大新锰矿西北采区采矿方法创新设计及三维可视化

2018-05-30姚存德陈庆发刘俊广蒋腾龙李世轩吴仲雄

采矿技术 2018年3期

姚存德,陈庆发,刘俊广,蒋腾龙,李世轩,吴仲雄

(广西大学资源环境与材料学院, 广西南宁 530004)

0 引言

数字化矿山是数字地球在矿山历史发展中进一步应用的结果,指在矿山范围内建立一个三维空间体系,结合矿山地质地理信息构建出三维模型,清晰呈现出矿山各点的详细信息[1].数字化三维建模技术主要以精密、可靠的空间三维集成模型为特点,其在矿山设计、生产调度、虚拟仿真等方面为矿山生产提供了强有力的支撑平台[2G3],以大新锰矿西北地采＋340 m和＋380 m中段矿体为例,在协同理念指导下[4],进行采矿方法创新设计及3DMine三维仿真模拟.

随着科学技术不断发展,结合现有的科学技术,部分学者在这方面做了大量研究,周邓等[5]针对某矿区实测地质资料,利用3DMine构建该矿区三维数字模型,实现了井下开拓工程、矿体、地表建筑的三维可视化,并详细分析了各类三维模型的构建方法;荆永滨[6]等基于Hoops3D框架,运用与平台无关的SQLite嵌入式设计的孔口、样品分析和地质岩性等结构钻孔数据库,建立了某铜矿32＃~56＃勘探线钻孔三维模型,根据钻孔轨迹和铜元素品位的可视化,圈定了铜矿体边界.数字化矿山的实施,可以充分利用资源、减少资源损失,对生态环境的平衡发展也具有重要意义.

采矿方法以Auto CAD二维模型呈现,内容复杂难以理解.而利用3DMine实现采矿方法三维空间的可视化,可以使矿块的结构、参数、空间位置关系等布局更加合理,直观易懂,方便可行.进一步将协同开采理念引入采矿方法可视化构建中,可使资源开采与灾害处理更加协调与同步,使矿山开采系统具有较高的协同效应[4].

1 开采技术条件

西北采区主要对矿西北残矿进行回收,该区地质情况复杂.小断层较多但影响不大.该区褶皱反复频繁,基本上每5 m就会出现矿体产状的大变化,加之矿体较薄容易造成其它矿物的侵入,使矿体品位变化过大.

＋380 m中段矿岩情况如下:Ⅰ矿平均厚度约1.2 m,在靠近32a线附近反转,南巷剩余有8个矿块共约矿石89706.35 t,产状为346°/67°~37°,灰白色夹褐色方解石侵入,品位约16.02%;北巷有10个矿块约矿石154241.97 t,产状150°/20°,灰白包为主,局部墨绿色,墨绿色矿体品位为21.54%,灰白色品位为14.74%,夹一厚约8 m灰白色泥灰岩夹条带薄层方解石脉,品位1.87%.Ⅱ－Ⅲ矿平均厚度约2.0 m在31线附近反转,南巷8个矿块共约矿石141944.55 t,产状340°/67°~37°;北巷有10个,矿块共约矿石233299.43 t,产状150°/20°夹二不可区分,Ⅱ矿灰白夹褐色豆状厚约1.5 m;Ⅲ矿厚约0.5 m,灰黑色至密状,Ⅱ－Ⅲ矿品位16.25%.其顶板为五指山组第三段(D3W3),为硅质灰岩夹硅质岩,局部夹锰灰岩,上部夹0~0.2 m厚的碳酸锰层.

＋340 m中段矿岩情况如下:Ⅰ矿厚约1.2~1.8 m,夹一厚约15~20 m,为浅灰色微粒中厚层状硅质灰岩;揭露的Ⅱ矿厚1.2~1.7 m,全锰矿石品位约23.09%,以棕红、墨绿、灰白色为主,顶部铁黑,隐晶质结构,鲕状、豆状构造,层理不发育;Ⅲ矿厚0.5~0.8 m,全锰矿石品位约13.24%,以灰黑色为主,隐晶质结构,矿石较致密,完整性好,层理不发育.该片区夹二较薄,局部尖灭.矿层顶板主要为灰黑色硅质岩,薄层状,层理发育,含少量黄铁矿.

2 创新设计采矿方法

电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法适用开采缓倾斜至倾斜矿体,在矿块内矿房和矿柱交替布置,回采矿房时留规则矿柱以维护顶板岩石.不仅涵盖了经典房柱法可开采薄、厚和极厚矿体的优点,同时增大了矿体倾角适用范围.电耙－爆力运搬联合出矿协同伪倾斜房柱法要求矿石和围岩均稳固.其缺点是采切工作量大,沿矿体走向方向跨度较大.

大新锰矿西北采区分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ层矿体,根据其围岩与矿体性质分别设计矿房参数,均采用电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法.Ⅱ矿与Ⅲ矿之间夹石较薄,无法剔除,因此,采用Ⅱ矿、Ⅲ矿与夹石合采.

2.1 采场布置

(1)结构和参数.Ⅰ矿设计参数为:阶段高度为40 m,矿房跨度为7 m,间柱尺寸为3 m×3 m,间距5 m.顶柱厚度为3 m,底柱高6 m.放矿溜井直径为1.5 m,切割平巷(拉底巷道)高2~2.5 m,宽度为矿体全厚.上山(电耙道)为2 m×2 m,电耙硐室为2 m×2 m,每个矿房布置1条上山、1个电耙硐室和1个放矿短溜井.每2个矿房布置1个行人天井(2 m×2 m),方便行人进入工作区.

(2)采准与切割.Ⅰ矿电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法布置如图1所示.Ⅱ－Ⅲ矿电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法布置如图2所示.

由图1与图2可以看出,电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法的采准工程包括:自底板运输巷道4、掘进放矿溜井3和人行天井2;在底柱1上掘进切割平巷12,作为起始回采的自由面和相邻矿房之间的联络道;沿切割平巷在围岩中掘进电耙硐室13;沿矿房缓倾斜掘进上山11,用以行人、通风和运搬设备或材料,并作为回采时自由面.

2.2 回采工作

Ⅰ矿回采工作包括矿房和矿柱回采.因矿体厚度较薄,一次采全厚.矿房回采时,预留连续间柱,保证上一矿房回采工作的正常进行.矿房回采完毕后,将连续矿柱切割成点柱进行回收.矿房回采划分为A区和B区:A区回采炮孔沿电耙道平行布置,崩落矿石由电耙运搬至放矿溜井经阶段运输巷道出矿;B区回采炮孔沿电耙道垂直布置,利用爆力运搬法将崩落矿石运搬至电耙道,再利用电耙进行出矿.

图1 电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法(Ⅰ矿)

图2 电耙－爆力协同运搬伪倾斜房柱采矿法(Ⅱ－Ⅲ矿)

Ⅱ－Ⅲ矿回采工作包括矿房和矿柱回采.由于矿体直接顶板为为硅质岩,一般含钙质、泥、碳质,稳固性较差,故保留Ⅲ矿体的0.5 m矿石做为护顶矿,不予回采.对不稳固的地方应安装锚杆维护顶板.矿房回采时,预留连续间柱,保证上一矿房回采工作的正常进行.矿房回采完毕后,将连续矿柱切割成点柱进行回收.合采时采用分层回采,且矿房回采划分为A区和B区:A区回采炮孔沿电耙道平行布置,分两层回采,先采Ⅱ矿后采夹二与Ⅲ矿,崩落矿石由电耙运搬至放矿溜井经阶段运输巷道出矿;B区回采炮孔沿电耙道垂直布置,分两层回采,先采Ⅱ矿后采夹二与Ⅲ矿,利用爆力运搬法将崩落矿石运搬至电耙道,再利用电耙进行出矿.

为提高矿山生产效率和电耙－爆力运搬协同作用,合理安排生产顺序.上一矿房B区回采完毕,开始回采下一临近矿房的B区,即上一矿房的A区回采与下一矿房的B区回采同时进行,且尽量保证同时完成回采,以便达到系统协同,回采有序和安全高效的目的.

出矿设备采用ZDPJ－30型电耙绞车,电耙型号2JP－15,容积0.4 m3.采用气腿式凿岩机钻凿炮眼,落矿眼孔深1.8 m.孔间距1.0 m.顶眼采用光面爆破.爆破用乳化炸药,起爆用非电导爆管起爆,炸药单耗0.8 kg/t.凿岩机台班效率30 m,矿房内布置2台凿岩机,凿岩时间为4 h,3班作业.

2.3 通风及空区处理

新鲜风流从下阶段运输巷道经行人天井进入切割平巷(拉底巷道),经上山(电耙道)进入采场工作面.污风经上山(电耙道)上部进入上阶段运输巷道后排除地表,采场内架设JK58－4.5局部通风.

矿房回采完毕后,封闭采空区,架设安全提示牌,禁止人员进入.

2.4 主要经济技术指标

主要经济技术指标如表1所示(Ⅰ矿、Ⅱ－Ⅲ矿房各1个合并数据).

表1 创新设计采矿方法主要经济技术指标

3 三维模型显示

建立矿山三维模型,具有可观性与真实性,其在整体上对工程建设及合理布局具有重大指导意义.

为清晰表达矿体与其它采矿结构的位置关系,增加对矿体整体形态及开采过程的认识,本章对大新锰矿西北采区＋340 m中段和＋380 m中段矿体及其它采矿结构进行3DMine建模.同时为准确表达采矿方法结构及其构成要素,建立3DMine采矿方法标准矿块模型,增加工人对采矿技术的熟练度,进而提高施工效率及保证人员安全.

由于地质资料的有限性和局部误差,构建3DMine三维模型无法与实际矿体完美契合,存在一定程度的误差.为更精确认识矿体,应将理论建模与矿山实际相结合,共同辅助矿体安全高效回采.