到了推广应用。

3 矿柱回采顺序研究与实践

矿柱回采前通过对矿区工程地质与地压活动的调查分析、矿岩及充填体物理力学参数的测试后,对矿区矿柱回采顺序进行了数值模拟分析。

3.1 数值分析模型

采用三维有限元分析软件,按X=280 m(垂直走向),Y=-170～-470 m(竖直方向),Z=400 m (走向)范围建立三维数值模型。模型中矿块垂直走向布置,长40 m,宽12.5 m,高50 m,其中顶柱高5 m,底柱高8 m,倾角85°。单元划分总数21 504个,节点24 453个。采用最大拉应力判据(αT≤[σT]),结合德鲁克-普拉格(Drucker-Prage)屈服准则(F =αI1+J2-β)确定矿体内部应力、位移及可能出现的破坏范围、裂隙带最大高度等。收敛系数设为3%～5%,解方程时用PCCG法(Pre-Conditioned Conjugate Gradient Method)求解,最大重复次数30次。三维有限元模型示意图如图2所示。

图2 三维有限元模型示意图

3.2 数值分析结论

1.采取从上向下的中段回采顺序,各中段均处于较低的应力状态,对安全高效开采非常有利;相反,若采取从下往上的中段回采顺序,在开采初期,采场受力状态较差,矿体及上下盘围岩均处于高应力状态,顶板较易产生冒落,甚至发生岩崩,危及采场回采安全,故石头嘴铜铁矿区的矿柱回采宜采取从上往下的回采顺序。

2.充填矿房开采矿柱时,主要荷载仍由矿柱承担,矿房充填体只承担了较少部分荷载。矿柱开采时,矿房充填体较大范围内产生了塑性区,该塑性区在水平方向上完全贯通了整个充填体,且矿柱开采所形成的空区顶部产生了较大范围的拉应力区,对矿区-200～-220 m标高间隔离矿柱的稳定产生影响。因此,在-220 m以上民采空区水体威胁解除之前,在矿柱的中段回采顺序上,宜考虑先采下部中段矿柱再采上部中段矿柱的上行式回采顺序,或暂只采上部中段间柱的下分段。而且,在矿柱回采时,仍应加强间柱两侧充填体的保护,适时监测矿区地压变化过程,防止过去威胁性地压活动的再次发生。

3.通过对-270 m中段从“中央向两端、从两端向中央、从一端向另一端”三种不同方案的矿柱回采顺序的数值模拟表明:采取从中央向两端的矿柱回采顺序,大多数采场处于相对较低的应力状态,对矿柱的回采相对有利;相反,若采取从两端向中央采场回采顺序,则在回采中央采场时,矿体及上、下盘围岩均处于高应力状态,采场顶柱和上盘围岩较易产生冒落,甚至于发生岩崩,从而危及采场回采安全。因此,该中段内的矿柱回采宜采取从中央向两端的回采顺序。

4.矿区上、下中段矿房、矿柱完全对齐时,上覆岩层载荷可以有效地传递到深部及上下盘围岩中,矿区大多数采场处于相对较低的应力状态,对下中段矿柱回采也相对有利。相反,若上、下中段矿房、矿柱不完全对齐,则在采场四角(顶、底柱内)应力集中明显,易引发剪切破坏,给下中段矿柱的回采带来极不利影响,故建议石头嘴铜铁矿区矿回采时,采取上下中段矿房、矿柱完全对齐方式进行开采较合适。

5.石头嘴铜铁矿矿柱回采可采用高分段空场嗣后充填法或低分段空场嗣后充填法两种回采方法。数值模拟分析表明:低分段空场嗣后充填法回采对采场稳定性较好,上盘围岩和矿房充填体均处于较低的应力状态,产生的位移也较小。采用高分段空场嗣后充填法回采时,采场稳定性明显降低。为稳妥计,石头嘴铜铁矿矿柱回采建议先试验低分段空场嗣后充填法,条件成熟时再过渡到高分段空场嗣后充填法。

4 地压控制技术研究与实践

4.1 矿区地压活动调查分析

石头嘴铜铁矿在矿房、矿柱回采过程中发生了一系列地压活动,主要体现在:(1)矿柱受压拉交替作用破坏,部分矿柱支撑能力下降;(2)巷道表面围岩剥离脱落,断面加大;(3)穿脉巷道发生底鼓;(4)采场冒顶,上、下盘围岩局部崩塌;(5)地压有从下往上、从中部往两端发展的趋势。

矿区地压活动频繁对矿山开采安全构成了威胁。研究表明矿区地压活动频繁主要与以下因素有关:(1)矿区不良工程地质条件是导致地压活动频繁的根本原因;(2)应力场分布特征(矿区以水平构造应力为主应力场)与回采顺序不协调是矿区地压活动频繁的重要原因;(3)充填与采矿工作不协调是地压活动的主要原因;(4)矿房长度过大(矿体厚大地段)也是造成部分采场地压活动频繁的原因之一; (5)矿房、矿柱未对齐(矿区-320 m、-370 m中段矿房、矿柱因某方面原因造成上、下完全错位)是造成矿区地压活动严重的诱导原因。

4.2 地压控制措施

地压活动发生后,矿山及时调整了采场回采出矿顺序;及时对采空区进行了充填;对已破坏巷道进行了喷锚补强;建立了较先进的远程地压监控系统,对矿区地压活动进行了长期监测。现阶段矿区地压活动得到了有效控制,主要体现在:(1)地压显现严重区段已经基本稳定,巷道内垮冒现象已得到明显控制,未采矿柱中大的裂缝已经停止了发展;(2)地压由下往上发展的趋势得到了遏制。目前,-270 m、-220 m中段巷道与矿柱基本稳定;(3)顶、底柱再没有出现明显的滑移迹象,采场稳定性得到了有效控制;(4)地压监测系统的正常稳定运行,为掌握矿区地压活动提供了及时可靠的信息。

5 结 语

1.上向低分段空场嗣后充填采矿法试验研究成功并获得推广应用是石头嘴铜铁矿矿柱回采技术难题得以解决的关键所在,它为矿山持续安全、高效、低成本、低损失、低贫化稳产生产奠定了可靠基础。

2.三维数值模拟分析得出石头嘴铜铁矿矿柱回采顺序宜从上至下、从中央往两端;先用低分段空场嗣后充填法开采,条件成熟时再过渡到高分段空场嗣后充填法开采;上下中段矿房矿柱应对齐;-220 m以上民采空区水体威胁解除之前,宜先采下部中段矿柱再采上部中段矿柱,或暂只采上部中段矿柱的下分段等结论,对矿区宏观地压控制、水害防治及安全生产具重要指导作用。

3.矿区地压活动特征的调查与分析、系列地压控制措施的采取,特别是远程地压自动监控系统的建立并保持长期平稳运行为矿区实现安全生产提供了可靠保证。

[1] 田显高,高胜洲.桃花嘴金铜矿矿柱回采方法研究与实践[J].黄金,2007,28(4):23-29.

[2] 秦扬,万海涛.金口山铜矿矿柱回采研究[J].科技信息, 2009,(33):305-306.

[3] 谢茂辉,伍佑伦.留矿法嗣后充填开采中的地压活动与控制[J].矿业研究与开发,2006,26(增刊2):36-39.

[4] 伍佑伦,路军.远程地压监控技术在地下矿山中的应用研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26:2 815-2 819.

Abstract:The pillar stopng of Shitouzui copper and iron ore faces a seriesof technical problems.The key to solve is the success on the test and application by low sublevel open stoping with subsequent backfilling method,which has laid a reliable foundation for the mine continuous safe,efficient,low cost and low losses depleted stable production; 3D numerical simulation analysis showed that the stoping order should be from top to bottom,from the central to both ends;it uses the low sublevel open stoping with subsequent backfilling first,then transitions to the high when conditions are ripe;the upper and lower middle stoping pillars should be aligned;before the goaf water threat of-220m above relieved,it should adopt the lower middle stope pillars and then the upper one first or the low part of the upper middle pillars only for the moment.The study has played an important guiding role in the mining area pressure control,flood prevention and safety production.

Key words:pillar;stoping method;stoping order;pressure control

Study and Practice of Pillar Stoping of Shitouzui Copper and Iron Ore

HU Ping-an
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

TD853.391+.1

A

1003-5540(2012)02-0001-04

2011-12-26

胡平安(1964-),男,高级工程师,主要从事采矿工程设计和安全评价技术工作。