韓鵬舉,馬 飛

(富蘊(yùn)蒙庫鐵礦有限責(zé)任公司)

1 引言

無底柱分段崩落法作為一種回采效率較高、機(jī)械化程度高且安全性較好的地下礦開采方法,被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的各大地下礦山[1-2],隨著我國地下礦山數(shù)量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大,無底柱分段崩落法因其具備的諸多優(yōu)點(diǎn)必將進(jìn)一步得到大范圍應(yīng)用。但其依然存在一些不足之處,其中較大的問題就是礦石的損失貧化較大。 在無底柱分段崩落法中采礦作業(yè)需要在一定的覆蓋層巖石下進(jìn)行,其中覆蓋層的主要作用是保護(hù)地下采礦作業(yè),控制采場上部的落石以及采場中的地壓,但覆蓋層也含有大量的礦石[3-4]。 但對于這部分礦石,礦山通常沒有具體的回收計(jì)劃和方案,由此造成了大量的礦石損失。且隨著已開采資源的大量消耗,剩余礦產(chǎn)資源的價(jià)值必上升,因此如何安全高效的回收覆蓋層礦石,降低礦石的損失率、提高經(jīng)濟(jì)效益成為目前礦山企業(yè)關(guān)注的重要問題。

近年來針對無底柱分段崩落法覆蓋層礦石的回收的研究取得了一定的成果。 喬登攀等[5]分析了含礦覆蓋層形成的原因,考慮覆蓋層礦石對供礦品位的影響,提出了多分段多步距的順帶回收方法,實(shí)現(xiàn)了覆蓋層礦石的回收。 李林生[6]從探討了符山鐵礦覆蓋層松散體中的鐵礦石的合理開采邊界品位,并通過具體采場實(shí)踐獲得了針對覆蓋層的采礦和選礦經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。 何佳峰[7]和雷剛[8]等根據(jù)實(shí)際礦山開采情況分別構(gòu)建了針對覆蓋層礦石的相似模擬回收實(shí)驗(yàn),通過對比不同回收方案的回收率、貧化率等指標(biāo)挑選了最佳的覆蓋層礦石回收方案。

張海磊等[9]通過室內(nèi)模擬放礦試驗(yàn)確定了含礦覆蓋層的回收參數(shù),并以此參數(shù)作為參考制定了現(xiàn)場試驗(yàn)的回收方案。 以上研究都針對具體礦山生產(chǎn)情況,并結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)得到了覆蓋層回收方案的參數(shù),并在實(shí)際運(yùn)用中都取得了較好的結(jié)果。

針對礦山對覆蓋層礦石回收的要求,本文結(jié)合蒙庫鐵礦的實(shí)際開采情況,研究下沉或者抬高的平底式和塹溝式底部結(jié)構(gòu)與無底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的結(jié)合,根據(jù)現(xiàn)場鑿巖、鏟運(yùn)設(shè)備外性尺寸,鏟運(yùn)出礦方式等確定合理的、適用的出礦底部結(jié)構(gòu)。 實(shí)現(xiàn)在不同采準(zhǔn)巷道和不同區(qū)域采礦工藝中應(yīng)用礦石回收方法,同時(shí)為類似礦山覆蓋層回收提供可借鑒的思路和經(jīng)驗(yàn)。

2 覆蓋層作用原理及含礦成因

2.1 覆蓋層作用

根據(jù)我國《金屬非金屬礦山安全規(guī)程(GB16423)》規(guī)定:回采工作面的上方,應(yīng)有大于分段高度的覆蓋巖層,以保證回采工作的安全;若上盤不能自行冒落或冒落的巖石量達(dá)不到所規(guī)定的厚度,必須及時(shí)強(qiáng)制放頂,使覆蓋巖層厚度達(dá)到分段高度的二倍左右。 為保證出礦能安全有效的進(jìn)行,無底柱分段崩落法要求崩落礦石在覆蓋巖層下進(jìn)行出礦,因此在礦石上部形成覆蓋層,如圖1 所示。 對于使用無底柱分段崩落法的礦山,覆蓋層的形成對于礦山的地壓控制、減少冒落、減緩雨水和地下水滲入等都有很大的作用。

圖1 無底柱分段崩落法覆蓋層示意圖

(1)形成擠壓爆破條件。 在礦體爆破過程中,覆蓋層的存在能起到擠壓限制的作用,使分段礦石不至于崩落到空區(qū)而無法放出,可以改善礦石的回收率和貧化率。 同時(shí)覆蓋層還能控制爆破對圍巖和頂板的沖擊,起到緩沖作用。

(2)釋放采場地壓。 隨著采場礦石的不斷崩落,無底柱分段崩落法的采空區(qū)也會(huì)不斷擴(kuò)大,這就導(dǎo)致采空區(qū)頂板暴露面積不斷增大。 地壓增強(qiáng)可能導(dǎo)致圍巖發(fā)生大量崩落,大量落石的沖擊將嚴(yán)重影響出礦作業(yè)安全,而覆蓋巖層的存在能夠?qū)β涫鸬骄彌_的作用,消耗落石的沖擊能量,釋放采場地壓,保證采場作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

(3)減緩雨水和地下水的滲入。 足夠厚度的覆蓋巖層在礦石和地表之間形成了隔離帶,且能夠減緩地表雨水以及地下水的滲入速度,同時(shí)也能吸收一部分雨水和地下水,從而減輕地下排水的壓力。

(4)保溫防凍。 位于高寒地區(qū)或者處于寒冷季節(jié)的礦山,覆蓋巖層還可以作為地下采場與地面的保溫帶,隔絕地表寒風(fēng)與冷空氣。 起到了保持地下采場溫度的作用,延緩礦石因低溫而凝結(jié),防止礦石結(jié)塊而無法順利出礦。

2.2 覆蓋層含礦成因

(1)無底柱分段崩落法開采,其本質(zhì)特點(diǎn)就是覆巖下放礦,其要求在開采過程中在采場上部預(yù)留一定厚度的覆蓋巖層,而通常預(yù)留的這部分覆蓋層中本就含有大量礦石。

(2)在無底柱分段崩落法開采的過程中,受到生產(chǎn)中爆破的影響,一部分礦石會(huì)被沖擊和擠壓進(jìn)入覆蓋巖層,而頻繁的爆破作業(yè)導(dǎo)致礦石混入覆蓋層的數(shù)量和深度都會(huì)增加,最終這部分礦石也成為覆蓋層的一部分。

(3)隨著多分段的不斷放礦,由于礦石下流速度不一致,無底柱崩落法中各放礦步距會(huì)存在放礦殘留體,這部分殘留礦石也會(huì)混入覆蓋巖層,最終形成的覆蓋層中會(huì)含有大量的礦石。

但大多數(shù)礦山企業(yè)由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因?qū)τ谶@部分的礦石并沒有制定回收計(jì)劃,而是將含礦覆蓋層丟棄不再回收。 這就造成了大量的礦石損失,影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益,因此研究如何回收無底柱分段崩落法礦山覆蓋層礦石是非常有意義的。

3 礦石回收結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

3.1 工程概況

蒙庫鐵礦圍巖主要為角閃變粒巖,僅在礦體西端見少量條帶狀角閃變粒巖。 其他礦體圍巖主要為條帶狀角閃變粒巖、角閃變粒巖、黑云角閃片麻巖,圍巖與礦體呈整合接觸關(guān)系。 圍巖沿走向和傾向具相變特征,圍巖中有磁鐵礦化現(xiàn)象,蝕變以碳酸鹽化、絹云母化、鈉長石化、綠泥石化為主。 礦床礦石礦物成份復(fù)雜,種類繁多。 主要以磁鐵礦礦石為主,礦體內(nèi)夾石主要分布在 1 號礦體中。 夾石呈不規(guī)則脈狀、細(xì)脈狀、條帶狀、透鏡狀分布,夾石的組成主要是角閃變粒巖,少量黑云角閃斜長片麻巖、磁鐵石榴石巖、磁鐵變粒巖。 普氏系數(shù)礦石 f=16 ～18, 巖石 f=8～12。 目前開采的 1070-938 中段礦體分布于 119 ～134 線之間,埋藏標(biāo)高 1212. 5 ～863m。 總體走向約 300°左右,傾向 NE,傾角 75°～89°。 地 表 長 763m, 厚 度 最 大 35. 53m, 最 小2.89m,平均 12.99m,厚度分布頻率以 5 ～10 m 居多。 地表礦體形態(tài)呈似層狀、扁平透鏡狀。 沿走向有膨大收縮、分枝尖滅變化特征。 呈舒緩波狀展布,中部(126～128 線)及東端(131～132 線)略有膨大。 其余各段均為厚度小的脈狀。 礦體東端在 133線呈分枝狀尖滅。 屬于掛幫礦體開采,大多巷道沿走向布置,采用無底柱分段崩落法。

蒙庫鐵礦井下礦采用無底柱分段崩落法,此方法實(shí)施過程中,受采礦工藝要求,回采時(shí)上部必須預(yù)留約30 米礦石作為覆蓋層,以滿足井下礦體開采過程中防突水、防泥石流、防凍、防漏風(fēng)、防沖擊地壓、形成擠壓爆破和端部放礦條件等要求。 目前,井下礦1022 西沿脈、1006 東三沿脈、1006 東部進(jìn)路、989～972m 水平西沿脈礦體尖滅后,下部無采準(zhǔn)巷道布置,上部留有大量礦石覆蓋層。 剩余礦石約49.11 萬噸,無法通過無底柱分段崩落法出礦回收。

為回收礦體尖滅后,下部無采礦工程布置區(qū)域的礦石覆蓋層,提高礦石回收率,降低礦石損失,減少礦石資源浪費(fèi),探索崩落法開采的井下礦覆蓋層礦石回收方法。 通過研究下沉或者抬高的平底式和塹溝式底部結(jié)構(gòu)與無底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的結(jié)合,根據(jù)現(xiàn)場鑿巖、鏟運(yùn)設(shè)備外性尺寸,鏟運(yùn)出礦方式等確定合理的、適用的出礦底部結(jié)構(gòu),盡可能回收覆蓋層礦石。 在不同采準(zhǔn)巷道和不同區(qū)域采礦工藝中應(yīng)用礦石回收方法,緩解礦山生產(chǎn)壓力,實(shí)現(xiàn)資源的充分回收和利用,同時(shí)為同類礦山提供借鑒和參考。

3.1 底部結(jié)構(gòu)選擇

底部結(jié)構(gòu)類型為有軌設(shè)備裝礦底部結(jié)構(gòu)。 底部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為運(yùn)搬設(shè)備為鏟運(yùn)機(jī),二次破碎位置在裝礦巷道中進(jìn)行;采用平底式和塹溝式兩種。 在本分層施工,平底式底部結(jié)構(gòu)見圖2;在下分層施工,塹溝式底部結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 平底式底部出礦結(jié)構(gòu)

圖3 塹溝式底部出礦結(jié)構(gòu)

3.2 技術(shù)要求

礦巖穩(wěn)定性較好的礦山通常采用鏟運(yùn)機(jī)出礦,是提升采場開采強(qiáng)度和勞動(dòng)生產(chǎn)率常用出礦設(shè)備,適用于絕大部分采礦方法的各類礦山。 而出礦結(jié)構(gòu)是各類礦山設(shè)計(jì)中普遍存在的重要組成部分。采場底部結(jié)構(gòu)中的出礦結(jié)構(gòu)是由集礦塹溝、出礦巷道、裝礦進(jìn)路、運(yùn)輸平巷、出礦溜井等組成。

集礦塹溝為連接裝礦進(jìn)路和上部采場的受礦結(jié)構(gòu),且平行于出礦巷道。 集礦塹溝在采場中的條數(shù)根據(jù)采場寬度確定,當(dāng)采場寬度小于20m 時(shí),采用單塹溝;當(dāng)采場寬度大于20m 時(shí),采用雙塹溝。集礦塹溝的斜面傾角一般采用45°～55°[10]。

出礦巷道為平行于集礦塹溝與裝礦進(jìn)路連接的巷道。 當(dāng)采場垂直礦體走向布置時(shí),該巷道為穿脈巷道,且位于間柱中。 當(dāng)采場沿礦體走向布置時(shí),該巷道沿礦體走向布置于礦體下盤或上盤圍巖中。 裝礦進(jìn)路是連接出礦巷道與集礦塹溝的巷道。該巷道的布置與采場尺寸、鏟運(yùn)機(jī)的外型尺寸,礦巖的穩(wěn)固程度和運(yùn)輸巷道的布置有關(guān)。 裝礦進(jìn)路與出礦巷道的連接,可斜交,交角一般為45°～50°左右[10]。 裝礦進(jìn)路間距一般為10 ～15m。 問距過小,不能保證出礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;間距過大,進(jìn)路間難于裝運(yùn)出的三角礦堆損失過大。 因此,裝礦進(jìn)路支護(hù)后可以采場底部總暴露面積不超過采場水平面積的40%為參考。 鏟運(yùn)機(jī)在直線位置上鏟裝效率高,機(jī)械磨損小。 因此,該巷道長度一般不小于設(shè)備長度與礦堆占用長度之和。

裝礦進(jìn)路布置形式與采場寬度有關(guān),當(dāng)采場寬度小于12m 時(shí),采用單塹溝單側(cè)裝礦進(jìn)路的布置形式;當(dāng)采場寬度為12～20m 時(shí),采用單塹溝雙側(cè)裝礦進(jìn)路的布置形式,一般兩側(cè)進(jìn)路錯(cuò)開布置;當(dāng)采場寬度大于20m 時(shí),采用雙塹溝雙側(cè)裝礦進(jìn)路的布置形式,兩側(cè)進(jìn)路可對稱布置,亦可錯(cuò)開布置[10]。

運(yùn)輸平巷為與出礦巷道連接的巷道。 當(dāng)采場垂直礦體走向布置時(shí),該巷道沿礦體走向布置于上、下盤圍巖或礦體中;當(dāng)采場沿礦體走向布置時(shí),該巷道與出礦巷道合而為一。

4 工程實(shí)踐

蒙庫井下礦1022m 水平224 沿脈礦體形態(tài)呈似層狀、不規(guī)則脈狀及平行側(cè)列的細(xì)脈狀,傾向NE,厚度6～7m,礦石 f=12～18,分段高 17m。 根據(jù)本采礦方法及上下分層關(guān)系,礦體尖滅,為最后一回采分層,下部無采準(zhǔn)工程,回采崩礦量為2.3 萬噸,正常回采鏟出礦石量為6750 噸;剩余覆蓋層礦石約為1.6 萬噸。 1022m 水平東3 沿脈,礦體形態(tài)礦體形態(tài)呈似層狀、不規(guī)則脈狀及平行側(cè)列的細(xì)脈狀,傾向NE,厚度8～10m,分段高16～17m,根據(jù)本采礦方法及上下分層關(guān)系,上部有3 個(gè)分層,剩余覆蓋層礦石約3.5 萬噸。 989m 水平東采區(qū),礦體賦存形態(tài)以層狀為主,東西總長度337m,向西在138 線逐漸殲滅,礦體走向近東西向,傾向NE,傾角75°～80°,礦體連續(xù)性好,上部有5 個(gè)分層,剩余剩余覆蓋層礦石約14.51 萬噸。

底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:1022m 水平224 沿脈施工3 條下沉平底式底部結(jié)構(gòu),與脈外運(yùn)輸巷道垂直布置,間距為10m;東3 沿脈施工4 條下沉平底式底部結(jié)構(gòu),與脈外運(yùn)輸巷道斜交布置,間距為8m。 均采用圖2 平底式底部出礦結(jié)構(gòu)。 989m 水平東采區(qū),施工4 條進(jìn)路,其中2 條布置塹溝式底部出礦結(jié)構(gòu),與出礦進(jìn)路斜交布置,間距為10m。 采用圖3 塹溝式底部出礦結(jié)構(gòu)。

5 實(shí)施效果

在實(shí)施了覆蓋層礦石回收方案之后,礦山取得了明顯的效益。 1022m 水平224 沿脈覆蓋層礦石回收量為0.67 萬噸,回收率為41.6%。 東3 沿脈覆蓋層礦石回收量為1. 81 萬噸,回收率為51. 2%。989m 水平回收覆蓋層礦石回收量為0.5 萬噸,且目前還在持續(xù)回收中,回收過程無異常。 按照現(xiàn)有成本分析,截至目前降低成本約240 萬元,預(yù)計(jì)降低成本581 萬元,創(chuàng)收經(jīng)濟(jì)效益9799 萬元。

6 結(jié)論

蒙庫鐵礦開采過程中的工程實(shí)際對于覆蓋層礦石回收提出了更高的要求,本文研究了下沉或者抬高的平底式和塹溝式底部結(jié)構(gòu)與無底柱分段崩落法巷道工程的布置形式的結(jié)合,并根據(jù)現(xiàn)場鑿巖、鏟運(yùn)設(shè)備外性尺寸,鏟運(yùn)出礦方式等確定合理的、適用的出礦底部結(jié)構(gòu),并在此底部結(jié)構(gòu)下回收上部覆蓋巖層中的礦石。

蒙庫鐵礦的應(yīng)用表明,通過覆蓋層礦石回收技術(shù)可以將礦石回收率提升到41%～51%,按照現(xiàn)有成本分析,截至目前降低成本約240 萬元,預(yù)計(jì)降低成本581 萬元,創(chuàng)收經(jīng)濟(jì)效益9799 萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著提升。

實(shí)踐證實(shí),當(dāng)?shù)V體尖滅后,通過上部預(yù)留覆蓋層的回收,為降低礦石覆蓋層傳統(tǒng)的永久損失提供了保障。 提高了礦石回收率,減少礦石資源浪費(fèi),緩解了礦山生產(chǎn)壓力,同時(shí)為類似礦山資源的回收提供可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。