金矿采矿工艺与采场稳定性分析研究

2022-06-01曲永贵

中国金属通报 2022年2期

曲永贵

某金矿位于湖南省岳阳市平江县万古矿区西北部，矿区面积0.2083 平方公里，矿区为千古金矿21 号矿床东段，开采深度为220m ～+50m 标高。该金矿设计生产能力在每年生产矿石8.5万t/a 矿石量。按照生产要求，采矿设计标高至+65m。由于无法系统地开展地质调查工作，矿山资源储量未明确。采矿采用浅孔留法，贫化率高，安全工作不到位，重大生产安全事故发生率高。为了更好地利用矿山资源，提高效率，在保证矿山生产安全的同时，最大限度地提高产能，必须探索和自主创新适合金矿的安全有效的开采方式。

1 金矿开采技术及采场可靠性分析

削壁充填采矿法已应用于金属矿山的开采，取得了良好的工程和经济实用效果；明确提出采用机械自动化水平和分级削壁充填开采方法的实验和研究，在极薄急倾斜的金矿床开采工作中，取得了良好效果，产量得到进一步提高；目前，采用削壁充填法开采桂花树锡矿缓斜极薄矿体已取得成功；研究者对挖掘机加长臂切割充填法、斜分层切割充填法、向上切割充填法、扇形向上切割充填法、机械自动切割和填充方法等进行分析，进一步明确了削壁充填采矿法的应用效果。开采急倾斜、极薄矿体的实际效果显着，提高了安全性能，大大降低了开采的损失率和贫化率。

基于上述削壁充填开采法在矿山生产过程中的成功开采经验，建议选择该法作为金矿极薄矿体的开采方式，并确定开采标高在+65m 以上，通过分析论证确定采矿技术参数，确保采矿工艺的优越性，为今后安全生产带来保障。削壁充填法是一种用于开采极薄矿脉的干式充填法。先开采岩石还是先开采围岩，应根据矿石岩石的物理性质和物理性质对开采方式加以明确。该采矿方法适用于赋存稳定、与围岩接触明显、易分离的矿脉，围岩无矿石或呈缓倾斜、急倾斜的极薄矿体。

2 岩石力学主要参数测试

为更加有效地评价金矿顶底板岩石水文地质标准，在李屋毛坡房村和海工湾瓦子房村的采场和巷道中选取了2 种不规则岩层标本，对148 组使用DH-1 点载荷仪进行点载荷试验。根据对试验过程数据的统计分析，对不规则岩样点荷载、岩层抗拉强度σc、岩层抗压强度指标值Is（50）、抗压强度σt 进行了测量计算。由于岩样规格受到抗压强度指标值的影响比较大，为验证得到的不规则岩样I 值的准确性，选用数学回归分析方法，分析样品的总载荷（P）与芯径（De）之间的相关性。并在回归曲线上找到与De2=2500mm2配对的P50 值。根据计算公式I（50）=P/2500，得到点荷载抗拉强度I（50），进一步测得多元回归分析结果σc 和σt。经比较，抗压强度试验分析的依据与多元回归分析的结论一致。

测量金矿石软岩的抗压强度，单轴抗压强度的测定是将采集的岩石试样置于压力试验机上，以规定的加载速率（0.1mm/min）加载，直至试样破坏，根据试件断裂时增加的承载力P，可以用试件的横截面A 来测量岩层的单轴抗压强度S0。通常，表面单轴拉伸强度的测量值有很大的偏差。因此，为了获得可靠的平均单轴抗拉强度抗压强度值，每组试件数量不少于3 个。在测定岩石的抗拉、抗压强度时，在进行岩石拉伸试验时，将试件制成圆盘状，放在压机上进行压裂试验，实验试件受集中承载力的影响。

3 岩石水文地质标准及质量评议研究

该矿的岩石水文地质标准、含量结构角砾岩和含量石英脉带聚集在一起，常常位于浅层石英砂岩和冷家溪组平原组构造裂隙粉碎带中，方向为西北偏西，趋势为北东向，它的发生沿方向和趋势发生了很大的变化，矿床长100m ～150m，厚0.3m ～1.2m。矿床内容物为构造角砾岩，除部分密实的硅质细粉砂外，一般为断块泥粉砂细砂，岩层太软，结构松散，力学性能差。结构抗压强度低。在顶部和底部，破碎石英砂岩多由构造振荡产生，薄至0.6 ～6.95m，有的为断块糜棱岩，岩层软，构造松散，水文地质不稳定。

矿体出露标高为200m ～230m。开采设计最低标高为-30m。矿体倾斜深度约200m，矿体走向长度约350m。矿体呈片状、硅化，由构造角砾岩、含石英脉、含硅化碎砂石英砂岩组成。单个矿体最大金品位为6.28×10-6，矿体平均品位为3.66×10-6。设计海拔160m 以下，金矿品位相对稳定。矿体厚度0.35m ～10m，平均壁厚0.63m，矿体平均倾角63°，属急倾斜极薄矿体。

新岩层密度高、硬度大，抗弯抗拉强度高，可靠性好。部分矿层顶部和底部裂缝的生长和发育导致岩层的坚固性降低。矿体软岩为冷家溪群坪组二段第四岩段，多为浅灰色、浅灰绿色至灰绿色粉质砂质板岩和砂质石英砂岩。矿石岩石硬度好、密度高、透水性差。

根据金矿区地形地貌、矿岩分布及软岩特征，结合岩层物理力学指标值，将金矿附近的软岩（包括斜面和球面）根据其结构特点和组成规则进行划分。在岩组中，断裂调查的地点在矿体中心区-140m 沿脉的金矿上，砂岩群正断层裂隙相对密度等值线及立体投影现场勘察如图1 所示：

图1 砂岩群正断层裂缝相对密度等值线及立体投影现场勘察

该岩层为冷家溪群坪源组二段第四岩段（PT、P2-4），它是浅灰色和浅灰绿色变体，位于矿体的上部，该岩组的岩体结构具有粒状结构、强度低的特点。重点生长发育9°∠83°、323°∠44°、56°∠55°3 组剪切节理，节理表面有石英脉、砂质填充物，平均体积接头相对密度为16.28bars/m3，计算出的RQD 值为45.16%，整体硬度不高，可靠性一般。Ⅲ、Ⅳ级构造严重影响岩体的变形和破坏。如果金矿工程布置在此处的岩组中，应改进锚杆支护，避免岩体坍塌，矿石岩石群的关键物理力学性能为：RC=39.77-64.46MPa，Rt=1.54-2.49MPa。

4 采场安全开采技术标准分析

采场可靠性分析采用Mathews 法，基于稳定性指标N 和外观要素（水力坡度）HR，可采用Mathews 法采场可靠性进行分析。

在分析过程中，已知参数Q′为调整后的Q 值；A 为岩层应力指数，细部岩体的双轴抗拉强度与平行平面基坑开挖面较大诱导应力的比值；B 为节理方向指标，根据分区规划，节理与采场面的相对方向明确；C 为重力调整指标，考虑到重力对采场裸露面的可靠性危害，如坍塌、滑移等，重力调整指标C 与采场面倾角有关，计算方法为C=8-6COS（采场工作面倾角的警示度数）。

调整后的Q 值如表1 所示。

表1 Q′值计算结果

此阶段的坍塌不仅威胁采场工作的安全，而且增加了矿石的破坏和贫化率。因此，为保证金矿采场作业安全，必须改变目前的地下开采方式，采用安全程度高的削壁充填开采方式。

5 采场下盘锚杆支护设计

近年来，由露天开采转为地下开采的矿山数量逐渐增多。例如，中国首钢集团通州铁矿、城钢梅河口铁矿、铜山铜矿、凤凰山铜矿和广西大新锰矿等：海外主要有巴西的科菲方丹钻石矿、澳大利亚的蒙特雷尔铜矿和基德-澳大利亚的克里克铜矿。露天转地下开采的突出问题之一是如何保证采场的稳定性，这也是影响地下矿山安全高效开采的关键因素。地下采场稳定性的关键在于采场软岩体、开采内应力、采场外观的工程特征，采场稳定性分析的关键是开采作业经验法、基础理论分析法和有限元分析法及其现场检测方法。

Hutchinson 和Diederichs 根据楔形形块拱（梁）的基本理论计算了锚索的间距，锚索将岩石变成具有自承工作能力的拱或梁，以抵抗岩石的弯曲变形。他们明确提出了可靠性指标值纵轴和水力半径R 为锚索设计方案区间数据图相同总面积的横轴；根据现浇板结构加筋拱梁可靠度分析及上覆岩层重量计算，当锚索钢筋的锚固长度超过破坏面积时，可以保证被破坏区域的地区稳定。如果进一步增加锚索的长度，则不能提高交叉索的实际支撑效果。现浇板长度和无支护采场左右板长度分别为52.5m、35.84m 和12.11m。其中，稳定长度在没有球体支撑的情况下较短，不能满足矿山生产要求。因此，采场球必须由锚索支撑，其中水力半径取稳定区的最小值；当采场被球支撑时，允许采场球向37.4m 的长度移动。

金矿采场不支护时，下盘水平位移最大为19.3mm，变形小，采场下盘塑性区较大，说明采场存在可靠性问题。数值计算方法和工作经验方法预测分析的结论是一致的，采场下盘支护采用长预应力锚索后，下盘的大水平位移和塑性区范围明显减小。采矿区最大水平位移由19.3mm 减小到11.6mm，塑性区由3.5m减小到1.5m。有限元分析结果表明，预应力锚索支护能够保证采场的岩石稳定性。结合岩石力学试验、岩石质量分级、岩石结构力学主要参数测量与计算，选用可靠度图方法和标准值分析方法，实现金矿采场北段采场结构主要参数分析，应用Mathews可靠度图，经计算，在无支护情况下，采场所采用的现浇板、挂墙和底墙的最大长度分别为52.5m、35.84m 和12.11m，反而有可能不能满足矿山开采生产的要求。充分考虑现场的地质环境和施工条件，显然较大的采场很可能出露长度为34m。研究者的分析结果表明，采场发生了较大范围的塑性破坏。采场下盘的数据分析结果一致。采用预应力锚索支护图法可知，采场下盘支护的主要参数为：网孔尺寸为2.0m×2.0m，交错索长度为8m。根据数值计算方法验证，下墙选用预应力锚索后，水平位移和延性面积显著减小。