高岭土型铝土矿复杂矿体开采方法研究

2020-03-19田野

中国金属通报 2020年24期

田野

（准格尔旗蒙盛新材料有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010399）

调查资料显示，目前铝土矿储量区域分布在几内亚、澳大利亚、越南、牙买加、巴西、印度、中国等13 个国家内，铝矿石类型多、储量丰富。截止到2019 年年末，全球铝土矿储量达到了300 亿t，其中几内亚占据了74.0 亿t、越南占据了37 亿t、巴西占据了26 亿t、牙买加占据20 亿t、印尼和中国分别占据了12亿t 和10 亿t。尽管中国拥有较为丰富的铝土矿资源，但由于日常使用消耗量大，因此为了可持续发展的理念，针对高岭土型铝土矿，提出面对复杂矿体的开采方法。目前国内的高岭土型铝土矿，主要分布在山西区域内，铝土矿的矿石粒度分布较细，每0.021mm 中占79.36%的铝土成分[1]。此类型铝土矿在自然环境影响下，以高岭石族粘土矿物为主，形成一般的粘土和粘土岩，具有可塑性等物理特征。目前中国铝土资源人均量较小，因此采用全新的铝土矿复杂矿体开采方法，进一步加强高岭土型铝土矿的开采工作，为国家的铝土矿资源的使用，提供更加完善的采矿技术。

1 高岭土型铝土矿复杂矿体开采方法

1.1 提取高岭土型铝土矿开采诱发的岩层移动规律

在执行高岭土型铝土矿开采任务时，复杂的矿体结构和地质类型，给开采工作带来极大难度，因此开采复杂放铝土矿矿体时，根据开采区域的自然环境特征和人文环境特征，提取高岭土型铝土矿开采诱发的岩层移动规律。目前常用的岩层移动规律分析方法，包括有限单元法、边界单元法以及离散单元法。而经过大量的技术创新，综合上述方法的技术特点，诞生了效果更好的拉格朗日元法，该方法更加注重整个环境因素和矿体结构的分析，通过大量的位移、应力、应变以及塑性区等力学指标，找寻其中更加符合实际的岩层移动规律。为了便于书写，下文将该方法简写为FLAC[2]。该方法在差分求解过程中，将求解的区域划分成面积一致的四边形网格，同时在边界等不规则区域，用三角形网格来拟合。下图1 为该方法应用下的网格划分示意图。

图1 拉格朗日元法划分的差分网格

因此根据图1中的各项数据，假设某一个时刻时，各个阶段的速度可通过测量获得，则通过高斯定理计算单元应变率，公式为。

通过上述计算过程，提取高岭土型铝土矿开采诱发的岩层移动规律。

1.2 长臂式削壁充填法开采复杂矿体

不同的采矿方法决定了材料设备、回采工艺效率、矿石回采率等因素，因此结合高岭土型铝土矿复杂矿体的岩层移动规律，在满足安全、矿石贫化小、矿石回采率高、生产效率高以及经济效益高的前提下，根据现有的法律法规采矿规定，选择长臂式削壁充填法开采复杂矿体。长臂式削壁充填法执行开采任务时，沿走向从矿块一侧向另一侧全面推进，要求工作面与走向之间存在垂直或斜交关系，要求沿走向布置采场。此次工作综合各项开采环境条件和可能存在的岩层移动规律，将走向长度设置为100m，倾向长度则设置为50m。该开采方法的应用方案如下图2所示。

图2 开采方法应用方案示意图

已知该方法在围岩稳固性一般、倾角较缓的铝土矿复杂矿体上应用，图中字母a 表示崩落矿石；b 表示工作面；c 表示上层运输平巷；d 表示顶柱；e 表示切割天井；f 表示底柱；g 表示下层运输平巷；h 表示电耙硐室。利用上层运输平巷进行回风、材料下放以及物体充填；利用下层运输平巷掘进切割天井，同时通过电耙搬运各个尺寸的铝矿石。而回采工作自上山幵始，沿着走向不断推进，最后使用爆破技术控制落矿方位。而这一过程中采用浅眼爆破的方式处理矿石和围岩，爆破后落在工作面附近的矿石，可以用电耙耙出，而其中掺杂的废石，则需要将其放置在工作面的2m 以外，用于后续的采空区充填工作中。在必要的情况下，在品位低的矿石开采处设置预留矿柱，将其作为采空区的支柱，保护矿体的矿顶。最后进行采场支护工作，保证整体开采工作的稳定性和安全性。利用小块废石间断充填预留矿柱，同时用大量大块废石建立围墙，小块废石填补漏洞，则利用下列计算公式，确定削壁厚度：

公式中：D 表示削壁厚度；M 表示矿脉厚度；1H 、2H 分别表示采空区充填系数和岩石松散系数。根据上述计算结果，确定削壁所需的岩石量，实现对采空区的填充，保证开采过程中的安全性。上述提出的开采方法，既可以避免多余岩石带来的工作困难，又可以获得理想化的贫化率，降低矿石贫化带来的环境恶化程度。此次提出的开采方法，要求将损失率控制在5%以下，贫化率则不超过20%，实现对高岭土型铝土矿复杂矿体的常规开采[4]。

2 应用分析

将此次提出的铝土矿开采方法作为实验组测试对象，将两种传统的铝土矿开采方法，分别作为对照A 组和对照B 组的测试对象，以W 市中城北地区的高岭土型铝土矿作为实验测试背景，通过采样试验的方式，分析三种方法的使用效果，评价两种不同开采难度下，三个测试组的开采安全指数，结果如下表1、表2 所示。

表1 中等复杂矿体的开采安全指数评价结果

表2 高等复杂矿体的开采安全指数评价结果

根据表1 中的评价结果可知，三个测试组的安全指数平均结果，分别为0.9346、0.9002 以及0.9051，都在0.9 以上，其中实验组的安全指数更接近1，面对中等复杂矿体时，满足一般开采要求。而根据表2 中的测试结果可知，三个测试组的安全指数平均结果，分别为0.9181、0.8500 以及0.8517。综合来看尽管三个测试组的安全指标有所下降，但实验组的最终结果，仍保留在0.9以上，两个对照组的安全指标，比实验组低了0.0681 和0.0664。因此证明此次研究的开采方法，面对高岭土型铝土矿复杂矿体时，安全性更高。