劉曉軍

[摘 要]近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加，礦產(chǎn)資源變得越來(lái)越少，如何高效合理、經(jīng)濟(jì)安全的開(kāi)采與利用礦產(chǎn)資源，已成為礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)者當(dāng)前所迫切需要解決的問(wèn)題。上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法以其低貧化率、高回收率等優(yōu)點(diǎn)在礦產(chǎn)資源的開(kāi)采中的得到了很好的應(yīng)用并取得了突破性的進(jìn)展，尤其是資源價(jià)值較高、開(kāi)采難度較大的礦床。本文主要介紹了礦山有關(guān)內(nèi)容，尾砂膠結(jié)充填采礦法的沉積特征，以及上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的策略。

[關(guān)鍵詞]上向進(jìn)路式；尾砂膠結(jié)充填采礦法；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TD862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）06-0040-01

前言：在礦山資源開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置是否合理直接關(guān)系到礦產(chǎn)資源生產(chǎn)效率的高低和質(zhì)量的好壞。傳統(tǒng)確定采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法不僅會(huì)消耗大量的礦產(chǎn)資源，而且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種回采方案中的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而制約了參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，礦產(chǎn)資源正在不斷的減少，如果不盡快采取有效的拯救措施勢(shì)必會(huì)造成礦產(chǎn)資源的枯竭，進(jìn)而對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和人類正常生活產(chǎn)生極大的影響。實(shí)踐表明，上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法在菜場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面發(fā)揮著重要的作用。

1 礦山相關(guān)內(nèi)容概述

1.1礦山地質(zhì)

某銅礦分為南、北兩大礦帶，是一種大型的銅硫礦。南礦帶是一座銅礦山，礦石蘊(yùn)藏量豐富，距地表較淺，礦石以黃銅礦為主，品位較高，其硫含量高達(dá)30%左右，易自燃，礦石回采難度極大。該銅礦試驗(yàn)采場(chǎng)位于石炭系中統(tǒng)黃龍階灰?guī)r與泥盆系上統(tǒng)五通組砂巖的層間破碎帶中，傾角為58°到67°之間，局部地段坡度達(dá)72°到84°之間，礦體呈似層狀順序產(chǎn)出[1]。

該銅礦礦石深部為含銅碳酸巖和含銅矽卡巖，淺部為含銅高芩土和含銅黃鐵礦。礦石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造種類繁多、形狀各異，例如結(jié)構(gòu)有共邊結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、晶狀結(jié)構(gòu)、溶蝕結(jié)構(gòu)等，構(gòu)造有脈狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造等。銅礦頂部主要以大理巖和白云巖為主，局部區(qū)域還有花崗閃長(zhǎng)巖、高芩土等；底部多為含礫石英砂巖，同時(shí)還含有較多的花崗閃長(zhǎng)巖。礦體附近存在的淺部火成巖由于遭受了強(qiáng)烈的風(fēng)化，現(xiàn)已變成不良的礦石地質(zhì)土體。

1.2充填工藝

為合理開(kāi)發(fā)礦山資源、節(jié)約生產(chǎn)成本，該銅礦現(xiàn)已在試驗(yàn)采場(chǎng)采用上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)。在實(shí)施充填工藝時(shí)，該礦選擇尾砂作為骨料，水泥作為膠結(jié)劑，共同作為充填材料。其中對(duì)于所用尾砂要求大于74微米的砂礫比例應(yīng)為66%左右，大于36微米的尾砂比例應(yīng)為92%左右。同時(shí)，尾砂濃度要保證在51%到56%之間，通過(guò)礦山附近的泵站，經(jīng)由長(zhǎng)度為13km的管道泵送至充填材料制備砂倉(cāng)中，從而完成充填材料的制備。水泥使用的是普通的硅酸鹽散裝水泥，利用專用水泥運(yùn)輸車將其運(yùn)送至膠結(jié)劑制備場(chǎng)地，然后再通過(guò)壓氣運(yùn)輸?shù)剿鄡?chǔ)備艙內(nèi)等待使用[2]。

該礦山充填材料制備倉(cāng)具有兩個(gè)獨(dú)立的制漿系統(tǒng)， 每個(gè)制漿系統(tǒng)的制漿能力為65到100m3/h，且均具備一個(gè)水泥倉(cāng)、一個(gè)砂倉(cāng)、一個(gè)攪拌罐以及一些其他必須的機(jī)械設(shè)備和控制儀表等。砂倉(cāng)底部安裝有兩套放砂虹吸放砂裝置。在正常礦產(chǎn)資源生產(chǎn)過(guò)程中，其中一個(gè)系統(tǒng)正常工作，一個(gè)系統(tǒng)作為備用，如果有需要可以讓兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。充填材料制備倉(cāng)將制備好的濃度高于66%的充填砂漿通過(guò)相應(yīng)的鉆孔和水平鐵管自然流入到下盤(pán)中，然后再將其輸送到增強(qiáng)塑料管內(nèi)，最終運(yùn)送到采場(chǎng)的待充上向進(jìn)路內(nèi)。

2 尾砂膠結(jié)充填材料的沉積特征

在使用上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法時(shí)，充填體的強(qiáng)度與水泥含量、尾砂顆粒等級(jí)等有著直接的關(guān)系。進(jìn)路充填有溢流和不溢流兩種狀態(tài)，尾砂膠結(jié)在高度方向與走向上均有沉積流動(dòng)現(xiàn)象。因此，要想得到強(qiáng)度較高的充填體就需要對(duì)充填材料及其料將在上向進(jìn)路中的沉積情況進(jìn)行分析和了解。

充填材料正常呈層狀沉積，且成層處具有由充填料漿離析所引起的明顯可見(jiàn)的、較粗的砂礫。隨著上向流速的逐漸增加，層狀沉積逐漸變得模糊，而沉積層狀的消失正意味著充填體的更為均質(zhì)。根據(jù)對(duì)充填過(guò)程中層狀沉積條紋與粗砂堆積角的測(cè)定結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在充填料點(diǎn)在初始位置時(shí)，高低濃度的堆積角基本相同，當(dāng)達(dá)到中間充填料位置時(shí)，高低濃度粗砂的堆積角則存在較大的差異，隨著堆積角的逐漸變大，高濃度的粗砂堆積角幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，而低濃度的粗砂堆積角卻有了明顯的增大。濃度較高，充填料的沉降值越小，從而充填料的接頂效果就越好[3]。

3 上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化策略

3.1基本條件假設(shè)

一般礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和節(jié)理分布都較為復(fù)雜，尤其是位于地下的礦山。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和參數(shù)確定除了受地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜影響之外，還受許多其他因素影響。因此，為了保證所建模型檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，為了實(shí)現(xiàn)上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的真正優(yōu)化，在模型的建立過(guò)程中需要作一些基本的假設(shè)。

第一，由于充填材料具有沉降性特點(diǎn)，使得充填物體通常難以與礦山頂端銜接，因而在模型建立過(guò)程中需將其忽略。

第二，假設(shè)礦巖、圍巖等的各項(xiàng)組成是同類型的均質(zhì)材料，且為理性的彈塑性巖體。

第三，在計(jì)算過(guò)程中忽略由礦石構(gòu)造應(yīng)力等對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成的影響，僅考慮重力和地應(yīng)力的作用。

3.2建立三維模型

三維模型的建立需要遵守一定的原則，包括模擬采空區(qū)高度應(yīng)為礦石回采過(guò)程中的最大采空區(qū)高度，通常為3m左右；礦山開(kāi)采后，采場(chǎng)周圍應(yīng)力發(fā)生變化，一般影響程度在采空區(qū)的3到5倍之間，此時(shí)為保證模型的準(zhǔn)確性，取采空區(qū)的4倍；礦山深部地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，需要對(duì)其礦體回采深度、回采過(guò)程、開(kāi)采形狀和采空區(qū)狀態(tài)等進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化；由于實(shí)際礦產(chǎn)回采過(guò)程中的上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采用的是不同的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，所以在建立三維模型時(shí)，也應(yīng)采用不同方式的采場(chǎng)長(zhǎng)度和跨度組合[4]。

上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法主要考察的是礦體頂部與人工膠結(jié)礦柱體的穩(wěn)定性情況，在實(shí)際使用中必須要能夠保證礦體頂部和人工膠結(jié)礦柱體是處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)下。模型建立在全部礦房進(jìn)行第一步回采和開(kāi)采，在第一步礦房回采尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)，讓全部礦房同時(shí)進(jìn)行回采，然后根據(jù)不同的采場(chǎng)長(zhǎng)度、跨度建立4種三維模型。在將各種充填材料的屬性輸入到四個(gè)模型當(dāng)中的同時(shí)，對(duì)實(shí)體的局部尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)采用科學(xué)的分析方法和計(jì)算工具對(duì)這四種模型進(jìn)行數(shù)值分析與評(píng)估，選出其中最優(yōu)的模型，用于優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)。

總結(jié)：通過(guò)文章對(duì)某銅礦礦山地質(zhì)、充填工藝與上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法應(yīng)用情況的分析可知，上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法不僅顯著提高了礦產(chǎn)資源生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，而且有效降低了生產(chǎn)成本，改善了該礦山原有采場(chǎng)結(jié)構(gòu)中存在的不足。根據(jù)我國(guó)當(dāng)前多數(shù)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)情況和其中存在的問(wèn)題，文章提出了上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的具體策略，旨在促進(jìn)上向進(jìn)路式尾砂膠結(jié)充填采礦法可以得到進(jìn)一步的完善，可以發(fā)揮更大化的效用。

參考文獻(xiàn)

[1]王東華. 上向分層全尾砂膠結(jié)充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[2]李海港. 下向分級(jí)尾砂膠結(jié)充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)與數(shù)值模擬[D].江西理工大學(xué)，2007.

[3]秦艷華. 大斷面進(jìn)路下尾砂膠結(jié)充填體穩(wěn)定性機(jī)理與試驗(yàn)研究[D].江西理工大學(xué)，2008.

[4]廖亮. 下向膠結(jié)充填采礦法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性研究[D].江西理工大學(xué)，2011.