西石门铁矿南区贫富兼采技术研究.pdf

Series No. 433 July2012 金属矿山 METAL MINE 总 第433 期 2012年第 7 期 任凤玉 1956 ， 男， 教授， 博士研究生导师，110819 辽宁省沈阳 市。 西石门铁矿南区贫富兼采技术研究 任凤玉常帅刘娜 东北大学资源与土木工程学院 摘要西石门铁矿南区受浅部采场盗采严重、 出矿品位低、 产能低以及深部矿体开采难度增大、 开拓滞缓影 响， 生产中出现产量任务紧、 原矿品位低、 过渡衔接困难等问题。为此， 在分析岩体可冒性的基础上， 提出上部贫矿 与下部富矿平行开采的方案， 并通过改进回采方法， 达到提高矿石生产能力和实现贫富兼采的目的。此外， 针对深 部开拓滞后问题， 提出主体工程分段同时施工的技术措施， 以加快下位工作面开拓进度。 关键词岩体可冒性贫富兼采快速开拓 Technology Research on Simultaneous Exploitation of Low and High- grade Ore in Xishimen Iron Mine Ren FengyuChang ShuaiLiu Na School of Resource and Civil Engineering，Northeastern University AbstractAffected by illegal mining，waste rock mixed，low productivity of ore，the increasing difficulty mining of deep ore body exploitation and slow development，the southern district of Xishimen has some production problems，such as great production pressure，low grade of raw ore，difficult to transition. Therefore，according to the analysis of rock caving feasibility，a new scheme that the upper low grade ore and the lower high grade ore are exploited simultaneously is pro- posed. The mining technique also improves the production capacity and realizes the objective of the simultaneous exploitation of low and high- grade ore by improving the mining . In addition，the technical measure of excavating in sublevels simultaneous is proposed to accelerate the development process in deep part. KeywordsRock caving feasibility， Simultaneous exploitation of low and high- grade ore， High- speed development 西石门铁矿南区矿体似层状产出， 并有波状起 伏， 呈不对称背斜构造， 两翼倾角一般 10 ～30， 走 向长度与延深都比较大， 矿体下盘赋存厚层矽卡岩。 目前， 开采中段已下降到 0 m 中段， 该中段以下， 矿 体变缓变薄， 厚度基本在 12 m 以下， 绝大部分成为 缓倾斜中厚矿体。在深部开采矿体范围内， 上部矿 体遭到民采严重破坏， 采场内富矿石或被基本采出， 或被采出一部分， 塌落一部分， 而富矿石未被盗采的 采场， 矿岩破碎难以回采， 这些矿体形成了残缺破损 与破碎矿体。 矿山原用有底柱分段崩落法、 无底柱分段崩落 法开采， 2010 年统一改为无底柱分段崩落法。在开 采过程中， 出现了采场内矿量被盗采概率浮动大、 成 巷与维护处理难度大、 出矿品位低、 产能低、 管理复 杂、 经济效益差等问题， 同时， 深部开拓工程滞后严 重， 阻碍了深部采场的开采进程， 导致矿量过渡衔接 困难， 由此造成矿山产量任务紧、 原矿品位低的生产 现状。为改变这一现状， 需要寻求能够将生产能力 与出矿品位同时提高的新方法。为此， 本研究在研 究岩体可冒性的基础上， 针对南区深部矿体的变化 条件， 提出上部残矿与下部原生矿体平行开采， 形成 贫富兼采技术的崩落法双工作面开采方案。 1工作面划分 贫富兼采的双工作面开采方案中， 上、 下双工作 面开采的实质为 在考虑矿体倾角的基础上， 分析岩 体冒落规律， 以岩体持续冒落面积为依据， 利用上、 下双工作面， 扩大回采作业范围， 大幅提高生产能 力， 同时， 采取相应措施保证分区间冒落安全。 临界持续冒落面积是指岩体发生持续冒落时的 最小暴露面积 ［1 ］， 作为分区划分的基础依据， 首先 要对岩体冒落形态以及临界冒落面积的取值范围进 24 行讨论。 根据西石门铁矿岩体稳定性分析结果， 矿体顶 板灰岩中等坚硬， 节理裂隙发育， 稳定性较差， 具有 良好的可冒性， 这一特性也在生产中得到良好验证。 南区原 210 m 分段在 1 000 m2的范围内崩落 10 m 高的矿、 岩作为覆盖层， 形成最初的采空区， 后在其 下部 200、 190、 180、 170 m 共 4 个分段的无底柱分段 崩落法回采中， 各分段进路端部在出矿过程中从未 出现敞空现象， 作业人员未感觉到任何冒落气浪冲 击; 80 m 中段Ⅰ分区 122 m 分段 2 个无底柱分段崩 落法独立采场回采面积均达到 1 270 m2， 12 个月 后， 其下 111 m 分段在正常回采出矿过程中也未出 现端部口敞空、 作业人员感受到冒落气浪冲击等现 象。为此， 结合南区冒落规律研究［2 ］， 分析端部口 未敞空、 人员未感觉到冒落冲击现象可得 顶板灰岩 临界冒落的等价圆面积一般不超过 1 300 m2， 冒落 形式以零星冒落为主。 此外， 根据中区顶板冒落形态可知， 西石门铁矿 顶板冒落形态为拱形。为此， 按照拱形冒落原理， 利 用应力平衡拱计算公式［3 ］得出 南区临界冒落跨度 为41. 5 m， 临界冒落等价圆面积为1 353 m2， 计算结 果与现场实际冒落推测值基本相同。同时， 按桃冲 铁矿的经验， 持续冒落跨度不超过临界冒落跨度的 1. 3 倍， 由此推算南区持续冒落跨度约为 54 m; 又据 统计， 小汪沟铁矿持续冒落面积是临界冒落面积的 1. 195 倍， 桃冲铁矿为 1. 254 倍， 夏甸金矿为 2 倍， 总的来说， 均不超过 2 倍， 则按 2 倍推算， 西石门铁 矿临界持续冒落面积不应超过 3 000 m2。 综上， 西石门铁矿南区顶板灰岩藉重力场作用， 呈拱形冒落， 持续冒落的等价圆面积一般不超过 3 000 m2， 空区持续冒落的跨度大约 54 m。依据顶 板灰岩冒落临界值， 可将矿体按上覆岩体的持续冒 落面积分区开采。考虑充分利用西石门铁矿矿体倾 角较缓、 斜长较大的有利条件， 分区适宜沿矿体倾向 划分。 工程揭露与物探结果表明， 目前 0 m 水平以下 部分矿体受民采破坏， －40 m 水平以上的未采矿体 多为下盘赋存厚层矽卡岩的残破矿体; －40 m 水平 以下矿体多受深度影响而得到保护， 属于原生矿体。 为此， 可将双工作面回采方案中的上、 下工作面分界 设置在 －40 m 水平， 将上部综合品位低的残缺破损 矿体与下部原生矿体区分开采， 实现上部贫矿与下 部富矿同时开采 图 1 ， 通过合理配矿， 达到提高矿 石生产能力与原矿入选品位的双重目的。 图 1上下双工作面同时开采分区示意 27 线剖面 如图 1 所示， 随工作面下降， 深部矿体变缓变 薄， 若采用原有的采场结构参数， 绝大多数矿段不具 备 “ 3 个分段” 回收条件 ［4 ］， 更易引起矿石回采率低， 储量消耗过快等问题; 另外， 原用的较大巷道断面加 剧了采准工程的不稳固性， 尤其增大了巷道过散体 层的难度， 导致不能充分回收冒落空区的矿量。因 此， 有必要寻求新的合适的采场结构及回采方式。 分析研究得出， 对于矿体变薄的特点， 宜采用小结构 参数与小断面尺寸回采; 对于矿体倾角变缓致使原 用回采方案无法形成“3 个分段” 回收条件的现状， 从改进回采工艺以适应矿体条件的角度考虑， 适合 采用堑沟落矿与进路退采相结合的无底柱分段崩落 法改进方案。该方案针对缓倾斜中厚矿体， 能够较 好地适应南区矿体条件， 有效提高矿石回采率。 经过近几年回采， 上部工作面下降速度快， 目前 已开采至0 m 中段， 虽然设计多为正规回采采场， 但 多数被民采破坏， 采场回采时间缩短， 容易导致上部 工作面下降到 －40 m 中段的速度加快， 同时， 下部工 作面开拓施工滞后， 进度缓慢， 二者结合容易造成上、 下工作面无法区分， 难以形成双工作面开采条件， 同 时也不利于回采安全。因此， 上下工作面分界水平需 要下降1 个中段， 即从 －80 m 水平拉开， －120 m 水 平运输。工作面下降的优势包括以下几个方面 1－80 m 水平矿体水平面积超过 10 000 m2， 远远超过岩体临界持续冒落面积， 满足冒落条件。 2 利于新方案实施， 能够增强分区开采的安 全性。 3 深部开拓工程已经滞后， 下移工作面位置 可暂时缓解开拓紧迫程度， 预留加快开拓施工时间， 使生产组织更为灵活。 4 工作面下降后， 可为堑沟落矿新方案实施 争取时间， 利用其较大开采强度的特点， 灵活控制采 场回采速度， 使上、 下双工作面保持协调推进。 此外， 采用沿倾向分区的同时开采方式， 在下分 区采空区冒落过程中， 需要有适宜宽度的临时矿柱 34 任凤玉等 西石门铁矿南区贫富兼采技术研究2012 年第 7 期 或岩柱， 保护上分区的采矿安全。同时， 为保证冒落 生产安全， 需要采取必要的安全防范措施， 可通过控 制采空区面积和消除空区顶板岩石应变能的积蓄条 件 ［5 ］2 种方式， 有效控制冒落形式与崩落进程。将 下部首采工作面设置在 － 80 m 水平后， 上、 下工作 面间临时安全间柱的水平宽度可达 58 ～ 170 m， 平 均宽度 120 m。根据夏甸金矿经验， 对于节理裂隙 发育、 结构面密闭的岩体， 采空区顶板冒落引起空区 边缘的应力集中范围一般不超过 25 m［6- 7 ］， 因此， 这 一宽度能够保证上部回采工作面不受下部回采空区 冒落的影响。同时， －80 m 中段完整回采后的采空 区水平跨度可达 66 ～85 m， 平均 76 m， 远超过顶板 围岩的持续冒落跨度 54 m 左右 。因此， 只要 －80 m中段的回采进度不滞后于 0 m 中段， 即可保 证在临时安全间柱消失前， 形成满足安全需要的足 够厚度的散体隔离层。 总之， 采取上、 下分区开采方式， 与传统的自上 而下逐分段单工作面回采相比， 具有以下两方面优 势 1 新增 1 个回采工作面， 生产能力可大体增 加 1 倍。 2 下部原生矿量较多， 采矿可靠性增大， 采出 矿石的品位相对较高， 与上部分区的低品位矿石进 行配矿， 可提高原矿入选品位。这一方案能从根本 上改变南北区采矿生产的被动局面， 不仅是执行贫 富兼采方针的佳径， 也是实现高效开采的必由之路。 但新方案能否安全有效地实施， 关键是保证下分区 首采中段的回采时间。下分区越早回采， 上、 下分区 同时开采的安全性就越好。 2下位工作面快速开拓技术 新方案的实施取决于下分区的回采时间， 而下 分区的回采时间受制于深部开拓工程的施工进度。 新方案提出时， 深部开拓施工受主副井尚未完 成掘进影响， 不具备有效的提升运输系统， 从而延缓 了开拓工程进度。为此， 加快主副井掘进成为加快 深部开拓进度的首要条件。根据原开拓工程的进度 及位置， 南区0 m 水平开拓工程已越过主溜井， 主井 与主溜井具备从 0 m 水平施工的条件。为此， 提出 采取主体工程分段同时施工的加快措施， 即从 0 m 水平向上反掘上段主井， 向下正掘主溜井， 当主溜井 到位后再反掘下段主井。同样地， 用于深部开拓的 盲斜井60 ～ －120 m ， 若采用单一工作面掘进， 势必落后于主井掘进速度， 影响新方案实施。为此， 结合副井所涉及中段的实际情况， 同样采取双掘进 面同时作业方式， 具体为 40 m 水平具备施工条 件， 从副井上部往下掘进， 而0 m 水平由回风斜井掘 进下盘运输巷， 待下盘运输巷掘至副井联络巷处并 具备施工条件后， 从联络巷处向上、 向下掘进， 加快 副井的施工速度 图 2 。 图 2 0 m 中段施工与副井位置 经过近几年的施工及回采， 截止至 2010 年， 南 区上部工作面 0 m 中段的上、 下盘沿脉运输巷已施 工完毕， 穿脉巷道中 8 号穿脉已联通上下盘沿脉运 输巷， 其他穿脉即将联通并形成运输条件。回采工 作面已进入 0 m 中段 31 m 分段、 21 m 分段， 但 由于0 m 中段上下盘沿脉运输巷仍未形成环形运输 系统， 造成0 m 中段不具备运输能力， 采出矿石均需 先倒运至 40 m 中段， 然后经主井提至地表， 影响 采矿生产效率。 同时， 主井已通达深部各个中段， 即将满足开拓 工作面掘进工程的排岩需求。现今主井附近掘进的 岩石经由临时排岩井 进风井提升解决， 深部盲 副井也已完成井筒开拓， 并于 2010 年上半年完成提 升设备安装， 具备提升运输条件。主副井的形成极 大地改善了深部开拓施工条件， 具备了多水平、 多工 作面掘进条件， 从本质上提高了 － 40 m、－ 80 m、 －120 m等 3 个 水 平 的 开 拓 施 工 速 度。目 前， －120 m中段已完成主副井的贯通， 其他 2 个中段正 在加紧多工作面施工， 其中， －40 m 水平贯通后， 即 可多工作面同时进行 －40 m 中段的采准工作， 待完 成采准后， 可先由盲斜井采出一部分矿石， 待 －80 m 中段开拓系统形成后， 即可进行大规模回采。 3结论 1 合理利用顶板围岩良好的可冒性， 采取沿 下转第 49 页 44 总第 433 期金属矿山2012 年第 7 期 5结语 1 巷道变形破坏受到了相邻工作面采动的影 响， 从卸压理论上看， 大巷在一定程度上充当了两个 相邻工作面的卸压巷， 围岩受力状况比较复杂， 且巷 道受相邻工作面多次采动高应力的影响， 使其应力 更加复杂且两者叠加后应力增大， 导致巷道变形破 坏严重。 2 2 相邻工作面顶板垮落， 上覆岩层形成典型 “上三带” 结构， 造成顶板所在岩层不连续， 形成大巷 顶板的 “局部块” 结构; 断裂的基本顶在工作面倾斜方 向上形成 “传递梁” 结构， 将作用力传递给 “局部块” ， 使其受到两侧变形岩层的挤压和剪切， 同时受覆岩重 力作用， 巷道出现了底鼓、 冒顶、 断面收缩等变形破坏 现象; 模拟分析结果与现场破坏情况基本吻合， 变形 破坏主要发生在顶底板、 右帮及肩角处。 3 根据钻孔探测显示 巷道围岩松散、 软弱和 破碎， 整体力学性能较差， 部分岩体膨胀、 泥化现象 明显， 使其承载能力较低， 造成巷道变形破坏严重。 4 现场通过前期围岩松动圈的探测和后期围 岩钻孔探测， 发现松动圈进一步扩大， 松动圈范围从 1. 2 ～1. 7 m 扩大至 2. 5 ～3. 0 m， 造成巷道不同程度 的变形破坏。 参考文献 ［ 1］何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等 . 深部开采岩体力学研究［J］ . 岩 石力学与工程学报， 2005， 24 16 2803- 2813. ［ 2］钱鸣高， 石平五 . 矿山压力与岩层控制［M］ . 徐州 中国矿业 大学出版社， 2003. ［ 3］何满潮 . 深部开采工程岩石力学的现状及其展望［C］∥中国 岩石力学与工程学会 . 第八次全国岩石力学与工程学术大会 论文集 . 北京 科学出版社， 2004 88- 94. ［ 4］康红普， 司林坡， 苏波 . 煤岩体钻孔结构观测方法及应用 ［ J］ . 煤炭学报， 2010， 35 12 1949- 1956. ［ 5］刘锋珍 . 深部高应力巷道围岩稳定性数值模拟研究［D］ . 青 岛 山东科技大学， 2005. ［ 6］李凯歌， 丁书学， 靖洪文， 等 . 三软煤层多次采动下巷道支护 技术［J］ . 煤炭科学技术， 2010， 38 9 4- 9. ［ 7］魏明俐 . 深部软岩巷道围岩稳定性分析与控制技术研究［D］ . 青岛 山东科技大学， 2010. ［ 8］唐芙蓉， 王连国， 张华磊， 等 . 动压软岩巷道破坏机理及控制 技术研究［ J］ . 采矿与安全工程学报， 2010， 27 4 537- 542. ［ 9］王超， 伍永平， 赵自豪， 等 . 深部软岩巷道变形破坏监测分 析［ J］ . 煤炭科学技术， 2010， 38 11 45- 47. ［ 10］何满潮 . 软岩工程力学［ M］ . 北京 科学出版社， 2002. ［ 11］谭云亮 . 深部巷道威压破坏及控制［M］ . 北京 煤炭工业出 版社， 2010. 收稿日期2012- 04- 09 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 上接第 44 页 倾向划分为上下分区同时开采的方式， 形成上部贫 矿与下部富矿协同开采的贫富兼采技术， 能够解决 矿山生产能力低、 原矿入选品位低的问题。 2 降低结构参数和堑沟落矿与进路退采相结 合的无底柱分段崩落法改进方案解决了深部矿体变 缓变薄的开采困难。同时， 工作面分界水平的下降 扩大了上、 下协调开采的时间张度， 也保证了回采冒 落安全。 3 主体工程分段同时施工的快速开拓技术促 进了主副井的快速形成， 提高了中段开拓进度， 为深 部中段尽快投入回采以形成双工作面开采局面争取 了时间。 参考文献 ［ 1］单守智， 任凤玉 . 矿岩软破缓倾斜中厚矿体采矿方法［J］ . 东 北大学学报， 1995， 16 94 6- 9. ［ 2］李清望， 任凤玉 . 西石门铁矿南区采空区的冒落规律分析 ［ J］ . 中国矿业， 2001， 3 10 42- 44. ［ 3］李楠 . 小汪沟铁矿露天转地下高效开采技术研究［D］ . 沈 阳 东北大学， 2010. ［ 4］任凤玉， 等 . 关于崩落法放矿的随机介质理论方程［ J］ . 东北 工学院学报， 1989， 10 S5 64- 87. ［ 5］任凤玉， 陶干强， 王家宝 . 西石门铁矿自落顶设回收进路的无 底柱分段崩落法试验研究［ J］ . 采矿技术， 2001， 1 2 38- 41. ［ 6］周宗红 . 夏甸金矿倾斜中厚矿体低贫损分段崩落法研究［D］ . 沈阳 东北大学， 2006. ［ 7］王文杰， 任凤玉， 周宗红， 等 . 夏甸金矿采矿方法过渡期临时 矿柱尺寸确定方法研究［ J］ . 中国矿业， 2007 4 61- 63. 收稿日期2012- 04- 14 檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 檵檵檵 檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 檵檵檵 殝 殝 殝 殝 欢 迎 投 稿欢 迎 订 阅 94 李男男等 复杂条件下深井软岩开拓巷道变形破坏分析2012 年第 7 期