复杂开采环境下残矿回收方案研究与实践_刘慧.pdf

收稿日期2019-06-29 作者简介刘慧 （1992） ， 女， 助理工程师。通讯作者郝显福 （1990） ， 男， 工程师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 复杂开采环境下残矿回收方案研究与实践 刘慧 1 赵丽军 2 郝显福 1， 3 王忠泉 1， 31 （1. 西北矿冶研究院， 甘肃 白银 730900； 2. 甘肃厂坝有色金属有限公司厂坝铅锌矿， 甘肃 陇南 742500； 3. 甘肃省深井高效开采与灾变控制工程实验室， 甘肃 白银 730900） 摘要针对小厂坝矿区残矿因滞留时间长， 矿岩在蠕变 （静力） 和循环荷载 （动力） 及其他因素的共同作用 下， 部分矿柱发生破坏的情况， 分析了开采环镜的复杂性； 以现场勘查及理论计算为主要手段， 确定了残矿回收区 域的矿房极限跨度、 间柱宽度、 顶柱厚度等采场结构参数； 开展了残矿资源回收方案研究， 提出了间柱内深孔凿岩 分层爆破、 上下盘脉外深孔凿岩分层爆破及下盘脉外深孔凿岩分层爆破3种回采方案， 通过方案论证优化， 确定采 用下盘脉外深孔凿岩分层爆破的回采方案。另外， 针对残采区域无法进行正常的采准工程布置， 无法形成正常的 底部受矿通道 （底部结构） 的问题， 结合采矿环境再造理念， 对残采区域的底部结构进行了采矿环境再造， 确定了底 部结构形式和参数。试验表明 该区域采矿回收率较高且生产安全， 为矿山其他区域回收残矿资源积累了经验， 经 济效益和社会效益显著。 关键词残矿回收滞留时间采矿环境再造方案论证 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-028-08 DOI10.19614/ki.jsks.202003004 Study and Practice on Recovery Scheme of Residual Ores in Complex Mining Environment Liu Hui1Zhao Lijun2Hao Xianfu1， 3Wang Zhongquan1， 32 （1. Northwest Research Institute of Mining and Metallurgy， Baiyin 730900， China； 2. Changba Lead-zinc Mine， Gansu Nonfer- rous Metal Co.， Ltd.， Longnan 742500， China； 3. Gansu Deep Well High Efficiency Mining and Disaster Control Engineering Laboratory， Baiyin 730900， China） AbstractAiming at the situation that some ore pills which in Xiaochangba Mining Area has already broken because of the creep（static）and the cyclic loading of the stress（dynamic）and other multiple factors which is resulted by long-time de- tention of the residual ore， the analysis of the complex condition has been done.With the field work and theory analysis as the main study s， some main structure factors has been decided such as the maximum span of the residual ore area， the width between the pillars， and the thickness of the top-pillar.With the study of the residual ore mining project， there are three mining schemes has been raised to conduct further analysis， which are studding-inside deep hole drilling and layer blasting mining scheme， deep hole drilling and layer blasting in foot and roof wall mining scheme， and deep drilling and layer blasting scheme outside vein of the foot wall.Finally， the mining scheme of deep drilling and layer blasting outside vein of the foot wall has been chosen as the optimal mining .Furthermore， aiming with the problem of the bottom receiving channel（bottom structure）failed to be normally developed caused by the layout of mining preparation engineering with abnormal travel， com- bined with the concept of mining environment reconstruction， the mining environment reconstruction of the bottom struction in the residual ore area is done， the and parameters of the bottom structure are determined.The study results show that the mining recovery rate of the area is higher than other areas and the mining operation is more safety， which can accumulate experience for the recovery of residual resources in other areas of the mine， the economic benefits and cosical benefits are both significant. KeywordsResidual ore recovery， Retention time， Mining environment reconstruction， Scheme demonstration Series No. 525 March 2020 锌矿资源是制造业的重要基础原料， 随着易于 开采的优质矿产资源日渐枯竭， 矿产资源开采除了 继续向地层深部发展外， 浅部残矿资源的回收利用 也得到越来越多的关注。由于井下残矿回采安全性 28 ChaoXing 差、 开采技术条件复杂， 残矿资源回收常常面临诸多 安全和技术难题 ［1-3］。因此， 开展复杂开采环境下滞 留残矿的安全高效回收技术研究， 为充分回收残矿 资源、 提高矿山企业经济效益以及延长矿山服务年 限开辟了一条重要途径。然而， 由于井下滞留残矿 资源的开采技术条件极为复杂， 制约因素众多， 必须 在充分考虑其特殊开采条件的前提下， 经过科学论 证， 并采取相应的安全技术对策， 方能确保残矿资源 安全回收 ［4-5］。近年来， 大量学者针对残矿资源的类 型特征及稳定性开展了一系列研究， 姜立春等 ［6］基于 某矿山残矿回采工程探究了典型残矿回采结构模 型， 对模型稳定性进行了综合评价； 李宁等 ［7］通过正 交试验， 对某矿床采场结构参数进行了优化研究， 研 究表明， 采场稳定性的主要影响因素为矿房回采长 度， 其次是采场高度， 采场宽度对采场稳定性影响最 小； 马姣阳等 ［8］通过力系平衡原理， 确定了临界冒落 跨度、 冒落高度， 应用了多分段与底部双堑沟协同拉 底的诱导冒落法回采技术回收了柏杖子金矿的残矿 资源。上述研究为复杂环境下滞留残矿资源的稳定 性分级与回收方案制定提供了理论依据， 但对于复 杂滞留残矿回收的研究较为薄弱。 本研究通过环镜复杂性评价、 矿岩物理力学特 性测试、 残矿资源稳定性理论计算， 对厂坝铅锌矿井 下滞留残矿资源的综合开采技术条件进行全面分 析； 利用拱形理论、 简支梁理论建立多种残矿回收采 场理论计算模型， 确定合理的采场结构参数； 以开采 技术条件及现有工程为基础， 提出 3种残矿回收方 案， 通过方案优化， 论证下盘脉外深孔凿岩分层爆破 回采方案的技术可行性及经济合理性； 结合采矿环 境再造理念， 对残采区域的底部结构进行采矿环境 再造， 并确定合理的底部结构参数。通过上述研究， 论证本研究方案应用于复杂环境下井下滞留残矿资 源回收的可行性， 为进一步解决目前矿山的回采安 全性问题， 释放大量优质残矿资源， 提高残矿资源开 发利用的总体技术水平， 增加矿山企业经济效益， 减 少优质资源流失提供有益参考。 1工程背景 厂坝铅锌矿是礼县柞水成矿带西成矿田中的一 个大型铅锌矿区， 主要开采区域由厂坝、 李家沟、 东 边坡、 小厂坝等4个矿区组成。矿床成因类型为沉积 变质型， 属典型的层控矿床。由于受多年民 （群） 采、 盗采和无序开采的影响， 该矿山小厂坝矿区900 m中 段以上残留了大量高品位矿石。受开采技术经济条 件限制， 厂坝铅锌矿一直未实施小厂坝矿区残矿回 收工作， 致使该部分矿产资源滞留距今至少10 a， 滞 留矿量达100万t以上。近年来， 面对生产任务重、 易 采资源日渐枯竭等问题， 矿山为缓解生产压力， 提高 矿山经济效益， 遂将小厂坝矿区残矿资源回收纳为 重点项目。由于900 m中段以上滞留残矿的赋存特 点且开采环境各不相同， 因此需要有针对性地制定 不同的残矿回收技术方案。通过现场调研， 900 m中 段I矿体65～71勘探线区域残留矿体厚大， 开拓、 运 输、 通风等工程条件较良好， 空区赋存状态也相对明 晰， 所以选取该区域的滞留矿体作为首次回采对象。 通过该区域回采， 为其他区域回采奠定基础， 并指导 其他区域的残矿回收工作。 2残矿回收区域开采环镜复杂性分析 小厂坝矿区900 m中段65～71勘探线区域的残 矿资源由于滞留时间长， 开采环境变得极其复杂。 主要表现在以下方面 （1） 从空间位置上看， 该区域残矿位于矿山四大 矿区中心位置， 其上部矿区正在正常回采， 下部矿区 已经采空， 左右两面矿区都有采矿作业， 该区域处在 一个复杂的动态空间应力场中， 回收该部分残矿与 周围矿区采矿安全之间相互影响关系极大， 如图1所 示。 （2） 从开采结构上看， 残矿回收区域是由矿柱 顶板组成的空场群结构， 受长期搁置、 周围采动、 水 害侵蚀等因素影响， 部分承载矿柱已垮塌， 开采结构 的稳定性已大大减弱， 回采工程施工难度极大。 （3）从开采环境上看， 受多年滥采乱挖影响， 残 矿二次开采环境遭到严重破坏； 同时由于滞留时间 长， 蠕变效应明显， 空区周围的矿岩强度随着外荷载 作用时间的延长而降低， 降低了岩体工程的稳定性； 加之不明空区、 水患的影响， 极大增加了残矿回收工 作的不确定性。 因此， 小厂坝矿区65～71勘探线的残矿资源处 于一个综合复杂的多维系统中， 回收该部分资源具 有安全隐患大、 技术难度大、 采矿风险高等特点。 3残矿回收区域理论计算 3. 1矿岩物理力学特性 小厂坝铅锌矿床赋存在坚硬、 半坚硬的碳酸盐 岩及碎屑岩层中。矿区位于岷县复背斜吴家山背斜 北翼的次级褶皱王家山向斜南翼， 出露地层主要为 中泥盆统安家岔组（D2a） （厂坝矿床为西汉水群 D2x2a-2b） 和少量下泥盆统吴家山组 （D2w2） ， 区内岩性以 大理岩、 黑云方解石英片岩为主， 夹石英岩等。残采 区域矿体位于矿床南部， 该矿体具有中等大规模、 厚度较大、 倾角50～80、 品位较高等特点。区内围 岩蚀变作用较弱， 仅在局部地段有较强的绢云母化。 2020年第3期刘慧等 复杂开采环境下残矿回收方案研究与实践 29 ChaoXing 矿岩物理力学性质及参数见表1 ［9］。 3. 2矿柱及采空区围岩稳定性理论计算 3. 2. 1矿房极限跨度确定 3. 2. 1. 1拱形理论 顶板整体冒落形式属于拱冒形， 为保证回采期 间顶板具有良好的稳定性， 采场顶板尺寸确定须满 足 “顶板中拉应力、 压应力不超出岩石强度范围” 的 要求 ［9-13］。采场矿房极限跨度可进行如下计算 B 2H σt rH ，（1） 式中，B为采场极限跨度， m；σt为采场顶板岩层中最 大拉应力， MPa；r为覆盖岩层密度， g/cm3；H为开采深 度， m。 该残矿区域采场顶板为矿石， 根据小厂坝矿区 岩石力学参数测试结果， 其抗拉强度为9.62 MPa， 岩 石密度为 2.73 g/cm3， 区域开采深度达 700 m。经式 （1） 计算 采场极限跨度B＝99.29 m。顾及到矿区矿 岩性质及结构面的影响， 为确保采场安全性， 实际采 场跨度为理论值的50～60， 本研究取60， 计算出 的矿房跨度为59.57 m， 取整确定采场跨度为60 m。 3. 2. 1. 2简支梁理论 采场顶板可假设为两端简支梁 （图2） ［17］， 沿梁中 性轴上、 下表面上任意一点的应力为 σ x γsinα2x - L 2 3γxx - L cosα h ，（2） 式中，α为矿体倾角，（） ；L为沿梁跨度， m；h为沿梁 高度， m；γ为岩体容重， 104N/m3。 最大拉应力发生在沿梁中性轴的下表面， 最大 拉应力为 σmax 3γL2cosα 4h - hγtan2αcosα 12 .（3） 因此， 顶板倾向的最大允许跨度为 L 4hσt 3γcosα - h2tan2α 9 1 2 ，（4） 顶板沿走向的最大跨度为 Lα 0 4hσt 3γ .（5） 目前， 小厂坝矿区采场顶板厚度为 6～12 m， 当 顶板厚度取6 m时， 采场极限跨度为54 m， 由于残采 区域现场实际情况复杂且区域岩体滞留时间较长、 金属矿山2020年第3期总第525期 30 ChaoXing 应力环境复杂， 岩体存在一定程度弱化， 考虑到残采 区域作业安全性， 本研究计算中顶板厚度取值为12 m， 通过计算得出L75.1 m。为进一步确保采场安全 性， 取安全系数0.8， 得出采场极限跨度为60 m。 3. 2. 2间柱参数合理取值 空场法采矿中间柱尺寸的合理选择对于限定顶 板暴露面积、 维护采场稳定起主导作用 ［9， 14-17］。假设 空场法采场矿房和间柱的跨度分别为Wo和Wp， 采用 间柱稳定性面积分析法进行讨论， 则间柱所受的平 均应力可进行如下计算 δp Wo Wp Wp Pz，（6） 式中，δp为间柱轴向平均应力， MPa；Pz为矿房开采前 应力场的垂直正应力分量， MPa。 空场法开采面积采出比的计算公式为 R Wo Wo Wp .（7） 将式 （6） 代入式 （7） 中， 可得 δp 1 1 - R Pz.（8） 由式 （8） 可见， 可由矿柱尺寸和作用于平行矿柱 轴线上采矿前法向正应力计算得到矿柱平均轴向应 力， 而矿柱的平均轴向应力由面积采出比确定。当 矿体厚大、 规整时， 面积采出比与矿柱跨度采出比相 同。根据 “无支护开采采用面积采出比0.75” ［17］的相 关经验， 同时结合老采空区空场与矿柱跨度比远远 大于0.75而长期保持稳定的条件， 本研究选择矿房 与矿柱跨度比31进行矿柱跨度设计， 即矿柱宽度为 20 m。 综上所述 残采区域采场极限跨度计算值为60 m， 由于偷采造成局部矿体成 “楼板” 状态， 造成采场 跨度60 m位置处间柱无法形成， 或成 “X” 形状， 无法 形成有效间柱。通过现场调研空区的赋存状态， 90 m位置处 （69勘探线） 可留有效间柱， 留置间柱宽度 为20 m， 由于65勘探线穿脉巷道为中段主要运输巷 道， 需永久保留， 故在实际采矿过程中对65勘探线处 间柱进行了加宽， 确定间柱宽度为30 m， 进而65～69 勘探线实际采场跨度约为 60 m， 顶板厚度为 12 m。 另外， 目前矿山正在进行充填系统建设， 该部分矿柱 资源可待充填系统建成后进行进一步回采， 以提高 矿产资源回采率和经济效益， 实现矿山持续稳定发 展。 4残矿回收方案研究 残矿回收只需在利用原有采矿工程的基础上进 行， 可以投入较少的工程量， 使采矿成本大幅降低； 同时要结合残矿形态及赋存条件提出经济上合理、 技术上可行的残矿回采方案。通过分析小厂坝矿区 65～71勘探线区域的残矿地质条件及现有的工程基 础， 本研究提出了3种回收方案， 即间柱内深孔凿岩 分层爆破回采方案 （方案一） 、 上下盘脉外深孔凿岩 分层爆破回采方案 （方案二） 和下盘脉外深孔凿岩分 层爆破回采方案 （方案三） 。 （1） 间柱内深孔凿岩分层爆破回采方案 （方案 一） 。在残矿体下盘各分层掘进脉外巷道， 下盘各分 层脉外巷道通过斜坡道连接； 垂直于矿体走向方向， 在间柱内掘进分层凿岩巷道， 在矿房两侧的间柱凿 岩巷道向矿房内钻取扇形深孔， 利用深孔爆破对矿 房内的矿石进行回采。矿房回收方式见图3。 （2） 上下盘脉外深孔凿岩分层爆破回采方案 （方 案二） 。在残矿体上下盘各分层掘进脉外巷道， 各分 层脉外巷道通过斜坡道连接； 垂直于矿体走向方向， 在分层脉外巷道内通过深孔钻机钻取扇形孔， 通过 深孔爆破回采矿房。矿房回收方式见图4。 （3） 下盘脉外深孔凿岩分层爆破回采方案 （方案 三） 。在残矿体下盘各分层掘进脉外巷道， 各分层脉 外巷道通过斜坡道连接； 垂直于矿体走向方向， 910 m 以上各分层在脉外凿岩巷道内通过深孔钻机钻取扇 形孔， 通过深孔爆破回采矿房。矿房回收方式见图 5。 以上3种回采方案都可以有效回收65～71勘探 线区域的残矿资源， 但考虑到残矿回采区域内遗留 下大量空区和 “楼板” ， 且遗留下来的间柱不规范， 在 间柱内进行凿岩爆破条件不成熟， 存在安全隐患， 无 法满足方案一的施工要求， 因此不推荐方案一； 方案 二和方案三都是在矿体外围的围岩中作业， 安全上 可靠， 但方案二是在矿体上下盘脉外巷道凿岩， 与方 案三对比， 方案二掘进工程量增加一倍， 投入的工程 量较大， 且矿体上盘脉外巷道较下盘脉外巷道应力 环境高， 上盘脉外巷道需要采取必要的支护措施， 而 方案三中凿岩巷道全部位于矿体下盘， 巷道相对稳 定， 但其缺点是凿岩的深孔较深， 对凿岩钻机的要求 较高， 但从安全、 工程投入等方面综合考虑， 方案三 优于方案二。综上分析 65～71勘探线残矿回收时 推荐采用方案三， 即下盘脉外深孔凿岩分层爆破回 采方案。 5残采矿体采准工程环境改造 5. 1采准工程改造的必要性 随着浅表资源消耗殆尽， 资源开采不断向深部 发展， 深部岩石所处的环境具有高围压、 高温度和高 空隙压力的特点， 并具有极强的时间效应， 使得深部 2020年第3期刘慧等 复杂开采环境下残矿回收方案研究与实践 31 ChaoXing 岩石的组织结构、 力学特性和工程响应发生了根本 性变化， 因而难以根据浅部开采条件下的地质作用 特征和地压显现规律来准确推断深部开采的地质状 况。故而有必要大力提倡 “非传统采矿” 理念，“采矿 环境再造” 理论无疑是采矿技术创新和发展的源动 力 ［18-21］。 金属矿山2020年第3期总第525期 32 ChaoXing 本研究残矿回收工程所涉及的采矿环境再造技 术主要为采准环境再造。由于65～71勘探线区域残 采地段没有底部结构、 区域暴露面积较大， 导致工人 在没有任何防范措施的条件下作业， 因此回采安全 性没有保障， 故在900 m中段的基础上， 再造底部结 构， 既可提高出矿效率， 又能确保回采安全。 5. 2采准工程环境再造 5. 2. 1采准工程环境再造方式 根据目前该区域的矿体赋存情况， 有两种底部 结构再造方式可供选择 ①902 m水平采用再造钢筋 混凝土人工底部结构； ②902 m水平以下重新布置底 部结构。 902 m水平采空区范围较大、 滞留时间长， 若采 用钢筋混凝土人工底部结构， 存在工程量大、 施工安 全条件差、 劳动强度高、 施工周期长及构筑成本高等 突出不足。而902 m水平以下重新布置底部结构具 有以下优势 ①902 m水平以下矿体保存完整， 未进 行回采； ②850 m中段具备矿石运输条件， 只需要实 施相关溜井工程既可； ③通过溜井与振动放矿机相 结合， 可以实现矿石的连续开采。可见， 选择在902 m水平以下再造底部结构较为适宜。 5. 2. 2底部结构型式确定 小厂坝矿区矿石围岩以黑云母石英片岩、 大理 岩、 白云石大理岩为主， 岩石较完整， 坑道成形， 工程 地质条件良好， 残采区域矿体厚大， 采准工程宜垂直 于矿体走向布置。目前采场出矿设备为铲运机， 矿 山采用分段凿岩阶段空场法回采厚大矿体时均采用 了堑沟底部结构出矿， 工人和技术人员对该结构的 出矿方式均已熟练掌握， 现场操作简单易行。因此， 底部结构型式宜采用垂直于矿体走向方向的堑沟底 部结构。 5. 2. 3底部结构布置参数确定 一般矿山底部结构高度为8～15 m， 目前厂坝矿 区采用的底部结构高度为10 m， 李家沟矿区底部结 构高度为12 m。实践证明， 两个矿区底部结构高度 取值较为合理。考虑到本研究残采区域矿体埋藏相 对较深， 加之910 m水平以上残留矿体回采过程中矿 石落矿对底部结构的冲击较频繁， 所以适当增加底 部结构高度， 选取高度值为14 m， 即在888 m水平布 置底部结构工程。 堑沟底部结构工程主要包括受矿巷道 （堑沟巷 道） 、 出矿巷道、 出矿短穿及堑沟。巷道断面尺寸均 选取为2.8 m2.8 m， 1/3B圆弧拱 （B为巷道宽度） ； 堑 沟巷道与出矿巷道间隔布置， 间距取12～15 m； 出矿 短穿连接堑沟巷道与出矿巷道， 与出矿巷道呈 45 角， 间距8 m。具体布置形式如图6所示。 堑沟角度的确定需结合松散矿石自然安息角及 其他多种因素综合考虑， 残采区域的松散矿石安息 2020年第3期刘慧等 复杂开采环境下残矿回收方案研究与实践 33 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ 角为39～41， 最终确定的堑沟斜面角度为47。 经过2 a左右的残矿回收工作， 该区域已采出矿 石达 10 万 t 采出 PbZn 矿石品位 7， 贫化率为 24.7， 损失率为14.3。同时对该区域主要区域及 工程进行了地压监测， 在矿房回采结束后1 a左右的 时间内， 预留顶柱和间柱没有发现局部冒落、 片帮、 裂缝或剥落等现象， 主要工程设施完好， 达到了预期 效果。实践表明该残矿回收方案技术可行、 参数确 定科学合理， 可供同类型矿山借鉴。 6结论 （1） 小厂坝矿区残矿回收区域滞留时间距今10 a 以上， 滞留时间较长； 残矿回采区域处于中深部开采 环境， 地下采场地应力大； 区域岩体在采动影响下处 于循环加载的应力环境中， 回采区域残矿矿岩体具 有复杂的蠕变性； 残矿处于复杂的开采环境中， 对回 采造成了一定的影响。 （2） 基于理论计算对该区域采场结构参数取值 进行了优化， 确定的采场极限跨度为60 m， 确定间柱 宽度为20 m， 顶柱厚度为12 m。 （3） 以开采技术条件及现有工程为基础， 提出并 优化论证了下盘脉外深孔凿岩分层爆破回采方案的 技术可行性及经济合理性。 （4） 针对回采区域902 m水平不能进行正常的采 准工程布置， 无法形成正常的底部受矿通道 （底部结 构） 的情况， 结合 “采矿环境再造” 理念， 对残采区域 的底部结构进行了采矿环境再造， 分析了902 m水平 以下再造底部结构的可行性， 并确定了在888 m水平 再造底部结构， 其结构型式采用垂直于矿体走向的 堑沟， 堑沟斜面角度为47。 参 考 文 献 古德生， 李夕兵.有色金属深井采矿研究现状与科学前沿 ［J］ .矿 业研究与开发， 2003 （S1） 1-5. 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