任鳳玉,賈海波,何榮興,丁航行

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110004)

0 引 言

我國石膏礦多采用房柱法回采,許多石膏礦由于暴露空氣中的石膏礦柱強(qiáng)度逐漸弱化或大面積開采上覆巖體變形引起采動(dòng)應(yīng)力高度集中等因素,空區(qū)冒落災(zāi)害事故接連發(fā)生。

誘導(dǎo)冒落法是將頂板巖體冒落規(guī)律與無底柱分段崩落法有機(jī)結(jié)合而構(gòu)建的采礦方法,利用礦巖本身所固有的節(jié)理裂隙分布特征和低強(qiáng)度特性,利用下分段的回采或布置誘導(dǎo)工程來擴(kuò)展空區(qū)面積,促使巖體按要求逐漸破壞、失穩(wěn),達(dá)到最終落礦的目的。將誘導(dǎo)冒落法用于開采石膏礦床,消除了礦柱影響,有利于避免采空區(qū)冒落災(zāi)害,但由于礦體頂板中多賦存泥巖廢石,流動(dòng)性強(qiáng)于礦石散體,影響出礦礦石品位。由此導(dǎo)致誘導(dǎo)冒落法開采的礦石損失率與貧化率過大。本文結(jié)合山東蘭陵石膏礦賦存特點(diǎn),利用回歸正交方法,通過物理模擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)化采場底部結(jié)構(gòu),控制礦石貧化損失,提高礦山效益。

1 石膏礦誘導(dǎo)冒落工藝特點(diǎn)

山東蘭陵石膏礦床礦層厚大(10．69~24．90 m)、傾角較緩(總體3°~9°)、品質(zhì)優(yōu)良、儲(chǔ)量豐富。多年來,礦山一直采用房柱法開采,礦柱所占比例大,造成礦石損失大,同時(shí)石膏礦柱經(jīng)風(fēng)化后易失穩(wěn),引起空區(qū)頂板大規(guī)模冒落。

為避免采空區(qū)冒落危害,對(duì)礦層厚度較大的礦體,研究提出采用平底塹溝誘導(dǎo)冒落采礦法。如圖1所示,通過塹溝落礦拉開誘導(dǎo)空間,誘導(dǎo)上部礦體自然冒落,崩落礦石和誘導(dǎo)冒落的礦石隨塹溝崩礦時(shí)回收一部分,其余主要從出礦橫穿回收。塹溝出礦結(jié)束后,自然冒落的頂板圍巖能夠形成足夠厚度的覆蓋層,再回收塹溝之間脊部殘留礦量。

圖1 平底塹溝聯(lián)合誘導(dǎo)冒落法

蘭陵石膏礦的礦層頂板中含多層泥質(zhì)軟巖,極易冒落成碎粉,鉆入礦石堆中。冒落廢石的塊度小于礦石的塊度,粒徑較小的廢石在大放礦過程中超前運(yùn)動(dòng),將引起較大貧化率。因此,應(yīng)用誘導(dǎo)冒落法開采時(shí),需要重點(diǎn)控制礦石貧化率,提高回收率。

2 低貧損結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

為了控制放礦過程中的礦石貧化,提高回收率,結(jié)合礦體賦存條件,采用放礦模擬實(shí)驗(yàn),模擬采場實(shí)際的放礦過程,尋求最優(yōu)采場底部結(jié)構(gòu)。

2．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)驗(yàn)采用回歸正交方法分析采場底部結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)礦石回收率的影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括礦石散體厚度、塹溝巷道間距和出礦巷道間距,設(shè)計(jì)三因素兩水平正交實(shí)驗(yàn),在放出礦石品位達(dá)到80%~85%時(shí)截止,利用出礦巷道放出礦石量的多少計(jì)算礦石回收率。

2．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

根據(jù)采場結(jié)構(gòu),按照1∶100的相似比,用有機(jī)透明玻璃和方木制作放礦物理模型。采用礦山7號(hào)井田石膏礦石和泥巖廢石,礦石散體篩選塊度不大于8 mm的顆粒。上部泥巖廢石噴涂白色涂料形成顏色對(duì)比,試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D2。

2．3 回歸正交設(shè)計(jì)及計(jì)算

礦體厚為10．69~24．90 m,選取礦石散體厚度為15,30 m。根據(jù)前面分析,塹溝間距值應(yīng)在10~18 m之間,塹溝間距為10,18 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),出礦橫穿間距選擇8,12 m。用X1代表礦石散體厚度,X2代表塹溝巷道間距,X3代表出礦橫穿間距,對(duì)各因素進(jìn)行編碼見表1。

根據(jù)因素?cái)?shù)量,選用正交表L8(27),編碼轉(zhuǎn)換,將Z1、Z2、Z3分別安排在第1,2,4列,考慮礦體厚度與塹溝間距交互項(xiàng)、塹溝間距與出礦穿間距交互項(xiàng)。安排3組零水平實(shí)驗(yàn),總實(shí)驗(yàn)次數(shù)為11。實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果計(jì)算見表2。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 因素水平編碼

表2 回歸正交設(shè)計(jì)計(jì)算

續(xù)表2

由表2可知,回歸系數(shù)b0＝0．311,b1＝0．085,b2＝ -0．026,b12＝0．037,b3＝ -0．021,b23＝0．00375,對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),方差分析結(jié)果見表3。

表3 方程分析

去掉不顯著項(xiàng),回歸方程為:

系數(shù)的絕對(duì)值大小可判斷因素作用的大小,因素作用大小排序?yàn)閆1＞Z1Z2＞Z2＞Z3。即影響大小排序?yàn)榈V石散體厚度＞塹溝巷道間距＞出礦穿巷道間距。

整理得:

由式(3)可以看出,各因素在考慮范圍內(nèi),礦床回收率隨礦石散體厚度的增大而增大,隨出礦穿間距增大而減小。當(dāng)?shù)V石厚度大于20 m時(shí),礦床回收率隨塹溝間距增大而增大,當(dāng)?shù)V石厚度小于20 m時(shí),礦床回收率隨塹溝間距增大而減小。

綜上,蘭陵石膏礦層宜采用單中段回采。當(dāng)?shù)V石厚度大于20 m時(shí),塹溝間距在10~18 m之間取18 m;當(dāng)?shù)V石厚度小于20 m時(shí),塹溝間距取10 m。出礦穿間距在8~12 m之間取8 m。

3 結(jié) 論

厚層石膏礦中引入誘導(dǎo)冒落采礦法,消除了房柱法中礦柱的影響,有利于避免采空區(qū)冒落災(zāi)害。本文利用回歸正交方法,通過物理模擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)化采場底部結(jié)構(gòu)參數(shù),控制放礦過程中礦石貧化損失,利于誘導(dǎo)冒落法在厚層礦體中的推廣。

采用物理模擬實(shí)驗(yàn)研究采場底部結(jié)構(gòu),能夠比較直觀地分析礦石散體厚度、塹溝巷道間距和出礦橫穿間距對(duì)礦石回收率的影響,根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)回歸得到的回收率方程,各因素對(duì)回收率大小影響的主次順序?yàn)榈V石散體厚度＞塹溝巷道間距＞出礦穿巷道間距。

對(duì)蘭陵石膏礦床,礦床回收率隨礦石散體厚度的增大而增大,隨出礦穿間距增大而減小。礦床宜采用單中段回采。礦石厚度大于20 m時(shí),回收率隨塹溝間距增大而增大,塹溝間距宜取18 m;礦石厚度小于20 m時(shí),回收率隨塹溝間距增大而減小,塹溝間距宜取10 m。出礦穿間距宜取8 m。