張愛(ài)民,劉育明,王曉謀,張少杰,劉 超(.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 00038;.本溪龍新礦業(yè)有限公司,遼寧 本溪 7000)

1 前言

隨著我國(guó)淺部礦產(chǎn)資源日益減少以及采掘設(shè)備的大型化,礦產(chǎn)資源的開(kāi)采逐漸向深部和大規(guī)模兩個(gè)方向發(fā)展[1-3],與此同時(shí),井下開(kāi)采將面臨著深井高地應(yīng)力的問(wèn)題,探索高應(yīng)力環(huán)境下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)是大規(guī)模高效開(kāi)采的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)大多數(shù)深井礦山均采用的是條狀采場(chǎng)布置的大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?如冬瓜山銅礦、安慶銅礦、草樓鐵礦等,其采場(chǎng)寬度一般為18～25 m,長(zhǎng)度為60～80 m。但通過(guò)對(duì)澳大利亞、加拿大、芬蘭和瑞典等礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家礦山采礦方法生產(chǎn)實(shí)踐可知,不少深井礦山將條狀采場(chǎng)優(yōu)化為塊狀采場(chǎng),以此來(lái)進(jìn)行地壓控制。如澳大利亞Mount Isa銅礦采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?根據(jù)礦體厚度不同劃分為棋盤式布置和后退式回采,選擇的采場(chǎng)尺寸為(30～40 m)×(30～40 m)×60 m(長(zhǎng)×寬×高),采場(chǎng)回采順序?yàn)楹笸耸交夭蒣4];加拿大Kidd Creek銅鋅礦采用深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?采場(chǎng)長(zhǎng)15～20 m,寬20 m,高為30～40 m;芬蘭 Kemi鉻鐵礦采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?采場(chǎng)長(zhǎng)20 m,寬12～20 m,高度25 m。

本文將以本溪思山嶺鐵礦為研究對(duì)象,開(kāi)展大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú蓤?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究,對(duì)傳統(tǒng)條狀采場(chǎng)和塊狀采場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,探索確定適合深井厚大礦體大規(guī)模開(kāi)采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式。

2 開(kāi)采技術(shù)條件

思山嶺鐵礦位于遼寧本溪東南郊16 km,礦體屬隱伏盲礦床,蓋層厚度404～1 445 m,礦體埋藏深度404～1 934 m,賦礦標(biāo)高-134～-1 713 m。礦床賦存于太古界鞍山群茨溝組第三含鐵巖段中,受“向斜”褶皺構(gòu)造控制明顯,礦床規(guī)模為大型。礦區(qū)共圈定工業(yè)礦體5個(gè),由上而下依次編號(hào)為Ⅰ～Ⅴ號(hào)礦體。其中,赤鐵礦體3個(gè),磁鐵礦體2個(gè)。Ⅳ號(hào)磁鐵礦體為主礦體,占總資源/儲(chǔ)量的72.65%。

區(qū)內(nèi)巖性較簡(jiǎn)單,巖石較完整,礦體多呈層狀,埋藏深度456～2 000 m,位于侵蝕基準(zhǔn)面以下。礦床充水來(lái)源是弱富水性的基巖裂隙水;礦床頂板基巖風(fēng)化帶裂隙水是礦床間接充水含水層,對(duì)礦床充水影響較小;地表水三道河、后塔溝與礦床不發(fā)生直接水力聯(lián)系,對(duì)礦床充水影響較小;礦床內(nèi)的構(gòu)造破碎帶富水性、透水性均較差,對(duì)礦床充水影響不大。

礦區(qū)揭露的主要地層為泥灰?guī)r、石英巖、綠泥石英片巖、閃長(zhǎng)玢巖、綠泥石英片巖、磁鐵石英巖,赤鐵石英巖,近地表風(fēng)化作用強(qiáng)烈,局部到120～200 m為微風(fēng)化,下部的巖石完整而堅(jiān)硬,巖石質(zhì)量為好的至極好的,巖體較完整到完整。

3 大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

3.1 條形采場(chǎng)布置結(jié)構(gòu)

將礦體劃分為盤區(qū),以盤區(qū)為回采單元組織生產(chǎn)。盤區(qū)尺寸為200 m×230 m,在盤區(qū)中部垂直走向留20 m寬的間柱,其中布置穿脈巷道,在盤區(qū)端部垂直走向留10 m間柱,其中布置回風(fēng)穿脈,間柱盡量布置在夾石或者赤鐵礦中。

根據(jù)礦體整體開(kāi)采順序和大規(guī)模開(kāi)采的情況,為了保持采礦區(qū)域的整體穩(wěn)定性和考慮采礦工程布置的需要,盤區(qū)之間沿礦體走向布置整體條形礦柱,礦柱寬60 m,在其中布置盤區(qū)沿脈巷道和溜井,礦柱滯后回采。

每個(gè)盤區(qū)內(nèi)劃分礦房和礦柱,礦房寬為18 m,礦柱寬為20 m,采場(chǎng)沿走向布置,采場(chǎng)長(zhǎng)85 m,每個(gè)盤區(qū)內(nèi)布置18個(gè)采場(chǎng),中段高度為60 m,具體如圖1所示。

圖1 條形采場(chǎng)大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

3.2 方形采場(chǎng)布置結(jié)構(gòu)

將礦體劃分為盤區(qū),以盤區(qū)為回采單元組織生產(chǎn)。盤區(qū)寬200 m,長(zhǎng)為礦體厚度。盤區(qū)之間沿最大主應(yīng)力方向布置大型條形礦柱。通過(guò)巖石力學(xué)性質(zhì)并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,確定盤區(qū)之間的礦柱寬為60 m,礦柱內(nèi)布置盤區(qū)穿脈巷道和溜井,溜井間距150 m。

盤區(qū)內(nèi)按方形礦塊形式布置,礦塊尺寸為40 m×40 m,礦塊高度60 m,即中段高度。根據(jù)礦山生產(chǎn)能力的要求和礦塊所能達(dá)到的生產(chǎn)能力,中段內(nèi)同時(shí)回采3個(gè)盤區(qū),每個(gè)盤區(qū)同時(shí)回采4個(gè)礦塊,回采順序是基本上從礦體的中間部位向兩側(cè)推進(jìn),從中間盤區(qū)向兩翼盤區(qū)推進(jìn)。

出礦穿脈布置在盤區(qū)中間的礦柱內(nèi),出礦巷道由盤區(qū)出礦穿脈沿礦體走向間隔40 m平行布置,采用“叉”型布置,即進(jìn)入單個(gè)回采礦塊有三條平行巷道,其中兩側(cè)兩條為拉底切割巷道,中間為出礦巷道,平行巷道間距13 m。

鑿巖水平穿脈布置與出礦水平穿脈相同,鑿巖巷道與出礦巷道布置相同,鑿巖進(jìn)路與出礦進(jìn)路相同。

礦塊按照所處的約束情況,分為二步采場(chǎng),即一步采場(chǎng)四周為礦體,二步采場(chǎng)周邊2～3面為充填體。為了保證鑿巖、回采及充填作業(yè)互相不干擾,避免從充填體內(nèi)掘進(jìn)出礦或鑿巖巷道,采場(chǎng)采用間隔布置?；夭蓵r(shí)先采一步采場(chǎng),接著充填一步采場(chǎng)并繼續(xù)間隔回采兩側(cè)的一步采場(chǎng),待充填后的一步采場(chǎng)充填體的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí),開(kāi)始回采相鄰的二步采場(chǎng),待二步采場(chǎng)回采完再進(jìn)行充填。

單個(gè)采場(chǎng)內(nèi)施工完鑿巖巷道或出礦巷道后,采用后退式鑿巖作業(yè)或出礦作業(yè)。盤區(qū)內(nèi)總的回采順序是由礦體中間部位呈“一”字拉開(kāi)后向兩側(cè)礦柱推進(jìn)。具體如圖2所示。

圖2 方形采場(chǎng)大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

4 兩種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)盤區(qū)布置數(shù)值分析

1)條形采場(chǎng)大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?/p>

根據(jù)采礦方法圖,按照次序分步開(kāi)挖,每次開(kāi)挖的礦塊尺寸為20 m×60 m×60 m。分步模擬一步和二步開(kāi)挖,其模擬結(jié)果如圖3至圖6所示。

圖3 開(kāi)挖一步采場(chǎng)最大主應(yīng)力圖

圖4 開(kāi)挖一步采場(chǎng)塑性區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)圖

圖5 開(kāi)挖二步采場(chǎng)最大主應(yīng)力圖

圖6 開(kāi)挖二步采場(chǎng)塑性區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)圖

由上圖可以看出,開(kāi)挖第一步采場(chǎng)后,在空區(qū)兩壁產(chǎn)生了拉應(yīng)力區(qū),其最大拉應(yīng)力為3.86 MPa,中間第二步未開(kāi)采的礦體承受的最大壓應(yīng)力為65 MPa。從圖上還可以看出,一步采場(chǎng)之間未開(kāi)采的采場(chǎng)完全處于剪應(yīng)力塑性區(qū)內(nèi);充填第一步采場(chǎng)并開(kāi)挖第二步采場(chǎng),在第一步充填體的內(nèi)產(chǎn)生2.0 MPa的最大拉應(yīng)力。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在下一步未開(kāi)采的礦體底部,其最大壓應(yīng)力為74.4 MPa。

對(duì)比圖4和圖6可以看出,充填二步采場(chǎng)改善了下一步未開(kāi)采采場(chǎng)的穩(wěn)定狀況,表現(xiàn)為剪應(yīng)力塑性區(qū)的縮小,但在其下一步采場(chǎng)頂板依然存在貫穿的剪應(yīng)力或拉應(yīng)力區(qū)。

2)方形采場(chǎng)大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?/p>

按照次序分步開(kāi)挖,每次開(kāi)挖的礦塊尺寸為40 m×40 m×60 m。分步模擬一步和二步開(kāi)挖,其模擬結(jié)果如圖7至圖10所示。

圖7 開(kāi)挖一步采場(chǎng)最大主應(yīng)力圖

圖8 開(kāi)挖一步采場(chǎng)塑性區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)圖

圖9 開(kāi)挖二步采場(chǎng)最大主應(yīng)力圖

圖10 開(kāi)挖二步采場(chǎng)塑性區(qū)、拉應(yīng)力圖

由上圖可以看出,開(kāi)挖第一步采場(chǎng)后,頂、底板和幫壁出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),在兩幫的最大拉應(yīng)力為1.05 MPa,中間第二步未開(kāi)采的礦體承受的最大壓應(yīng)力為74.09 MPa。充填第一步采場(chǎng)并開(kāi)挖第二步采場(chǎng)后,在第一步充填體的四周產(chǎn)生0.23 MPa的拉應(yīng)力。從塑性區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)圖上可以看出,充填體與礦體頂板接觸地方(約10 m高)出現(xiàn)貫穿的剪切區(qū)和拉伸區(qū)。說(shuō)明實(shí)現(xiàn)充填接頂時(shí),需要提高混凝土配比,增加充填體強(qiáng)度,其高度至少10 m以上。

3)模擬結(jié)果分析

(1)采場(chǎng)開(kāi)挖形成空區(qū),在空區(qū)的頂、底板和幫壁均出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。

(2)隨著空區(qū)開(kāi)挖面積的加大,其周邊最大主應(yīng)力隨之增大;同時(shí),回采第一步采場(chǎng),在下一步未開(kāi)采的礦體內(nèi)形成應(yīng)力集中,但隨著礦體的開(kāi)挖,空區(qū)面積的增大,其最大主應(yīng)力區(qū)將逐漸轉(zhuǎn)移到空區(qū)的間接頂、底板。

(3)從塑性區(qū)、拉應(yīng)力區(qū)云圖顯示,在方形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)情況下,一步回采形成的空區(qū)之間未形成貫穿剪切和拉伸塑性區(qū),由此可知,方形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)比條形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)更具合理性。

(4)以上大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ膬煞N采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比,具體方案見(jiàn)表1。

表1 兩種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

兩種采場(chǎng)結(jié)構(gòu)方案對(duì)比可知,方形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置的盤區(qū)可以不留設(shè)采場(chǎng)間礦柱,具有較低的采切比、較低的礦石損失率,較小是側(cè)壁水力半徑系統(tǒng),更有利于采場(chǎng)側(cè)壁的安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

以思山嶺鐵礦深井開(kāi)采為研究對(duì)象,通過(guò)盤區(qū)不同采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)開(kāi)采的模擬分析,方形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)比條形采場(chǎng)結(jié)構(gòu)更有利于應(yīng)力分布,更有利于采場(chǎng)空區(qū)穩(wěn)定;盤區(qū)內(nèi)采用40 m×40 m方形采場(chǎng)連續(xù)布置,采場(chǎng)之間不需留設(shè)10 m或20 m條形采場(chǎng)礦柱,礦石損失率小,單個(gè)采場(chǎng)采出礦量相對(duì)較高,同時(shí)采場(chǎng)側(cè)壁水力半徑小,采場(chǎng)穩(wěn)定性較好,萬(wàn)噸采準(zhǔn)成本較省,故針對(duì)深井高地應(yīng)力開(kāi)采環(huán)境條件下,選擇方形采場(chǎng)較合適,即推薦采用方形布置的大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā?/p>