矾山磷矿安全采矿方法优化

2011-10-13胡海波宋嘉栋

采矿技术 2011年1期

关键词：柱式矿岩采矿方法

胡海波,宋嘉栋

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

矾山磷矿安全采矿方法优化

胡海波,宋嘉栋

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

矾山磷矿矿体上覆第四系高承压水对井下的安全采矿带来了技术难题,为了尽快并充分回收资源,必须采取安全可靠、经济合理的采矿方法。分析研究了适用于该条件下的点柱式上向水平分层充填采矿法,解决了矿山的安全开采问题,给矿山企业带来了重大经济效益。

高承压水;点柱式上向水平分层充填采矿法;进路充填采矿法;回采工艺

矾山磷矿目前主要设计回采西区 (0～40勘探线)的Ⅱ和Ⅲ矿体。矿体赋存在矾山杂岩体中,分布在东西长 1718 m、南北宽 1480 m、标高 591～128 m范围内,其中Ⅱ矿体厚度为 13.5 m,Ⅲ矿体厚度为 6 m。矿体总体走向北东,两端分别向北及北西,倾角 40°～25°,平均 30°左右,为向岩体中心缓倾斜的向南突出的月牙弯曲状或半盆状的似层状矿体。Ⅲ矿体位于Ⅱ矿体下盘,之间有 0～7.5 m的夹石。Ⅱ矿体及其顶板矿岩节理较发育,硬度系数 f=5～7,稳固性为中等稳固～不稳固。夹石岩性为云斑状辉石正长岩,质地坚硬,硬度系数 f=12,属于稳固岩石。但Ⅲ矿体和底盘处于较软的黑云母岩中,该类岩石硬度系数 f=2.3～2.8,属于不稳固矿岩。

该区属于高水位区,水文地质条件中等偏复杂。从上至下岩层分布为:上覆第四系的全新统砂砾卵石潜水含水层 (Q4)和上更新统黄土砾石承压含水层 (Q3),上更新统下部 (Q3)杂色亚粘土层和中更新统上部红色粘土层属于良好的隔水层,以及中更新统底部含粘性土砾石承压含水层 (Q2)。地下水位标高为 750～745.8 m,承压水头达 150～160 m,其与基岩风化带直接接触。

1 开采现状及技术难点

1.1 开采现状

东区与西区共用 1套中央主、副井开拓系统与中央对角式通风系统。副井为进风井,两翼风井为回风井。主井采用单箕斗提升,井筒于 399,355 m标高处开口,负担矿石和废石的提升任务。副井采用双罐笼提升,井筒在 515,470,425,399,355 m处开口,担负人员、设备、材料的运输工作。东风井早已形成,西风井正在建设。目前矿山东区主要的生产中段为 470,425 m 2个中段。西区暂时还未生产。

1.2 技术难题

该矿山矿体上覆第四系的全新统砂砾卵石潜水含水层 (Q4)、上更新统黄土砾石承压含水层 (Q3)以及中更新统底部含粘性土砾石承压含水层 (Q2)3层含水层,特别是 Q2含水层,地下水位标高 750～745.8 m,承压水头高,与基岩风化带直接接触。在Q2含水层与 Q4、Q3含水层之间存在良好的粘土隔水层,使得 3个含水层分层径流,互不联系。

(1)Q2含水层约 20 m厚,水头高达 150～160 m,如果泄入矿坑将对矿山安全构成威胁。再者,Q2含水层为附近居民主要生活用水来源,也必须保护,不得疏干。

(2)基岩分化带节理裂隙发育,具导水性。

(3)要保护 Q2含水层,必须保证 Q2含水层上部的隔水层和矿体上盘的基岩风化带不被扰动,防止 Q3和Q4含水层联系,Q2含水层通过基岩风化带导入矿坑。

(4)Ⅲ矿体及底板矿岩不稳定,采矿困难。

(5)矿石的价值低也制约着采矿方法的选择。

2 点柱式上向水平分层充填采矿法

2.1 采矿方法选择

该矿山原设计对西区矿体全部采用上向进路分层充填采矿法,在地压控制方面较好,但是该法生产效率较低、成本较高,除非岩体异常破碎、矿体形态异常复杂,否则不考虑进路采矿法。因此,对于矿石价值不高的磷矿必须优化选择安全可靠、经济合理的采矿方法。根据开采技术条件、矿山的开采现状及磷矿的价值等因素可选择的采矿方法有:上向水平分层充填采矿法;点柱式上向水平分层充填法;上向进路分层充填法。

(1)上向水平分层充填采矿法优点是不留点柱、损失率低。缺点是:不能严格控制地压,整个中段回采后将留下大面积的充填体支撑顶板,没有点柱的支撑,充填体容易因为接顶不好而不能有效控制顶板沉降,从而破坏上盘水资源;采切比大,采场结构参数和采准工程紧密相关,要获得较小的采切比,就必须加大采场结构参数,但矿体节理裂隙发育将严重威胁采场安全,所以,必须严格控制采场结构参数;Ⅲ号矿体属于软弱矿体,采用上向水平分层充填法采场跨度大,严重影响Ⅲ号矿体的安全回采;二步骤回采矿柱在充填体之间回采,仅靠充填体支撑顶板,由于充填体不能像原岩点柱与顶板那样完整地支撑顶板,因此二步骤回采矿柱时安全性差。

(2)点柱式上向水平分层充填采矿法优点是留永久点柱,相当于减少了采场顶板的暴露面积,顶板的暴露面积只是各个点柱分摊支撑的顶板面积,顶板由点柱和充填体共同支撑,点柱被充填体包裹着,形成三轴受力状态,增加了点柱的支撑能力;有利于控制顶板岩层移动;采切工程量小、贫化小。缺点是点柱所占矿量大,作为永久损失,导致损失率高;点柱的留设对施工要求高。

(3)上向进路分层充填采矿法优点是损失贫化率低,在巷道里凿岩出矿安全性好,能严格控制顶板下沉。缺点是进路式凿岩出矿生产能力低、劳动强度大、生产成本大;进路充填要求充填体接顶,不易控制;充填体强度要求大、充填成本高。

经过分析比较以及结合矿山的实际情况,对于不同的矿岩条件采取不同的采矿方法。Ⅱ矿体稳固性处于中等稳固与不稳固之间的矿段,可以采用点柱式上向水平分层充填法来控制地压,降低采矿成本和保证矿山的生产能力。该法正适宜于矿石价值不高、回收率要求不高的矿山。Ⅲ矿体处于不稳固的黑云母岩中,矿岩比较破碎,只能够采用原设计的上向进路分层充填法。为了保护矿体上盘的地下水资源,设计在矿体上盘留设 100 m厚的保安矿柱。

2.2 采场构成要素与采准工程

采场沿矿体走向布置,走向长为 60 m,高度为中段高度 45 m,宽为矿体厚度。底柱高 6 m,不设顶柱,间柱宽 4 m,采场内按 12 m ×15 m布置点柱,点柱规格 4 m×4 m。相邻采场之间先暂留宽 4 m的连续矿柱,2采场错开上升,滞后回采采场将连续矿柱削采成规则点柱。采用脉外采准,采准工程有分段沿脉、采场联络道、顺路溜井、脉外溜井、充填回风井。采切工程有切割平巷见图1。

图1 点柱上向水平分层充填采矿方法

2.3 回采工艺

采场内工作面以采场联络道为自由面沿走向推进,或在靠矿体最上盘形成 2.5 m×2.5 m的拉底巷道,以拉底巷为自由面扩采。根据矿岩稳固性和凿岩设备,同时综合考虑安全因素,设计采幅 3 m,分层控顶高度为 4.5 m左右,第一层设计采高 4.5 m。一个分层采完后,进行胶结充填,并为下一循环留下1.5 m的作业空间。

(1)凿岩。采用自下而上逐层回采。采用BOOMER281凿岩台车钻凿水平炮孔,孔深 3.8～4.0 m,孔间距 1.5 m,排距 0.75 m。

(2)爆破。凿岩结束后清洁炮孔,人工装填 2#岩石乳化炸药,起爆器配 CCH型导爆管非电击发导爆管雷管,导爆管雷管再引爆导爆索,由导爆索起爆每个炮孔中敷设的导爆管雷管,引爆炸药。

(3)落矿。采切工程施工完毕后,以采场联络道为自由面,向两侧扩帮到采场边界,全面拉底,同时按设计要求布置点柱。再在此基础上挑顶,控顶高度保持为 4.5 m。

(4)采场通风。采用上向风流贯通式通风,沿采区斜坡道→分段沿脉→采场联络道→采场→充填回风井→上中段水平穿脉→上中段水平回风沿脉→回风井,排出地表。采场通风主要借助于矿山主扇风机形成的负压和扩散作用,局部由局扇辅助通风,确保良好的采场作业环境。

(5)顶板支护。落矿后,对于爆破作业面区域顶板和两帮不平整部分和倒挂部分采用撬顶等安全措施。首先撬松石,如顶板出现比较大的节理面剪切岩石时,采用锚杆垂直节理面加固顶板。如顶板出现多组小节理面剪切岩石产生碎石时,采用网、喷支护。如顶板既有大节理面又有多组小节理面剪切岩石时,采用网、锚和喷射混泥土支护。其中,锚杆长 1.8～2.0 m,网度为 (0.8～1.2)m ×(0.8～1.2)m。也可采用木架或木垛支护。

(6)采场出矿。确保作业安全后方可进行出矿作业,出矿采用斗容为 2 m3柴油铲运机,由分段沿脉经采场联络道进入采场内进行铲装作业,铲取矿石后卸入顺路溜井或脉外溜矿井,经电机车运至主溜井。分层回采结束后,清理采场,以减少遗留矿石,降低损失。

(7)顶柱回收。根据矿岩的稳固情况,采场底柱可随下中段采场正常回采顺序上采一层,剩余 3 m作为永久损失不再回采。

(8)采场充填。分层充填,正常分层回采结束并清场后,即可加高人行滤水井,构筑充填挡墙。每分层采高 3 m,充填高度 3 m。下部 2.5 m充填体采用低标号分级尾砂胶结 (灰砂比为 1∶(30～32))充填。上部 0.5 m浇面层采用灰砂比 1∶6～1∶8的充填体 (3 d强度＞0.5 MPa)作为下一分层回采时的作业平台。最后一分层根据顶柱厚度要求和顶柱的稳固性调整采幅,采高为 2～4 m,采完后充填接顶。

点柱上向水平分层充填采矿法的主要技术经济指标见表1。