井下矿覆盖层矿石回收技术应用研究

2022-03-04韩鹏举

新疆钢铁 2022年4期

韩鹏举,马飞

(富蕴蒙库铁矿有限责任公司)

1 引言

无底柱分段崩落法作为一种回采效率较高、机械化程度高且安全性较好的地下矿开采方法,被广泛应用于国内的各大地下矿山[1-2],随着我国地下矿山数量和规模的不断扩大,无底柱分段崩落法因其具备的诸多优点必将进一步得到大范围应用。但其依然存在一些不足之处,其中较大的问题就是矿石的损失贫化较大。在无底柱分段崩落法中采矿作业需要在一定的覆盖层岩石下进行,其中覆盖层的主要作用是保护地下采矿作业,控制采场上部的落石以及采场中的地压,但覆盖层也含有大量的矿石[3-4]。但对于这部分矿石,矿山通常没有具体的回收计划和方案,由此造成了大量的矿石损失。且随着已开采资源的大量消耗,剩余矿产资源的价值必上升,因此如何安全高效的回收覆盖层矿石,降低矿石的损失率、提高经济效益成为目前矿山企业关注的重要问题。

近年来针对无底柱分段崩落法覆盖层矿石的回收的研究取得了一定的成果。乔登攀等[5]分析了含矿覆盖层形成的原因,考虑覆盖层矿石对供矿品位的影响,提出了多分段多步距的顺带回收方法,实现了覆盖层矿石的回收。李林生[6]从探讨了符山铁矿覆盖层松散体中的铁矿石的合理开采边界品位,并通过具体采场实践获得了针对覆盖层的采矿和选矿经济技术指标。何佳峰[7]和雷刚[8]等根据实际矿山开采情况分别构建了针对覆盖层矿石的相似模拟回收实验,通过对比不同回收方案的回收率、贫化率等指标挑选了最佳的覆盖层矿石回收方案。

张海磊等[9]通过室内模拟放矿试验确定了含矿覆盖层的回收参数,并以此参数作为参考制定了现场试验的回收方案。以上研究都针对具体矿山生产情况,并结合室内模拟实验得到了覆盖层回收方案的参数,并在实际运用中都取得了较好的结果。

针对矿山对覆盖层矿石回收的要求,本文结合蒙库铁矿的实际开采情况,研究下沉或者抬高的平底式和堑沟式底部结构与无底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的结合,根据现场凿岩、铲运设备外性尺寸,铲运出矿方式等确定合理的、适用的出矿底部结构。实现在不同采准巷道和不同区域采矿工艺中应用矿石回收方法,同时为类似矿山覆盖层回收提供可借鉴的思路和经验。

2 覆盖层作用原理及含矿成因

2.1 覆盖层作用

根据我国《金属非金属矿山安全规程(GB16423)》规定:回采工作面的上方,应有大于分段高度的覆盖岩层,以保证回采工作的安全;若上盘不能自行冒落或冒落的岩石量达不到所规定的厚度,必须及时强制放顶,使覆盖岩层厚度达到分段高度的二倍左右。为保证出矿能安全有效的进行,无底柱分段崩落法要求崩落矿石在覆盖岩层下进行出矿,因此在矿石上部形成覆盖层,如图1 所示。对于使用无底柱分段崩落法的矿山,覆盖层的形成对于矿山的地压控制、减少冒落、减缓雨水和地下水渗入等都有很大的作用。

图1 无底柱分段崩落法覆盖层示意图

(1)形成挤压爆破条件。在矿体爆破过程中,覆盖层的存在能起到挤压限制的作用,使分段矿石不至于崩落到空区而无法放出,可以改善矿石的回收率和贫化率。同时覆盖层还能控制爆破对围岩和顶板的冲击,起到缓冲作用。

(2)释放采场地压。随着采场矿石的不断崩落,无底柱分段崩落法的采空区也会不断扩大,这就导致采空区顶板暴露面积不断增大。地压增强可能导致围岩发生大量崩落,大量落石的冲击将严重影响出矿作业安全,而覆盖岩层的存在能够对落石起到缓冲的作用,消耗落石的冲击能量,释放采场地压,保证采场作业人员和设备的安全。

(3)减缓雨水和地下水的渗入。足够厚度的覆盖岩层在矿石和地表之间形成了隔离带,且能够减缓地表雨水以及地下水的渗入速度,同时也能吸收一部分雨水和地下水,从而减轻地下排水的压力。

(4)保温防冻。位于高寒地区或者处于寒冷季节的矿山,覆盖岩层还可以作为地下采场与地面的保温带,隔绝地表寒风与冷空气。起到了保持地下采场温度的作用,延缓矿石因低温而凝结,防止矿石结块而无法顺利出矿。

2.2 覆盖层含矿成因

(1)无底柱分段崩落法开采,其本质特点就是覆岩下放矿,其要求在开采过程中在采场上部预留一定厚度的覆盖岩层,而通常预留的这部分覆盖层中本就含有大量矿石。

(2)在无底柱分段崩落法开采的过程中,受到生产中爆破的影响,一部分矿石会被冲击和挤压进入覆盖岩层,而频繁的爆破作业导致矿石混入覆盖层的数量和深度都会增加,最终这部分矿石也成为覆盖层的一部分。

(3)随着多分段的不断放矿,由于矿石下流速度不一致,无底柱崩落法中各放矿步距会存在放矿残留体,这部分残留矿石也会混入覆盖岩层,最终形成的覆盖层中会含有大量的矿石。

但大多数矿山企业由于技术和经济的原因对于这部分的矿石并没有制定回收计划,而是将含矿覆盖层丢弃不再回收。这就造成了大量的矿石损失,影响矿山的经济效益,因此研究如何回收无底柱分段崩落法矿山覆盖层矿石是非常有意义的。

3 矿石回收结构及技术要求

3.1 工程概况

蒙库铁矿围岩主要为角闪变粒岩,仅在矿体西端见少量条带状角闪变粒岩。其他矿体围岩主要为条带状角闪变粒岩、角闪变粒岩、黑云角闪片麻岩,围岩与矿体呈整合接触关系。围岩沿走向和倾向具相变特征,围岩中有磁铁矿化现象,蚀变以碳酸盐化、绢云母化、钠长石化、绿泥石化为主。矿床矿石矿物成份复杂,种类繁多。主要以磁铁矿矿石为主,矿体内夹石主要分布在 1 号矿体中。夹石呈不规则脉状、细脉状、条带状、透镜状分布,夹石的组成主要是角闪变粒岩,少量黑云角闪斜长片麻岩、磁铁石榴石岩、磁铁变粒岩。普氏系数矿石 f=16 ～18, 岩石 f=8～12。目前开采的 1070-938 中段矿体分布于 119 ～134 线之间,埋藏标高 1212. 5 ～863m。总体走向约 300°左右,倾向 NE,倾角 75°～89°。地表长 763m, 厚度最大 35. 53m, 最小2.89m,平均 12.99m,厚度分布频率以 5 ～10 m 居多。地表矿体形态呈似层状、扁平透镜状。沿走向有膨大收缩、分枝尖灭变化特征。呈舒缓波状展布,中部(126～128 线)及东端(131～132 线)略有膨大。其余各段均为厚度小的脉状。矿体东端在 133线呈分枝状尖灭。属于挂帮矿体开采,大多巷道沿走向布置,采用无底柱分段崩落法。

蒙库铁矿井下矿采用无底柱分段崩落法,此方法实施过程中,受采矿工艺要求,回采时上部必须预留约30 米矿石作为覆盖层,以满足井下矿体开采过程中防突水、防泥石流、防冻、防漏风、防冲击地压、形成挤压爆破和端部放矿条件等要求。目前,井下矿1022 西沿脉、1006 东三沿脉、1006 东部进路、989～972m 水平西沿脉矿体尖灭后,下部无采准巷道布置,上部留有大量矿石覆盖层。剩余矿石约49.11 万吨,无法通过无底柱分段崩落法出矿回收。

为回收矿体尖灭后,下部无采矿工程布置区域的矿石覆盖层,提高矿石回收率,降低矿石损失,减少矿石资源浪费,探索崩落法开采的井下矿覆盖层矿石回收方法。通过研究下沉或者抬高的平底式和堑沟式底部结构与无底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的结合,根据现场凿岩、铲运设备外性尺寸,铲运出矿方式等确定合理的、适用的出矿底部结构,尽可能回收覆盖层矿石。在不同采准巷道和不同区域采矿工艺中应用矿石回收方法,缓解矿山生产压力,实现资源的充分回收和利用,同时为同类矿山提供借鉴和参考。

3.1 底部结构选择

底部结构类型为有轨设备装矿底部结构。底部结构特点为运搬设备为铲运机,二次破碎位置在装矿巷道中进行;采用平底式和堑沟式两种。在本分层施工,平底式底部结构见图2;在下分层施工,堑沟式底部结构见图3。

图2 平底式底部出矿结构

图3 堑沟式底部出矿结构

3.2 技术要求

矿岩稳定性较好的矿山通常采用铲运机出矿,是提升采场开采强度和劳动生产率常用出矿设备,适用于绝大部分采矿方法的各类矿山。而出矿结构是各类矿山设计中普遍存在的重要组成部分。采场底部结构中的出矿结构是由集矿堑沟、出矿巷道、装矿进路、运输平巷、出矿溜井等组成。

集矿堑沟为连接装矿进路和上部采场的受矿结构,且平行于出矿巷道。集矿堑沟在采场中的条数根据采场宽度确定,当采场宽度小于20m 时,采用单堑沟;当采场宽度大于20m 时,采用双堑沟。集矿堑沟的斜面倾角一般采用45°～55°[10]。

出矿巷道为平行于集矿堑沟与装矿进路连接的巷道。当采场垂直矿体走向布置时,该巷道为穿脉巷道,且位于间柱中。当采场沿矿体走向布置时,该巷道沿矿体走向布置于矿体下盘或上盘围岩中。装矿进路是连接出矿巷道与集矿堑沟的巷道。该巷道的布置与采场尺寸、铲运机的外型尺寸,矿岩的稳固程度和运输巷道的布置有关。装矿进路与出矿巷道的连接,可斜交,交角一般为45°～50°左右[10]。装矿进路间距一般为10 ～15m。问距过小,不能保证出矿结构的稳定性;间距过大,进路间难于装运出的三角矿堆损失过大。因此,装矿进路支护后可以采场底部总暴露面积不超过采场水平面积的40%为参考。铲运机在直线位置上铲装效率高,机械磨损小。因此,该巷道长度一般不小于设备长度与矿堆占用长度之和。

装矿进路布置形式与采场宽度有关,当采场宽度小于12m 时,采用单堑沟单侧装矿进路的布置形式;当采场宽度为12～20m 时,采用单堑沟双侧装矿进路的布置形式,一般两侧进路错开布置;当采场宽度大于20m 时,采用双堑沟双侧装矿进路的布置形式,两侧进路可对称布置,亦可错开布置[10]。

运输平巷为与出矿巷道连接的巷道。当采场垂直矿体走向布置时,该巷道沿矿体走向布置于上、下盘围岩或矿体中;当采场沿矿体走向布置时,该巷道与出矿巷道合而为一。

4 工程实践

蒙库井下矿1022m 水平224 沿脉矿体形态呈似层状、不规则脉状及平行侧列的细脉状,倾向NE,厚度6～7m,矿石 f=12～18,分段高 17m。根据本采矿方法及上下分层关系,矿体尖灭,为最后一回采分层,下部无采准工程,回采崩矿量为2.3 万吨,正常回采铲出矿石量为6750 吨;剩余覆盖层矿石约为1.6 万吨。 1022m 水平东3 沿脉,矿体形态矿体形态呈似层状、不规则脉状及平行侧列的细脉状,倾向NE,厚度8～10m,分段高16～17m,根据本采矿方法及上下分层关系,上部有3 个分层,剩余覆盖层矿石约3.5 万吨。 989m 水平东采区,矿体赋存形态以层状为主,东西总长度337m,向西在138 线逐渐歼灭,矿体走向近东西向,倾向NE,倾角75°～80°,矿体连续性好,上部有5 个分层,剩余剩余覆盖层矿石约14.51 万吨。

底部结构设计如下:1022m 水平224 沿脉施工3 条下沉平底式底部结构,与脉外运输巷道垂直布置,间距为10m;东3 沿脉施工4 条下沉平底式底部结构,与脉外运输巷道斜交布置,间距为8m。均采用图2 平底式底部出矿结构。 989m 水平东采区,施工4 条进路,其中2 条布置堑沟式底部出矿结构,与出矿进路斜交布置,间距为10m。采用图3 堑沟式底部出矿结构。

5 实施效果

在实施了覆盖层矿石回收方案之后,矿山取得了明显的效益。 1022m 水平224 沿脉覆盖层矿石回收量为0.67 万吨,回收率为41.6%。东3 沿脉覆盖层矿石回收量为1. 81 万吨,回收率为51. 2%。989m 水平回收覆盖层矿石回收量为0.5 万吨,且目前还在持续回收中,回收过程无异常。按照现有成本分析,截至目前降低成本约240 万元,预计降低成本581 万元,创收经济效益9799 万元。