两步骤充填采矿法回采顺序优化研究

2014-09-28甯瑜琳扈守全林卫星

采矿技术 2014年2期

关键词：阶梯式采场岩体

甯瑜琳 , 梁超, 扈守全,林卫星

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 2.国家金属采矿工程技术研究中心,湖南长沙 410012；3.中矿金业股份有限公司，山东招远市 265400)

两步骤充填采矿法回采顺序优化研究

甯瑜琳1,2, 梁超3, 扈守全3,林卫星1,2

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012； 2.国家金属采矿工程技术研究中心,湖南长沙 410012；3.中矿金业股份有限公司，山东招远市 265400)

玲南金矿随着采深的增加(采深已达600 m以上)，深部中段采准工程受地压破坏的风险越来越大，采场及围岩的应力环境也明显恶化。为从根本上保障采准工程及采场的稳定性，结合选择的两步骤上向水平分层充填采矿法，对比分析了盘区交错式、凸型阶梯式、三角型阶梯式三种回采顺序回采时采场稳定性和相应的工艺技术、经济指标。结果表明：采用凸型阶梯式回采顺序回采时，采场稳定性最好，但综合生产能力、生产成本等指标较差，且生产组织管理复杂，最终确定盘区交错式为玲南金矿两步骤充填采矿法的最优回采顺序。

上向水平分层充填采矿法；回采顺序；生产能力；生产成本；组织管理

1 前言

玲南金矿位于山东招远市东北约15 km处，行政区属招远市玲珑镇管辖。矿床内的蚀变带相当发育，金矿体产于蚀变带内，并严格受蚀变带制约。主矿体分布于10～22线、169～-750 m标高地段，赋存于主裂面之下0～80 m的黄铁绢英岩化碎裂带及黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带内，局部延至黄铁绢英岩化花岗岩带内。矿体产状与主裂面一致，走向46°～87°，平均65°，倾向南东，倾角21°～61°，平均40°。矿石价值较高、围岩不稳固，矿山原采用的点柱式上向水平分层充填采矿法的显著缺点是矿石损失率大，资源利用率低，采场作业安全性差。针对以上情况，矿山拟采用两步骤上向水平分层充填采矿法回采下部矿体。

随着玲南金矿浅部资源回采结束以及采深的增加(采深已达600 m以上)，深部中段采准工程受地压破坏的风险性越来越大，采场及围岩的应力环境也明显恶化，地压显现明显，单纯依靠支护手段已不能满足围岩控制要求。为从根本上保障采准工程及采场的稳定性，应结合选择的两步骤上向水平分层充填采矿法，分析盘区交错式、凸型阶梯式、三角型阶梯式三种回采顺序回采时采场的稳定性状况，进而结合生产能力、生产成本、生产组织管理等指标确定最合理的回采顺序[1-3]。

2 相关理论概述

随着采矿面积的展开、空区的出现，地压大小、强弱分布情况也发生较大的变化，研究表明，采场高应力区有以下分布特征[4]：

(1) 在较大的开采深度、面积的情况下，矿体上下盘围岩中，将产生明显的应力升高区，且上盘应力集中强度略高于下盘，并随开采下移而增加，下盘则可出现一个应力降低区，此处的巷道破坏程度较小。

(2) 在矿体两翼，围岩应力集中较大，程度强于上盘。采空区虽然切断了沿脉方向的水平应力，但因采空区顶压经采空区顶板以双支点梁的形式传递两侧的地应力，加上垂直地应力，结果产生了应力叠加区，有的还受到来自上下盘方向的水平应力，巷道、采场稳定性极差，大部分垮冒的巷道、采场均与此有关。

2.2 平衡拱理论

平衡拱理论是由普罗托耶科诺夫提出的，又称为普氏理论。该理论认为：洞室开挖以后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨落而形成一个拱形，又称塌落拱。最初这个拱形是不稳定的，如果洞侧壁稳定，则拱高随塌落不断增高；反之，如侧壁也不稳定，则拱跨和拱高同时增大。当洞的埋深较大(埋深H>5b，b为拱跨)时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。这时，作用于支护衬砌上的围岩压力就是平衡拱与衬砌间破碎岩体的重量，与拱外岩体无关。

2.3 卸压开采原理

卸压开采就是运用应力转移原理，将回采区的高应力通过一定的卸压措施转移到四周，使回采区内的应力降低，改善矿岩体的应力分布状态，控制由于多次采动影响而造成的应力增高带相互重叠的程度，以实现顺利开采[5-6]。

当然，由于爵位高、加官多，霸府行台首长至少有两个以上的开府，宇文泰任霸府行台时以周惠达为大行台尚书和大将军府司马就是明证。其中霸府行台就是行台首长的行台开府，主要帮助首长处理军政事务，在霸府行台首长的开府中最能体现“霸府”性质。

生产过程中，合理回采顺序为先采承压带后采卸压带。处于承压区的巷道后掘、采场先采，快掘快采，使整个水平的采准、切割、回采衔接紧凑。但需指出的是各分层的回采要避免常规的由两翼向中间退采，以免引起中间矿块的应力叠加，造成系统工程破坏[5-6]。

3 采场稳定性比较分析

基于高应力区的应力分布特征、矿体卸压开采原理及平衡拱理论，对盘区交错式、凸型阶梯式、三角形阶梯式三种不同回采顺序进行分析，其应力分布见图1～图6。

图1 盘区交错式回采顺序示意

图2 盘区交错式回采应力分布云图

盘区交错式上向水平分层充填采矿法将盘区矿块划分为矿房、矿柱，矿房超前矿柱交错式回采，一步骤回采矿房时，采场拉开后顶板应力转移到两侧的矿柱，稳定性较好；二步骤回采矿柱时，采场两侧均是充填体，主要依靠充填体摩擦力与矿石自身粘结力支撑，受力结构较差。且由于一步骤先采的矿房应力转移到二步骤矿柱采场中，造成二步骤采场顶板应力集中情况明显，采场稳定性差。

图3 凸型阶梯式回采顺序示意

图4 凸型阶梯式回采应力分布云图

图3所示的凸型阶梯式上向水平分层充填采矿法，中间采场超前周边采场2～3个分层，此时的回采形式整体上类似于一个拱形的大采场，已采采场顶部形成一个大的承载拱，将顶部的岩体自重应力转移到两侧拱脚处，进而转移到深部原岩中，使得采场直接顶板的应力得到一定程度的释放，承载拱内的采场顶板只承受顶部岩石自身的重量，不再承受拱外岩体中的应力，稳定性较好，但在承载拱两侧拱脚处，出现明显的应力集中。应用凸型阶梯式回采顺序开采时，采场的一侧是原岩、另一侧为充填体，主要依靠矿体原岩的支撑力、矿石自身粘结力及充填体摩擦力进行支撑，从理论上分析，采场顶板受力结构优于交错式布置的采场，实际上由于原岩稳固性一般，其支撑力对顶板稳固性作用不明显，而在盘区与盘区交界处采场顶板同样需采取有效的支护措施，才能保证回采安全，并且充填体强度要求比盘区交错式高，充填成本高。

图5 三角形阶梯式回采顺序示意

图5所示的三角形阶梯式上向水平分层充填采矿法，整个盘区采场由一侧向另一侧推进，整个“大采场”在形式上类似于半个拱形，可形成部分承载拱转移采场顶部岩体中的应力，使得承载拱内的采场顶板只承受本身自重，先回采的采场顶部的应力转移到一侧未采的矿体及另一侧的充填体中，造成后采采场矿体的应力集中，对充填体的强度要求也较高。采场回采时一侧为充填体，一侧为矿体，主要依靠矿体原岩的支撑力、矿石自身粘结力及充填体摩擦力支撑顶板，在盘区与盘区交界处，采场顶板同样需采取有效的支护措施，才能保证回采安全。

图6 三角形阶梯式回采应力分布云图

通过上述分析可知，凸型阶梯式采场的顶部可形成承载拱，能将大部分顶板应力转移到承载拱两侧拱脚，进而转移到深部原岩中，采场直接顶板的应力得到有效释放，只承受本身的岩体自重，这种回采顺序的采场应力状况最好；其次为三角形阶梯式回采顺序，能形成“半个”承载拱转移上部岩体中的应力，使得承载拱内的采场直接顶板只承受本身岩体自重，但先回采的采场顶部的应力转移到一侧未采的矿体及另一侧的充填体中，采场稳定性较凸型阶梯式差；最差的是盘区交错式回采顺序，一步骤采场的安全性好，且在垂直方向上形成卸压区域，但二步骤的采场顶板压力转移到两侧的一步骤矿房充填体中，采场顶板既要承受本身自重，又要承受由一步骤采场转移过来的应力，导致稳定性很差。

4 工艺技术及经济比较分析

4.1 生产能力比较分析

根据玲南金矿开采技术条件及生产现状，计算盘区交错式上向水平分层充填采矿法的中段采场生产能力为3240 t/d，中段盘区利用系数0.75；凸型阶梯式上向水平分层充填采矿法中段生产能力为2275 t/d，中段盘区利用系数0.80；三角形阶梯式上向水平分层充填采矿法中段生产能力为2070 t/d，中段盘区利用系数0.82。

4.2 生产成本比较分析

采用盘区交错式上向水平分层充填采矿法时，一步骤采场充填需采用胶结充填，二步骤采场除底部两个分层和采场的浇面层需采用胶结充填外，其余均可采用分级尾砂充填；采用凸型阶梯式、三角型阶梯式的回采顺序时，为保障采场作业的安全，需回采方案全部采用胶结充填，三种不同回采顺序的充填成本计算结果见表1。

由表1可知,三种不同回采顺序的上向水平分层充填采矿法的采矿成本均为96.29元/t。而凸型阶梯式、三角型阶梯式的充填成本为50.99元/t，盘区交错式的充填成本为35.96元/t。通过以上计算结果可知，盘区交错式上向水平分层充填采矿法的生产成本比凸型阶梯式、三角型阶梯式上向水平分层充填采矿法低。