地下矿山缓倾斜多层矿体协同开采设计实践_李杰林.pdf

收稿日期2019-12-01 作者简介李杰林 （1982） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 地下矿山缓倾斜多层矿体协同开采设计实践 李杰林 1 高乐 1 陈杰 2 周科平 11 （1. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083； 2. 云南锡业股份有限公司老厂分公司， 云南 个旧 661000） 摘要云南锡业股份有限公司老厂分公司13-8矿群为缓倾斜多层矿体， 属于典型的复杂难采矿体。为实现该 矿群的安全、 高效和经济开采， 对传统的上行式及下行式开采方案进行了分析， 指出了传统方案的利弊， 通过引入 “协 同开采” 理念， 提出了缓倾斜多层矿体的协同开采设计方案。该方案将缓倾斜多层矿体的开采扰动、 采空区处理、 地压 管理控制三者结合起来整体考虑， 根据矿体赋存条件， 将13-8矿群划分为上盘区矿块、 下盘区矿块及13-8-7倾斜矿 体， 并完成了矿群和上、 下盘区矿块开采顺序的优化设计。研究表明 协同开采设计方案充分考虑了各层矿体的开采 技术条件， 通过矿块划分和回采顺序优化， 实现了多层矿体的协同开采， 有助于提高缓倾斜多层矿体开采的安全性、 高 效性和经济性。该方案为实现老厂分公司13-8矿群开采提供了新思路， 也为其他类似矿体开采设计提供了借鉴。 关键词协同开采缓倾斜多层矿体复杂难采矿体回采顺序 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-050-05 DOI10.19614/ki.jsks.202005007 Design Practice of Synergetic Mining for Gently Inclined Multi-layer Orebodies in Underground Mines Li Jielin1Gao Le1Chen Jie2Zhou Keping12 （1. School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， China 2. Laochang Branch of Yunnan Tin Co.， Ltd.， Gejiu 661000， China） AbstractThe 13-8ore cluster of the Laochang Branch of Yunnan Tin Co．， Ltd． is a gently inclined multi-layer orebody， which is a typical complex difficult-to-mine orebody．In order to achieve the safety， high productive capacity and economy of mining in this mine， the traditional ascending and descending mining schemes were analyzed， and the advantages and disadvantages of traditional schemes were pointed out．By introducing the concept of “synergetic mining“， a scheme for synergistic mining of gently inclined multi-layer orebody was proposed．The scheme combines the mining disturbance of the gently inclined multi-layer orebody， the treatment of the goaf， and the control of ground pressure management as a whole．Ac- cording to the geotechnical conditions of the orebody，the 13-8ore cluster was divided into upper panel， lower panel and 13- 8-7inclined orebody， and the mining sequence of the ore cluster and the upper and lower panel was optimized．The study re- sults show that the synergetic mining design scheme fully considers the geotechnical conditions of each orebody．Through the division of panels and the optimization of the mining sequence， the synergetic mining of multi-layer orebodies is realized， be- sides that， the synergetic mining scheme designed in this paper is help for ensuring the safety， high productive capacity and economy of the mining operation of gently inclined multi-layer orebodies．This scheme provides new ideas for the mining of the 13-8ore cluster of Laochang Branch Yunnan Tin Co．， Ltd．， and also provides a reference for the mining design of other simi- lar orebodies． KeywordsSynergetic mining， Gently inclined and multi-layer orebody， Complex difficult-to-mine orebody， Mining se- quence Series No． 527 May 2020 缓倾斜多层矿体属于典型的复杂难采矿体， 此 类矿体倾角小， 矿石无法依靠重力自溜放矿， 必须通 过机械或者人力进行搬运出矿 ［1-2］； 此外， 多层矿体中 的相邻矿体开采会相互扰动 ［3］， 采空区处理以及相邻 矿体的地压管理往往会导致开采成本提高 ［4-5］。目 前， 针对此类矿体的开采， 普遍使用上行式或下行式 50 ChaoXing 开采方式， 并采用底盘漏斗采矿法、 分层充填法和房 柱法等采矿方法 ［6-7］。这些传统的采矿方法往往存在 贫化和损失率高、 开采成本高、 作业不安全等不足， 并且各层矿体之间存在明显的开采扰动， 给缓倾斜 多层矿体安全开采带来了挑战。 近年来， 随着采矿技术和装备的发展， 人们逐渐 重视对缓倾斜多层矿体这类复杂难采矿体开采技术 的研究。郭金峰等 ［8］对云南斗南锰矿缓倾斜多层矿 体的回采顺序、 超前关系和矿房布置形式等进行了 优化选择， 保证了多层矿体开采的安全性； 罗周全 等 ［9］以云南锡业集团公司松树脚锡矿 “大马芦” 矿段 为例， 将大直径深孔合采矿岩、 井下矿岩集中分离、 连续采矿等技术相结合， 提出了深孔合采井下矿废 分离连续采矿法， 有效提高了矿山开采的高效性、 经 济性和安全性； 刘厚苗等 ［10］研究认为通过对采场顶 板形状及矿房布置进行优化， 可以有效提高开采的 安全性和高效性； 曾庆田等 ［11］针对大红山缓倾斜中 厚多层铜铁矿， 借鉴 “采矿环境再造” 思想， 将缓倾斜 中厚矿体再造为缓倾斜厚大矿体， 同时根据矿体在 剖面上的变化和富集特征， 将同一盘区在剖面上划 分为多段开采， 多层出矿， 有效提高了矿山开采效 率； 刘翔峰 ［12］将大直径深孔落矿技术和集中筛洗分 离技术相结合， 有效提高了采场生产能力； 林晓悦 等 ［13］通过数值模拟方法， 对上横山钒矿段回采过程 进行了研究， 优化了矿房参数以提高开采效率； 李运 胜等 ［14］运用岩石力学分析软件对多层矿体的开采顺 序进行了分析， 优化了开采方案， 提高了矿山整体效 益； 诸利一等 ［15］针对缓倾斜多层矿体提出了3种条带 式开采嗣后胶结充填法， 并通过工程实例论述了该 方法的可行性。上述研究为实现缓倾斜多层矿体安 全、 高效、 经济开采提供了思路， 但是仍然未能有效 解决缓倾斜多层矿体开采中面临的开采扰动、 采空 区处理、 地压管理控制三者之间的相互影响关系这 一难题。 本研究借鉴前人对缓倾斜多层矿体的开采思 路， 以缓倾斜多层矿体的回采顺序为切入点， 引入 “协同开采” 理念， 提出了缓倾斜多层矿体的协同开 采设计方案， 并以云锡老厂13-8矿群为例， 完成了缓 倾斜多层矿体的协同开采方案设计。 1工程概况 云南锡业股份有限公司老厂分公司13-8矿群由 上至下可以分为8层矿体， 并呈多层状重叠产出， 各 层矿体形态简单， 连续性好， 属于典型的深埋缓倾斜 薄中厚多层矿体 （图1） 。除了底部的13-8-7矿体 为倾斜中厚矿体外， 其余矿体长100～550 m， 宽35～ 321 m， 倾角为0～19， 最大厚度达21.9 m， 单层平均 厚度为2.50～11.56 m， 埋深800 m。顶底板围岩为大 理岩、 变玄武岩或花岗岩。大理岩稳固， 变玄武岩中 等稳固至不稳固， 花岗岩因泥化多具有碎粒状至黏 土状结构， 且含有弱裂隙孔隙水， 属于稳固性较差岩 类， 支护难度大。 2缓倾斜多层矿体传统开采方案设计 针对老厂13-8矿群的开采技术条件， 按照传统 的采矿设计思路， 可分为上行式开采与下行式开采 两种方案， 具体开采步骤如表1所示。 2. 1上行式开采方案 首先将开拓和采准工程掘进至矿群最底部， 首 采矿体为13-8-7矿体。回采结束后， 立即对13-8-7 矿体的采空区进行充填， 然后从下至上， 依次对上部 的13-8-6、 13-8-6-1矿体进行回采， 每回采完毕一 个矿体后， 均先对采空区进行处理， 再回采上一层矿 体。这样由下至上逐层开采， 直至全部矿体开采完 毕。 上行式开采方案的优点是各层矿体独立开采， 矿体之间开采扰动小， 且采空区均已处理， 地压管理 简单， 也可以采用废石充填方式处理采空区， 实现废 石不出坑。但该方案是逐层矿体开采， 无法对多层 矿体进行同步开采， 限制了矿群的生产能力和规模， 导致开采效率低、 生产能力小， 并且存在基建时间 长、 投资回收期长、 采空区充填工作量大等不足。 2. 2下行式开采方案 下行式开采方案是从最上层的 13-8-1矿体开 2020年第5期李杰林等 地下矿山缓倾斜多层矿体协同开采设计实践 51 ChaoXing 始开采， 开采结束后， 对采空区进行充填处理， 随后 对下层的13-8-2矿体进行开采。按照由上至下的 顺序， 依次开采13-8-3、 13-8-4、 13-8-5、 13-8-6、 13-8-6-1、 13-8-7矿体。 相比于上行式开采方案， 下行式开采方案可以 缩短基建时间， 投资回收期短。但是下层矿体的回 采作业均在采空区下进行， 作业安全性差， 即使充填 采空区， 其充填体的强度要求也较高， 导致采矿成本 较高。 2. 3传统采矿方案分析 上行式开采方案中， 必须对采空区充填完毕后， 才能对上一层矿体进行开采， 矿群的生产能力和生 产规模都小。此外， 上行式开采破坏了矿体上层的 原始应力平衡状态， 老厂13-8矿群的围岩稳固性差， 在实际生产过程中， 支护难度更大， 无法保证开采安 全。若采用下行式开采， 在开采初期， 利用矿柱或高 强度充填体可以保证开采的安全性， 但是， 随着开采 深度的增加， 上部的采空区群将严重威胁下部矿体 的安全回采， 且高强度充填体也增加了开采成本。 综上分析， 采用传统的开采方法无法实现13-8 矿群的安全、 高效、 经济开采。因此， 需要对13-8矿 群的开采方案进行创新设计。 3缓倾斜多层矿体协同开采方案设计 3. 1 “协同开采” 理念的引入 20世纪60年代， A.H.Ansoff首次提出了 “协同” 理 念 ［16］， 系统协同指的是通过某种方法来组织和调控 所研究的系统， 寻求解决矛盾或冲突的方案， 使系统 从无序转换到有序、 协同、 和谐的状态， 减少系统的 负效应， 提高系统的整体输出功能和整体效应。“协 同” 理念问世以来， 逐渐得到广泛认同和研究。在矿 业领域， 陈庆发等 ［17］针对我国地下矿隐患资源的安 全开采技术条件， 率先开展了 “协同开采” 的相关研 究， 并取得了一系列研究成果。目前， 我国已有50多 家高校及科研院所开展了 “协同开采” 相关研究并取 得大量成果。陈庆发等 ［18］通过对倾斜急倾斜、 水 平缓倾斜多层矿体开采扰动关系的分析， 得到了 多层矿体开采的协同步距计算公式； 汪为平等 ［19］针 对大型 “悬留” 采空区提出并实施了 “悬留” 采空区协 同处置技术， 提高了采空区的稳定性； 聂兴信等 ［20］针 对急倾斜薄矿脉群， 基于 “协同开采” 理念， 提出了深 孔分段空场上向嗣后充填连续采矿法， 对矿房进行 一步骤回采， 随后充填， 实现了阶段矿房的连续开 采； 李建华等 ［21］针对露天矿山台阶开采水平下部的 空区问题， 引入 “协同” 理念， 并在露天采矿生产中形 成了探测、 监测、 充填或崩落处理、 采装、 运输、 安全 预警为一体的采空区协同治理技术方案。 缓倾斜多层矿体开采的难点在于如何处理好多 层矿体的开采扰动、 采空区处理、 地压管理控制三者 之间的关系。以往研究认为这三者之间是一种不协 同或低协同的相互关系， 或者能够认识到这种关系， 却缺乏有效手段来处理这种关系， 因此多采用独立 设计、 施工， 不考虑或较少考虑三者协同关系的设计 思路。因此， 本研究针对13-8矿群的开采技术条件， 引入 “协同开采” 理念， 提出缓倾斜多层矿体的协同 开采思路， 将多层矿体开采扰动、 采空区处理、 地压 管理控制三者结合起来整体考虑， 产生较好的协同 效应， 实现缓倾斜多层矿体的安全、 高效、 经济开采。 3. 213-8矿群协同开采设计方案 老厂13-8矿群呈多层状重叠产出， 各层矿体形 态简单， 连续性好， 除了13-8-3、 13-8-4矿体之间存 在一层厚约20 m的夹石外， 其余各层矿体之间夹石 层厚度普遍较小， 局部区域仅为1 m， 甚至更小。因 此本研究将13-8-3、 13-8-4矿体之间的夹石层视为 安全隔离层。以该隔离层为界限， 将13-8-1、 13-8- 2、 13-8-3矿体视为上盘区矿块， 将13-8-4、 13-8- 5、 13-8-6、 13-8-6-1矿体视为下盘区矿块。以厚 大原岩层为安全隔离层， 在上、 下盘区协同开采过程 中， 可保证上、 下盘区矿块开采的安全性。13-8-7矿 体为倾斜中厚矿体， 且空间赋存条件较为独立， 因此 单独进行开采设计。盘区矿块划分如图2所示。 由矿体的赋存形态得知， 上盘区矿块的 13-8- 1、 13-8-2、 13-8-33层矿体贴合较近， 层状特征不 明显。对于此类层间夹石较薄的多层矿体， 合采可 以大幅提高采矿效率， 并降低开采成本。因此， 对上 盘区矿块中的13-8-1、 13-8-2、 13-8-3矿体进行分 区合采设计， 根据各个矿体的开采技术条件， 可将 金属矿山2020年第5期总第527期 52 ChaoXing 13-8-1、 13-8-2、 13-8-3矿体整体划分为分采区、 1、 2双层合采区和3层合采区。 多层矿体合采虽然可以提高开采效率， 但由于 各层矿体之间存在夹层废石， 必然会造成矿石贫化。 因此， 需要按照合采范围重新计算合采区的综合品 位。经过计算， 合采区矿体平均品位如表2所示。从 表2可以看出 合采品位虽然降低， 但仍然满足工业 品位， 可以进行合采设计和开采。 下盘区矿块由于开采深度大， 地压大， 对矿体开 采的安全性影响较大； 同时， 废石提升距离长， 提升 废石成本高。根据矿山地质资料， 下盘区矿块中各 矿体倾角均小于围岩移动角， 如按照传统下行式开 采思路， 先采13-8-4矿体， 再采13-8-5矿体， 那么回 采13-8-4矿体所产生的空区会对13-8-5矿体回采 造成较大的影响。因此， 在本研究协同开采方案设 计中， 先开采13-8-5、 13-8-6-1矿体， 再开采13-8- 4、 13-8-6矿体。该设计方案的优点是开采13-8- 4、 13-8-6矿体的废石可由联络道充填至13-8-5、 13-8-6-1空区， 做到废石不出坑， 而且充填工艺比较 容易实现， 充填质量高， 保证了矿山开采的经济性。 3. 313-8矿群协同开采的回采顺序优化 为实现多层矿体协同开采， 必须保证其安全性， 避免相邻矿体的开采扰动。因此本研究设计的矿群 整体回采顺序为上盘区矿块与13-8-7矿体同时开 采， 当下盘区矿块的开采影响范围对上盘区矿块开 采不产生扰动时， 上下盘区矿块可同时开采。 3. 3. 1上盘区矿块回采顺序 上盘区矿块实行分区合采， 如图3所示。由图3 可知 上盘区矿块中分采区面积较大， 只有部分区域 为合采区。若先开采分采区， 会导致后期回采合采 区时产生应力集中的问题， 将对合采区地压管理造 成较大影响。因此， 在上盘区矿块中， 首先对合采区 进行回采， 之后开采分采区。在回采分采区时， 可以 合理利用合采区的开拓和采准巷道， 降低采矿成本。 分采区矿体采用由下至上的顺序进行回采， 即 首先回采13-8-3矿体， 再回采13-8-2矿体， 最后回 采13-8-1矿体。回采13-8-2矿体时， 废石可运输至 13-8-3矿体的采空区进行同步充填， 达到废石不出 坑的目的。同理， 利用 13-8-1矿体采出的废石对 13-8-2矿体的空区进行充填， 下层矿体始终超前于 上层矿体回采。 3. 3. 2下盘区矿块回采顺序 下盘区矿块埋深大， 地压大， 对下盘区矿块进行 协同开采时， 开采任一矿体均需对采空区及时充填， 并尽可能减少废石出坑量， 从而保证井下开采的安 全性。下盘区矿块的回采顺序为先采13-8-5、 13- 8-6-1矿体， 再采13-8-4、 13-8-6矿体。回采13-8- 4、 13-8-6矿体的废石由联络道运至13-8-5、 13-8- 6-1空区， 充填采空区。 综上所述， 本研究设计的13-8矿群回采顺序为 ①首先进行上盘区合采区与13-8-7倾斜中厚矿体 协同开采； ②合采区开采并充填结束后， 进行上盘区 矿块的13-8-3矿体与13-8-7倾斜中厚矿体协同开 采， 并进行采空区处理； ③对上盘区矿块的13-8-1、 13-8-2矿体进行协同开采； ④当13-8-1矿体的开采 步距超前于下盘区矿块的13-8-5矿体一定安全距 离后， 开始上盘区矿块 13-8-1矿体和下盘区矿块 13-8-5、 13-8-6-1矿体的协同开采， 并进行采空区 处理； ⑤对下盘区矿块的13-8-4和13-8-6矿体进行 协同开采。 4结论 （1） 引入 “协同开采” 理念， 将多层矿体的开采扰 动、 采空区处理、 地压管理控制三者结合起来整体考 虑， 提出了缓倾斜多层矿体的协同开采思路。 （2） 结合老厂13-8矿群的开采技术条件， 完成了 缓倾斜多层矿体协同开采方案设计， 实现了多层矿 体的协同开采， 有助于提高矿山的整体开采效率。 （3） 将13-8矿群划分为上、 下盘区矿块， 并对矿 块中各个矿体的回采顺序进行了优化设计， 为实现 矿体的安全、 高效、 经济开采提供了保障。 2020年第5期李杰林等 地下矿山缓倾斜多层矿体协同开采设计实践 53 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ 参 考 文 献 王振昌， 刘青灵， 张元庆， 等．缓倾斜中厚矿体高效开采新方案 ［J］ ．有色金属 矿山部分， 2017， 69 （4） 10-14． Wang Zhenchang，Liu Qingling，Zhang Yuanqing，et al． A new scheme for efficient mining of gently inclined medium-thick ore bodies ［J］ ．Nonferrous MetalsMining Section， 2017， 69 （4） 10-14． 黄胜生．国内外缓倾斜中厚矿体采矿方法现状 ［J］ ．矿业研究与 开发， 2001， 21 （4） 21-24． Huang Shengsheng．Current status of 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