張武,秦紹龍,于文龍,趙興東

(東北大學(xué) 深部金屬礦采動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

0 引言

在我國金屬礦床地下開采中,傾斜薄至中厚礦體的開采一直占有較大的比例,而隨著開采深度的增加,礦體出現(xiàn)尖滅或分支復(fù)合現(xiàn)象,使得傾斜薄-中厚礦體的開采成為礦山面臨的主要問題之一[1]。河西金礦始建于1981年,是目前我國機(jī)械化程度較高的礦山之一,2022年進(jìn)行了技術(shù)改造,改造后年礦石生產(chǎn)能力為30萬t。在前期礦山開拓及開采過程中,淺部巖石質(zhì)量以中等為主,礦體為中等穩(wěn)固礦體,工程地質(zhì)條件一般。但隨著礦山開采工作的進(jìn)行,目前河西金礦已開拓至-820 m 中段,出現(xiàn)了局部礦巖不穩(wěn)固現(xiàn)象。針對(duì)局部不穩(wěn)固傾斜中厚礦體,在多年的生產(chǎn)實(shí)踐和改進(jìn)中,采用機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填,可以保證工作人員的安全,地壓管理良好,對(duì)于在深部遇到同類型問題的礦山具有借鑒意義。

1 地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件

河西金礦位于山東省招遠(yuǎn)市與萊州市交界處,區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東向斷裂構(gòu)造為主,望兒山斷裂為區(qū)內(nèi)Ⅱ級(jí)控礦構(gòu)造,次級(jí)斷裂侯家斷裂、河西斷裂等為區(qū)內(nèi)Ⅲ級(jí)控礦構(gòu)造。河西斷裂、侯家斷裂、望兒山斷裂、付家斷裂、付家東斷裂控制整合礦區(qū)內(nèi)金礦體的產(chǎn)出[2]。

礦區(qū)內(nèi)共圈定134個(gè)礦體,已采空94個(gè),保有30個(gè)工業(yè)礦體,10個(gè)低品位礦體。其中河西礦段保有20 個(gè)工業(yè)礦體,付家礦段保有10 個(gè)工業(yè)礦體,23-3號(hào)和24-4 號(hào)為主礦體,保有資源量占比約為60%。23-3號(hào)礦體呈脈狀分布,礦體走向?yàn)?1°～32°,控制走向長509 m,傾向北西,傾角為36°～50°,礦體平均厚度為4.68 m,平均品位為3.42 g/t。24-4號(hào)礦體呈脈狀分布,礦體走向?yàn)?8°,控制走向長238 m,傾向北西,傾角為36°,礦體平均厚度為4.30 m,平均品位為4.41 g/t,二者均屬有用組分分布均勻型。

河西礦區(qū)已開拓至-820 m 中段,礦山開拓及開采過程中,礦體頂、底板圍巖主要為絹英巖化花崗(閃長)質(zhì)碎裂巖及絹英巖化花崗(閃長)巖。巖石質(zhì)量等級(jí)屬Ⅲ級(jí),巖體中等完整,屬碎塊狀結(jié)構(gòu),工程地質(zhì)條件一般。局部發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙發(fā)育,礦巖不穩(wěn)固。

2 現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查

采用測(cè)線法在河西金礦-820 m 中段穿脈、脈外兩處進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀調(diào)查,調(diào)查長度為40 m,調(diào)查結(jié)果采用Dips軟件進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 -820m 中段節(jié)理調(diào)查結(jié)果

從圖1(a)、圖1(b)可以看出,-820 m 中段穿脈巷道節(jié)理裂隙發(fā)育,具有一組優(yōu)勢(shì)節(jié)理,傾向?yàn)?60°,傾角為80°;從圖1(c)、圖1(d)可以看出,-820 m 中段脈外巷道節(jié)理裂隙發(fā)育,有一組優(yōu)勢(shì)節(jié)理,傾向?yàn)?00°,傾角為75°。

3 采礦方法選擇

采礦方法選擇主要依據(jù)礦體的形態(tài)、厚度、傾角及礦巖體穩(wěn)固程度等[3]。河西金礦屬于傾斜薄至中厚礦體,根據(jù)地質(zhì)核實(shí)報(bào)告、巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果表明,23-3號(hào)、24-4號(hào)兩主礦體屬于中等穩(wěn)固礦體。但隨著采深增加,在開拓達(dá)-820 m 中段時(shí),通過現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查以及礦山生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)了局部節(jié)理裂隙發(fā)育、礦巖不穩(wěn)固的問題,結(jié)合國內(nèi)外類似開采條件的礦山及其采礦方法試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)[3-7],擬采用的采礦方法有空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?、機(jī)械化上向水平分層充填法和機(jī)械化上向進(jìn)路充填法。3種不同采礦方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 主要采礦方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表1可以看出,空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄉa(chǎn)能力大,但是對(duì)于金礦來說,損失、貧化率較高,采切比比較大,且存在地壓管理難度較高的問題;機(jī)械化上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法擁有一定的礦塊生產(chǎn)能力,充填成本、采切比較低,但是損失率較高,廢石產(chǎn)率較高,機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法雖然礦塊生產(chǎn)能力略有不足,但是對(duì)于金礦來說,較低的廢石產(chǎn)率和損失貧化率,使其在礦巖不穩(wěn)固、礦石品位較高的礦山具有良好的適用性。針對(duì)河西金礦在開拓-820 m 中段出現(xiàn)的局部節(jié)理裂隙發(fā)育、礦巖不穩(wěn)固的問題,選用機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法能更好地開采礦石,保證礦山的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)地壓管理較為簡(jiǎn)單,能夠保證工人在地質(zhì)條件較為復(fù)雜、巖體質(zhì)量較差的環(huán)境中安全作業(yè)。

4 機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法

對(duì)一個(gè)盤區(qū)而言,以分層方式從下向上逐層回采,每分層劃分為若干個(gè)回采進(jìn)路,以進(jìn)路為單位進(jìn)行回采與充填,各進(jìn)路間隔回采或充填后逐條回采,整個(gè)分層各進(jìn)路回采、充填結(jié)束后再轉(zhuǎn)至上分層繼續(xù)進(jìn)行回采[8-9]。機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填采礦法如圖2所示,采場(chǎng)沿走向布置,礦塊長60 m,寬為礦體的厚度,高50 m,底柱高6 m,不留間柱、頂柱,底柱在下中段回采時(shí)回收。分層回采時(shí),根據(jù)礦巖情況的不同,層高控制在2.8～4 m,寬度控制在2.5～4.5 m,根據(jù)頂板穩(wěn)固情況和生產(chǎn)需要,劃分一步采、二步采,每條分段巷道平均承擔(dān)3個(gè)分層的回采,分段高為8～10 m[10]。當(dāng)采場(chǎng)僅能布置兩條進(jìn)路時(shí),先采下盤進(jìn)路,后采上盤進(jìn)路。

圖2 機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法(單位:m)

4.1 采準(zhǔn)切割工程

采準(zhǔn)工程有分段出礦巷道、溜井聯(lián)絡(luò)道、溜井、分層聯(lián)絡(luò)道、回風(fēng)充填(泄水)天井、天井聯(lián)絡(luò)道。溜井和分段出礦巷道布置在下盤脈外,分段出礦巷道通過采準(zhǔn)斜坡道與上下連通,從分段巷道向礦體掘進(jìn)分層聯(lián)絡(luò)道;回風(fēng)充填(泄水)天井布置在盤區(qū)礦體中部,隨著采場(chǎng)向上回采順路架設(shè)泄水井;在下盤脈外分別掘溜礦井與分段巷道貫通,溜礦井及分段巷道分期掘進(jìn)。

4.2 鑿巖爆破

進(jìn)路回采屬于掘進(jìn)式回采,炮孔布置與平巷掘進(jìn)布孔方式基本相同,鑿巖采用單臂鑿巖臺(tái)車,孔深3.5 m,炮孔直徑為42 mm,孔距為0.8 m,邊孔距為0.4～0.6 m。頂板和礦體側(cè)邊孔采用光面爆破,光面爆破在落礦的同時(shí)一次完成。

炸藥采用乳化炸藥,爆破采用電子雷管起爆,一次分段微差爆破。采下礦石用1 m3鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)分段聯(lián)絡(luò)道裝運(yùn)至采場(chǎng)溜井,溜放至階段運(yùn)輸水平后經(jīng)漏斗裝車運(yùn)出。

4.3 充填

進(jìn)路回采完畢后,進(jìn)行充填準(zhǔn)備工作,充填管由充填回風(fēng)天井或分層聯(lián)絡(luò)巷道下放到采場(chǎng),將回氣管、充填管分別架在進(jìn)路頂板中央最高點(diǎn)處,并在進(jìn)路口上用鋼結(jié)構(gòu)組合式隔墻作為充填擋墻。

進(jìn)路回采結(jié)束采用尾砂膠結(jié)充填,其中一步采進(jìn)路采用灰砂比為1∶8的尾砂膠結(jié)充填,二步采進(jìn)路先用灰砂比為1∶15的尾砂膠結(jié)充填,充填體強(qiáng)度不小于1 MPa;上部采用灰砂比為1∶6的尾砂膠結(jié)充填,厚度不小于0.3 m,充填體強(qiáng)度不小于3 MPa,作為上一分層回采的底板,利于鏟運(yùn)機(jī)行走。礦房最上分層需二次充填接頂。

4.4 通風(fēng)

采場(chǎng)通風(fēng)采用局扇通風(fēng),新鮮風(fēng)流從中段運(yùn)輸平巷經(jīng)采區(qū)斜坡道進(jìn)入各分段平巷,然后經(jīng)采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入回采工作面,污風(fēng)從工作面用局扇排入采場(chǎng)通風(fēng)充填天井,進(jìn)入上中段回風(fēng)系統(tǒng)排出。

4.5 頂?shù)装骞芾?/h3>

采場(chǎng)頂板暴露面積應(yīng)控制在270 m2以內(nèi)。爆破通風(fēng)后即進(jìn)行頂板撬毛,頂板巖石條件好時(shí)可不進(jìn)行支護(hù),巖石條件不好時(shí)須進(jìn)行錨桿支護(hù),采用管縫式錨桿,錨桿間距視礦巖穩(wěn)固情況具體掌握。

4.6 礦柱回采

設(shè)計(jì)不留頂柱、間柱,僅留高為6 m 的底柱,底柱通過下中段礦房連采的方式回采。為便于高品位底柱的回采,每個(gè)中段的第一分層回采結(jié)束后,底板上垂直走向向上、下盤布置錨桿并鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),再采用灰砂比1∶4的尾砂充填料充填,確保下部礦塊最后一分層的回采安全。

4.7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

河西金礦采用機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法后,采場(chǎng)生產(chǎn)能力達(dá)140 t/d,采切比為21.90 m/kt,損失率為6%,貧化率為10%。

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)河西金礦-820 m 出現(xiàn)的節(jié)理裂隙發(fā)育、礦巖不穩(wěn)固的問題,采用機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法,并取得了很好的應(yīng)用效果,保證了工人作業(yè)安全。

(2) 機(jī)械化程度的提升,降低了河西金礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本,提升了生產(chǎn)能力。

(3) 機(jī)械化上向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法雖然生產(chǎn)能力略有不足,但是損失貧化率、廢石產(chǎn)率低,對(duì)于金礦來說,具有良好的適用性,保證其經(jīng)濟(jì)效益。