李楼铁矿空场嗣后充填法运行管理探讨

王志君

(1.五矿矿业(安徽)工程设计有限公司,安徽 合肥 230601;2.五矿矿业控股有限公司,安徽 合肥 230601)

空场嗣后充填法能够有效控制地压,提高矿山资源回采率、降低贫化率,充分利用矿山产生的废料,减少污染[1-2]。该方法符合绿色采矿的目标,是采矿工业发展的必然趋势。

为保证矿山持续、均衡地生产,采矿工作之间的衔接多采用生产准备矿量(也称“三级矿量”)管理理论[3]。该理论协调了矿山开拓、采准与备采作业之间的关系,缺少出矿之后的空区和充填管理,现已不能完全涵盖矿山采场的生产管理步骤。

据此,本研究围绕安徽开发矿业李楼铁矿采场布置、空区暴露面积以及暴露时间、充填组织之间的管理进行了分析,明确了各因素之间的相互关系,提出了采场布置、空区与充填采场之间的数量关系与运行规律,梳理了从出矿、充填到空区管理的生产管理思路,弥补了嗣后充填采矿的采场管理理论的空白。

1 工程概况及存在的问题

1.1 开采技术条件

安徽开发矿业李楼铁矿位于安徽省霍邱县,矿床走向近南北,长3.4 km,倾向西,倾角 65°～85°,主矿体平均厚度49.65 m。矿山设计开采规模500万t/a,开采矿种为镜铁矿,平均品位34.08%,普氏硬度系数f=15～16。矿体底板为白云大理岩,f=8～10;矿体顶板为黑云片麻岩,f=8～10。矿区地表为厚大第四系,分布着村庄、农田及道路,不允许塌陷。

1.2 采矿方法

矿山采用阶段空场嗣后充填采矿法[4-6],采场垂直矿体走向布置,高100 m,宽20 m,长50 m左右。每120 m(6个采场)划分一个盘区,布置矿石溜井和通风天井,盘区内分三步骤开采。

1.3 嗣后充填采场分类

嗣后充填采场分类形式较多,按生产矿量准备程度可将采场分为开拓采场、采准采场和备采采场;按作业内容可将采场分为掘进采场、出矿采场、充填采场。

李楼铁矿按矿房的回采顺序将采场分为一步采采场、二步采采场、三步采采场三个梯次。

其中一步采采场“隔一采一”,二步采采场和三步采采场“隔三采一”。

1.4 嗣后充填采空区分类

为提高矿山生产安全,本次将采场顶部开始暴露起至充填接顶结束期间内的空区,均称为采空区,主要包括在采空区、备充空区和在充空区。其中,在采空区是指正在进行爆破出矿的空区;备充空区是指采场回采结束正在进行空场的清底、充填水平的充填管路敷设、进路的充填挡墙施工等充填准备工作的空区;在充空区是指正在正行充填作业的空区。

1.5 充填工艺

李楼铁矿采用的是全尾砂膏体胶结充填与全尾砂充填相结合的充填工艺[4]。出矿结束后50%的采场(一步采采场)采用全尾砂膏体胶结充填,50%的采场(二、三步采采场)采用全尾砂膏体胶结充填与全尾砂充填相结合的方式充填,充填能力221万m3/a。

1.6 存在的问题

目前,矿山多采用“三级矿量”理论指导矿山生产管理,该理论仅对矿山开拓、采准和备采的矿量进行了指导,对于采场布置、空区及充填管理暂无理论依据。因此,各矿山均存在采场、采空区及充填之间衔接不充分的问题,具体表现如下:

(1)部分一步采采场空区充填不及时,空区存量过多,暴露时间过长,导致部分空区成片冒顶,存在安全隐患。

(2)由于一步开采采场空区充填不及时,导致后续的二、三步采场矿量得不到释放,造成资源和资金积压。

(3)为保证矿山正常生产,采用多布置一步采采场进行回采,加大了当期掘进投入,进一步恶化了资金紧张局面。

(4)造成生产衔接紧张,当一步开采采场与二、三步开采采场上下中段重叠时,无法布设新采场,导致矿山减产。

2 采场布置、采空区及充填运行管理

2.1 采场时空管理

采场的时空管理[7]是指各类采场回采过程的相对空间位置以及回采时间节点管理。其数值关系管理是根据采场的时空关系确定的。

本研究以一个盘区12个采场作为一个管理单元,对采场布置的各类作业、时空关系衔接、采场矿量等关键因素进行采场管理说明。

2.1.1 采场空间关系

空间位置上,一步采采场按“隔一采一”的原则进行布置,即回采的一步采采场为图1中的2#采场、4#采场、6#采场、8#采场、10#采场和 12#采场;二步采采场(矿柱)按“隔三采一”的原则进行布置,即回采的采场为图1中的1#采场、5#采场和9#采场;三步采采场(矿柱)按“隔三采一”的原则进行回采,即回采的采场为图1中的3#采场、7#采场和11#采场。

图1 李楼铁矿采场划分Fig.1 Stope division of Lilou Iron Mine

从图1中可以看出,一步采采场间隔1个采场,两侧为矿体(12#采场一侧为围岩);二步采采场间隔的3个采场,两侧为充填体(1#采场一侧为围岩);三步采采场间隔的3个采场,两侧都是充填体。

2.1.2 采场布置时间关系

空场嗣后充填采矿法主要作业内容按先后顺序分别为采场的采准掘进、凿岩、爆破出矿、空区充填准备、空区充填及充填养护等。

李楼铁矿采场完整的采充作业工艺步骤及时间为:采准掘进3个月,中深孔凿岩3个月,爆破出矿4个月,充填准备(如挡墙、管路敷设等)1个月,充填作业4个月,充填体养护期4个月,共计19个月。

3步采采场回采之间理想的衔接关系为:当上一梯次采场充填体养护结束后,下一梯次采场的爆破出矿刚好展开。即要求下一梯次采场采准和中深孔凿岩在上一梯次采场充填养护结束前6个月开始。

2.1.3 采场数量

根据“三级矿量”理论,结合李楼铁矿生产能力,其采准采场一般为22个,备采采场一般为8个。

在满足“三级矿量”采场个数的基本要求后,根据李楼铁矿生产组织模型,4个采场同时出矿。按照第一组一步采采场开采开始至第一组三步采采场充填结束排列。届时,不同梯次采场作业的数值关系如下。

一步采采场出矿量∶二步采采场出矿量∶三步采采场出矿量=2∶1 ∶1.

一步采空区充填量∶二步采空区充填量∶三步采空区充填量=2∶1 ∶1.

一步采空区存量∶二步采空区存量∶三步采空区存量=2∶1 ∶1.

2.2 李楼铁矿空场嗣后充填管理

随着矿体的的持续开采,矿山会逐渐形成一定体积的采空区,其稳定性主要受空区暴露时间和暴露面积影响,采空区的存在使得矿山的安全生产存在安全隐患。嗣后充填法会在矿山开采过程中对空区进行充填处理,在确保充填时间和质量的前提下,该方法能够有效消除采空区的安全隐患。

2.2.1 采空区允许暴露面积

空区暴露面积主要是根据采场的地质及岩石力学条件研究确定。采场暴露面积一般是指采场顶板的暴露面积;对于采场充填体而言,一般是指充填体侧帮的暴露面积。李楼铁矿主要利用Trueman扩展的Mathews稳定图[8-9]确定采场暴露面积,见图2,通过数值模拟计算和经验类比法进行验证。

图2 Trueman扩展的Mathews稳定图Fig.2 Mathews stable graph extended by Trueman

通过对李楼铁矿岩石力学及研究,李楼铁矿采场暴露面积推荐见表1,其采场跨度为20 m,阶段高度100 m。

表1 采场暴露面积推荐值Table 1 Stope exposure area recommended values

通过数值模拟验算及国内外类似矿山实例,矿山选取的采场暴露面积是科学的,也是安全的。

2.2.2 采空区允许暴露时间

目前,采空区暴露时间计算多基于薄板理论。该理论将采空区顶板简化为弹性薄板,将矿柱简化为损伤的Kelvin-Voigt体,建立采空区顶板—矿柱蠕变损伤力学模型。通过推导采空区顶板扰度的微分方程并进行求解,进而预测采空区顶板的稳定时间[10-13]。

基于薄板理论建立的采空区顶板—矿柱蠕变损伤力学模型的微分方程[10]如下:

式中,D为板的抗弯刚度;ω为板的扰度平均值;∇为拉普拉斯算子;q为均布载荷集度;λ为矿柱面积与顶板面积的比值;E1为黏弹性模量;E2为弹性模量;η1为黏壶的黏滞系数;D(t)为t时刻的损伤变量。

通过对上述微分方程的求解,可得矿体顶板弹性形变和流变损伤的时间T。

李楼铁矿采场参数一般为50 m×20 m×100 m(长×宽×高)。采空区上覆盖层厚度约为400 m,采场顶板为矿体和岩石250 m,矿体的抗压强度52.281 MPa,抗拉强度为0.889 MPa,弹性模量26.607 GPa,泊松比为0.198,矿柱的横截面积之和为顶板面积的50%,矿柱数目为2,高度100 m,矿柱的蠕变参数及损伤演化方程参照相关文献选取[10]。

通过计算,当矿柱为矿体时,采空区总稳定时间为17个月;当矿柱为充填体时,采空区总稳定时间为14个月。根据现场监测,预测时间与采空区出现局部冒落时间基本吻合。

2.2.3 采空区暴露体积

为保证矿山生产安全,矿山采空区最大保有量必须严格控制。结合矿岩稳定特性和采矿方法,对矿山岩石力学进行研究,进而得到矿山采空区的保有量和暴露时间,并将采场的暴露时间和暴露面积作为空区管理的依据。

李楼铁矿一步开采采场空区暴露时间为17个月,二、三步开采采场空区暴露时间为14个月。根据一、二、三步开采采场关系,采空区的存量分配为:一步开采采场∶二步开采采场∶三步开采采场=2∶1∶1;即一步采采场允许暴露17个月的空区体积占允许暴露体积的1/2,其余二、三步开采采场各占空区暴露体积的1/4。则矿山允许暴露的体积为

式中,V空为矿山允许暴露体积,m3;A充为矿山充填能力,m3/a;T1、T2、T3为各步骤回采采场允许暴露时间,a。

李楼铁矿充填能力为221万m3/a,计算得矿山允许最大暴露体积为285.46万m3,其中一步采采场空区体积为156.54万m3,二步采采场空区体积为64.46万m3,三步采采场空区体积为64.46万m3。

2.2.4 充填采场个数

根据各梯次采场暴露体积,结合矿山充填能力,计算得矿山一步采充填采场不大于4个,二步采填采场不大于2个,三步采采场不大于2个。

备充空区的数量与管理水平、技术水平有关。对于李楼铁矿,其采场爆破出矿4个月,充填准备1个月,充填4个月。即单个采场的充填准备速度为出矿采场或充填采场的4倍。据此,各类充填空区的数量关系为:在采空区∶在充空区∶备充空区=4∶4∶1。

3 采场布置、采空区及充填规律

通过综合考虑采场和采空区的管理规律。李楼铁矿各类采场、空区及充填存在以下关系:

(1)从速度上看:在充空区的总量消失速度=备充空区的总量准备速度=在采空区的总量产生速度。

(2)不同梯次采场主要作业量:一步采采场∶二步采采场 ∶三步采采场=2 ∶1∶1。

(3)在采空区+备充空区+在充空区≤允许暴露空区体积。

(4)在充空区个数=在采空区个数。

(5)各类充填空区的数量关系为:备充空区=1/4在充空区=1/4在采空区。

4 现场应用

截止至2021年6月底,李楼铁矿的各项指标见表2～表4。

从表2中可以看出:李楼铁矿“三级矿量”满足我国现行规定,开拓矿量3～5年,采准矿量1～1.5年,备采矿量6～10个月。

表2 三级矿量关系Table 2 Relationship of tertiary ore volume

从表3中可以看出:李楼铁矿不同梯次采场的开采个数、在充个数、出矿量基本满足2∶1∶1的规律。采空区暴露体积为148万 m3,小于计算允许值285.46 万 m3。

表3 各采场数量关系Table 3 Quantity relation of stopes

从表4中可以看出:在采空区、在充空区、备充空区个数满足4∶4∶1的比例关系。

表4 空区数量关系Table 4 Quantitative relationship of mined-out area

李楼铁矿年生产矿山500万t,年充填量221万m3,矿山生产组织衔接科学,采场布置、采区及充填管理安全可靠,能够保证矿山持续生产。

5 结 论

(1)利用Trueman扩展的Mathews稳定图、数值模拟计算以及经验类比法确定了采空区的暴露面积;结合采空区顶板—矿柱蠕变损伤力学模型,通过求解微分方程,预测了李楼铁矿采空区顶板的稳定时间,其中一步采采场空区允许暴露时间为17个月,二步采采场、三步采采场空区允许暴露时间为14个月。

(2)提出了矿山各步骤回采采场的在采个数、在充个数、出矿量应满足 2∶1 ∶1。

(3)结合李楼铁矿,总结了矿山采场出矿与采掘作业之间规律,得到了在采空区、在充空区、备充空区个数应满足4∶4∶1的比例关系。

(4)本研究基于“三级矿量”理论,提出了采场、空区和充填运行的管理规律,补充了采场管理理论,为类似矿山采场管理提供了依据。