云南文山斗南锰矿深部破碎岩体开采技术研究

2019-07-11吕达海赵丽桃

中国锰业 2019年3期

吕达海，赵丽桃

(云南文山斗南锰业股份有限公司，云南砚山 663101)

0 前言

近年来，随着锰矿资源的消耗迅猛增长，国内开采条件较好、品位较高的锰矿资源基本上都已经进行了开采，有的还进入到后期开采阶段。矿石品位低、开采条件复杂、埋藏较深等锰矿资源的开采逐步得到重视，但由于尚未形成可行的系列开采技术，这类锰矿山的开采成本及锰矿资源利用的效果也很不理想，造成原本紧张的锰矿资源被不合理开采，并造成各种安全事故。

云南文山斗南锰矿破碎矿体(白姑矿区缓倾斜矿体、嘎科矿区急倾斜矿体)、贵州遵义锰矿深部缓倾斜破碎矿体、云南鹤庆锰矿急倾斜破碎富锰矿体、广西大新锰矿深部倾斜矿体、湖南桃江锰矿极薄缓倾斜矿体、湖南湘潭锰矿急倾斜矿体的开采均经历了初期的粗放型阶段。该类矿山产生的地压灾害、岩层控制、巷道维护、采矿方法、采空区处理等均是有待解决的技术问题。随着锰矿资源不断减少，需要逐步通过技术研究提高资源开采率。但如何在经济安全的条件下实现锰矿资源的有效回收、如何掌握不同岩层的变形破坏规律，在确保锰矿山的安全高效开采等方面尚未进行深入、系统的研究。因此，迫切需要开展深部破碎矿体开采关键技术研究。

通过斗南锰矿矿山开采现状和工程地质调查、计算机模拟分析、采场爆破技术优化等，对矿体顶板岩体的稳固性进行综合评价，提出满足矿山安全开采的采场爆破技术参数和采场顶板的加固方式，实现矿山安全开采的目标。

1 矿山开采现状调查

矿山开采现状分别对白姑、嘎科(南北)矿区生产各中段进行矿山开采现状的调查，对调查的相关数据加以综合分析，同时对采场顶板垮冒规律等方面进行统计分类。

通过工程地质调查、矿岩物理力学性能的测定和对矿山地质勘探资料分析，结合矿山生产现状等进行综合研究分析，获取戛科矿区和白姑矿区矿岩的相关特性，为矿岩分级提供技术依据和矿山安全开采提供条件。

对戛科矿区和白姑矿区生产各中段进行工程地质调查，寻找最优势的结构面、节理间距等力学参数指标，并对矿岩分级。

研究戛科矿区和白姑矿区几种主要矿岩体的力学性质，即在不同的应力作用下，研究矿岩变形及强度特性，为岩层稳定性分析提供技术依据。

建立矿区开采数值模型，模拟开采过程中空区周围的应力、位移变化特性。

通过对戛科矿区和白姑矿区的系统研究，提出符合矿山现状的采场顶板柔性加固方式、加固参数，并提供柔性加固技术设计。

1)根据上述研究结果，对戛科矿区和白姑矿区的矿体、围岩进行分类。

2)采场爆破计算机仿真优化分析。采用计算机仿真软件对白姑、嘎科(南北)矿区回采爆破效果进行分析，从理论上寻找较为合理的采场爆破参数。

3)现场工业试验与效果检测。根据矿体、围岩分类结果和采场爆破计算机仿真优化分析推荐的采场爆破参数进行现场工业试验；同时进行爆破震动测试检测爆破对采场顶板的影响程度。

2 矿区地质调查测试情况

该项目研究完成了戛科矿区和白姑矿区的节理裂隙调查和岩石力学性质测试等工作，地点分别在戛科矿区和白姑矿区，其中包括戛科矿区的1825中段沿脉巷道一条、上山一条、顶板巷道一条；白姑矿区1510中段沿脉巷道一条、顶板巷道一条，以及对两个矿区的各中段至少3种不同的地段进行了调查、取样，取得以下成果。

1)区内主要有两个含锰矿层位：①在法郎组中上部，即“上含矿段”中部的“白姑含主矿层亚段”(T2f52)；②在法郎组中下部，即“下含矿段”下部的“戛科含主矿层亚段”(T2f41)。

2)锰矿层主要由致密块状和条带状灰质氧化锰矿和碳酸盐锰矿组成，质坚性脆，节理裂隙较发育，一般由次生方解石脉充填。

3)矿层直接顶底板多由泥质岩、粉砂岩和灰岩组成。夹石由泥岩与灰岩类组成，以含锰灰岩为主。戛科矿段顶底板灰岩占50.3%，泥岩及粉砂泥质岩占29.1%，含锰灰岩占15.7%，而粉砂岩与泥质粉砂岩只占4.9%；白姑矿段顶底板则以粉砂岩与泥质粉砂岩最多，占50.4%，次为灰岩类占26.1%，含锰灰岩占13.9%，泥岩及粉砂质泥岩仅占9.6%。

3 矿岩特性研究

通过获得的工程地质调查资料，结合矿岩物理力学性能的测定和对矿山地质勘探资料分析，结合矿山生产现状等进行综合研究分析，取得以下研究成果。

1)斗南锰矿戛科矿区和白姑矿区两个矿区的矿层埋藏于中三叠系法郎组的一套层理发育的以细碎屑为主的沉积岩中，矿区内构造较为发育，岩石受到不同程度的破坏，造成岩石节理裂隙发育处岩石力学强度明显降低。

2)断层破碎带中岩石极破碎，多呈摩棱岩化，部分角砾由泥质胶结，断层泥因挤压多呈鳞片状，遇水后易湿解、膨胀、软化，滑塌现象较多。钻孔在破碎带处的岩芯采取率很低，出现孔壁坍塌埋钻现象。同时泥质岩石易风化、湿解、失水而破碎。岩石抗压强度均低于30 MPa，是极不稳固的松散岩石类型。

3)矿体及顶底板一般呈中等稳固，局部地区有泥岩，易分离，稳固性较差。整体上认为矿体构造较复杂，水文地质条件属于中等偏简单，矿岩稳固性一般，对安全开采造成一定影响。须在爆破、支护形式和回采进度等方面重视，采取切实可行的措施，提高围岩强度。尽量保护采场顶底板岩体的完整性和减少对其支护体的破坏程度，保证井下安全、高效生产。

提出符合矿山现状的采场顶板柔性加固方式和参数，并提供柔性加固技术设计。

4 采场控制爆破工艺与参数的研究

通过深部破碎矿体岩石力学及作用机理研究，掌握斗南锰矿破碎矿体采场顶板岩层破坏规律及破坏机理、开采区域应力变化规律及采场开采的安全可靠性，并根据研究结果制定破碎矿体顶板柔性加固和采场爆破技术方案。

通过对深部采场结构参数与布置方式、分区开采及其开采顺序、矿柱结构与布置方式等研究，确定斗南锰矿深部破碎矿体采矿方法和回采工艺。

通过顶板柔性加固等措施改善破碎矿体开采条件，采用自主知识产权的破碎矿体采矿方法和回采工艺技术，实现深部破碎矿体的安全开采，提高深部破碎矿体回采率。

5 矿山地质与开采现状

5.1 矿山地质

区内向斜位于斗南向斜中部边缘，为一轴向北50(°)东，北翼平缓，南翼陡立；轴部为晚三叠乌格组，两翼为中三叠世法郎组和个旧组。矿区西起戛科、东至尼龙拱，东西长7.5 km，南北宽0.15～0.17 km，面积19 km2，全区分为5个矿段，其中以戛科、白姑为主要矿段，其矿石质量最好。

5.1.1 矿体地质特征

1)矿层规模、形态、产状

白姑矿段的矿层自上而下有8个层位，主要呈层状、似层状、透镜状赋存于T2f52亚段中，倾向南东，走向北东，倾角45(°)～16(°)。

戛科矿段有8个矿层，呈层状。似层状赋存于T2f41亚段中，走向北东，倾向南东、北西，倾角18(°)～90(°)。

2)矿石类型和物质成分

矿石自然类型分为表生氧化锰矿石和原生灰质氧化锰矿石两大类。矿石一般呈鲕状、豆状、微晶粒状，碎屑状结构，且块状，条带状及斑状构造。

5.1.2 矿区地质构造

矿区位于藏滇歹字型构造的左支，经历了印支运动以来的多次地质构造运动，给矿区留下了以褶皱、断裂为主的构造形迹。

5.1.3 矿山开采现状

斗南锰矿拥有戛科矿段和白姑矿段两个矿段，开采规模30×104t/a，其中嘎科矿段主要开采V1矿层，主要为倾斜矿体到急倾斜矿体，生产规模18×104t/a。白姑矿段主要开采有V9、V8、V7a3层矿层，主要为缓倾斜矿体，生产规模12×104t/a。

5.2 研究方法和技术路线

研究工作采用理论计算分析、实验室试验、现场调查与监测及经验类比相结合的方法进行研究。

根据矿岩体工程地质特征和物理力学性质，用多种方法评价矿岩体的质量；依据矿岩体工程地质特征及岩体质量，对矿岩体进行工程地质分区；用数值模拟方法模拟分析顶板岩体在不同采矿阶段的稳定性和冒落过程。

根据采场控制爆破震动测试，进行计算机仿真优化分析，检测爆破对采场顶板的影响程度。

根据矿体赋存条件和矿山具体情况，制定符合矿山实际的采矿方法和采场结构参数。提出技术上可行、经济上合理的支护方案。研究技术路线如图1所示。

5.3 矿岩特性研究

为了进行采场顶板稳定性分类及回采落矿与支护形式和参数的选取，确定倾斜矿体多层矿体开采顺序和开采超前关系，对斗南分矿白姑矿段部分矿岩分别补充进行了点荷载试验、岩层间弱面的直剪试验。

5.3.1 点荷载试验

点荷载试验目的是通过点荷载强度指标来估算矿岩的单轴抗压和抗拉强度。

试验仪器:携带式点荷载仪XD-2型，其中包括加载系统、量测岩石破坏系统和测量尺寸及加荷载之间距离系统3部分组成。

图1 研究技术路线

取样与试验：样本采集于白姑矿段1 560 m水平部分采场和巷道中，对不规则样本要求采集上、下面大致平行，长×宽×高约为(60～75)×(50～60)×(40～50)mm，按规定每组试样在自然风干状态下一般不少于20个，因此样品具有良好的代表性。在实验室内并按照矿岩点荷载仪试验操作规程及步骤进行。

本次试验采用式(1)和式(2)计算点荷载强度。

σc=22Is(50)

(1)

σt=2.2Is(50)

(2)

根据实验数据，补充矿岩点荷载试验结果见表1。

表1 补充矿岩点荷载试验结果 MPa

5.3.2 岩层间弱面直剪试验

岩层间弱面直剪试验的目的是确定矿岩破坏峰值(粘聚力C、内摩擦角φ)，以及残余内摩擦角(φ′)的大小。样本在干燥状态下的试验结果见表2。

表2 岩层间弱面直剪试验结果

有关岩体稳固性等级与物理力学参数对照见表3。

表3 岩体稳固性等级与物理力学参数

在表3中各级别的围岩自稳能力不一样：①级别Ⅰ跨度≤20 m，可长期稳定，偶有掉块，围岩无塌方。②级别Ⅱ跨度10～20 m，可基本稳定，局部可掉块或小塌方。③级别Ⅲ跨度10～20 m，可稳定数日至1月，可发生小至中塌方(塌方高<3 m或塌方体积30 m3)；跨度5～10 m可稳定数月，可发生局部块体移动及小至中塌方；跨度<5 m，围岩可基本稳定。④级别Ⅳ跨度>5 m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动、小塌方，进而发展为中至大塌方。埋深小时，以拱部松动为主，埋深大时，有明显塑性流动和挤压破坏。跨度≤5 m，围岩可稳定数日至1月。⑤级别Ⅴ围岩无自稳能力。其中小塌方是指塌方高<3 m或塌方体积<30 m3；中塌方是指塌方高3～6 m或塌方体积30～100 m3；大塌方是指塌方高>6 m或塌方体积>100 m3。

矿区岩石物理力学试验结果见表4。

表4 矿区岩石物理力学试验结果

5.4 岩组划分

斗南锰矿区出露的地层为三迭系上统鸟格组、下统法郎组、个旧组，根据岩性及岩石物理力学试验成果划分为6个岩组。① 松散岩组(Ⅰ)； ②较软岩组(Ⅱ)；③较硬岩组(Ⅲ)：T2f46为上含矿段顶板，与采矿关系密切，稳固性中等；④较软—坚硬岩组(Ⅳ)；⑤较硬—坚硬岩组(Ⅴ)，粉砂质泥岩、泥质粉砂岩岩体质量中等，抗压强度31.14～51.92 Mpa，软化系数0.58～0.67，与采矿关系密切，稳固程度中等；⑥坚硬岩组(Ⅵ)。

5.5 断裂带工程地质特征

矿区锰矿层赋存于中三叠系法郎组中，为层理发育的以细碎屑为主的沉积岩，其岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩，泥质粉砂岩、粉砂岩及灰岩。由于区内断裂构造发育，岩石多受到破坏。故影响矿床开采的工程地质条件主要因素为矿层及其顶底板岩性特征和断裂破碎带。

矿区锰矿层顶、底板岩石结构较差，开采深部矿体过程中易引起坍塌、冒顶。另外，采掘工程经过断裂带时会发生坍塌，是掘进、回采过程中的主要的工程地质不利因素，应注意支护和加固。矿区工程地质条件中等。

矿区内断裂构造发育中等，白姑比戛科稍简单。主要有NNE、NW、 NWW和NS向4组，多为高角度的正断层，少数为逆断层。矿区内小断层小褶皱也比较发育。多含脉状裂隙水，这不仅破坏了岩层的完整性，还往往形成地下水活动的通道，降低了岩层的稳固性。

5.6 研究分析

1)从矿山的地质资料和生产现状了解到斗南分矿两个矿段的矿岩特性，矿层埋藏于中三叠系法郎组的一套层理发育的以细碎屑为主的沉积岩中，矿区内构造较为发育，岩石受到不同程度的破坏，造成岩石节理裂隙发育处岩石力学强度明显降低。

3)矿体及顶底板一般呈中等稳固，局部地区有泥岩，易分离，稳固性较差。整体上认为矿体构造较复杂，水文地质条件属于中等偏简单，矿岩稳固性为一般，且对安全开采造成一定影响。矿山须在爆破、支护形式和回采进度等方面重视，采取切实可行的措施，提高围岩强度。尽量保护采场顶底板岩体的完整性和减少对其支护体的破坏程度，保证井下安全、高效生产。