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西石门铁矿缓倾斜破碎矿体崩落法开采 损失贫化控制 宋德林 1 任凤玉 2 刘德祥 3 阚景文 3 孙丁丁 31 (1. 内蒙古科技大学矿业与煤炭学院, 内蒙古 包头 014010; 2. 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819; 3. 五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿, 河北 邯郸 056303) 摘要西石门铁矿北区新探矿体为缓倾斜破碎的厚中厚矿体, 地压显现严重, 属于极度难采矿体。矿山 采用无底柱分段崩落法开采, 受矿体倾角和厚度限制, 开采中损失贫化较大。为制定损失贫化控制措施, 在研究矿 石散体流动规律、 矿岩冒落规律和损失贫化发生过程的基础上, 根据垂直方向上回采分段数量的差异将矿体划分 为不同开采区域, 分别制定了损失贫化控制措施。针对3个分段的回采区域, 因其贫化会较大, 主要制定的贫化控 制措施是实行当次废石混入率与单一步距总的放出量2项指标控制的低贫化放矿; 针对小于3个分段的回采区域, 若矿石被崩入空区, 由于下部分段无回收条件, 损失会较大, 需控制损失, 可采用双进路同步距回采的方式, 促使矿 岩快速冒落形成覆岩下放矿条件, 减少崩入空区矿石量; 另外总结了回采过程中脊部存留矿石问题的处理措施。 这些措施在西石门铁矿北区新探矿体开采过程中得以应用, 损失率为16.34, 贫化率为22.51, 效果良好。 关键词破碎矿体厚中厚矿体缓倾斜分段崩落法损失贫化控制 中图分类号TD853.36文献标志码A文章编号1001-1250 (2019) -08-007-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908002 Control of Ore Loss and Dilution in Mining of Inclined and Fractured Orebody by Caving in the Northern Mining Area of Xishimen Iron Mine Song Delin1Ren Fengyu2Liu Dexiang3Kan Jingwen3Sun Dingding32 (1. Institute of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science Technology, Baotou 014010, China; 2. School of Resources Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 3. Xishimen Iron Mine, China Minmetals Corporation Hanxing Mining Co., Ltd., Handan 056303, China) AbstractThe new prospected ore-body in the northern area of Xishimen Iron Mine is a gently inclined and fractured thick-medium orebody with serious ground pressure,which is extremely difficult to be mined. The pillarless sublevel caving is adopted in the mine. With limitation of dip angle and thickness of ore body, the loss and dilution rates are relatively high in the mining. In order to ulate control measures for ore loss and dilution, on the basis of studying the law of ore bulk flow, the law of caving and the occurrence process of loss and dilution, the ore body is divided into different mining areas ac- cording to the difference of the number of mining segments in vertical direction. So the measures for controlling ore loss and di- lution are ulated respectively. Aiming at the mining area of three sections, the dilution control measures are mainly u- lated due to higher dilution. The low dilution ore drawing are controlled by two indicators of the mixing rate of waste rocks and the total discharge amount of single step. For the mining area of smaller than three sections, and once the ore is caved into the goaf,resulting in higher loss rate due to the unconditional recovery of the lower section. Therefore,this loss need to be con- trolled. The double-way synchronous-distance mining can promote the rapid caving of ore and rock and the ore-drawing condition of overlying strata to reduce the amount of ore caved into the goaf. In addition,the measures to deal with the prob- lem of retained ore in the ridge during the mining process are summarized. These measures have been applied in the mining process of the new prospected body in the northern area of Xishimen Iron Mine with good effect of the loss rate 16.34 and the dilution rate 22.51. 收稿日期2019-06-05 基金项目内蒙古自治区高等学校科学研究项目 (编号 NJZY18151) 。 作者简介宋德林 (1986) , 男, 讲师, 博士。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 7 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 KeywordsBroken orebody,Thickness-Medium thick orebody,Gently inclined orebody,Sublevel caving mining, Lose and dilution control 缓倾斜厚中厚破碎矿体作为一种公认的难采 矿体 [1], 一直困扰着采矿工程技术人员, 而无底柱分 段崩落法以其安全、 高效和适应性强的优点, 可以较 好地适应该类型矿体的开采, 但损失贫化大是该法 开采此类矿体存在的主要问题 [2]。如何采取措施减 少损失贫化, 对崩落法更好开采此类矿床、 拓展崩落 法应用范围意义很大。对于崩落法开采类似矿床损 失贫化控制措施, 国内外进行了许多有益的研究 胡 建华等 [3]认为对于缓倾斜中厚矿体, 适当降低采场结 构参数, 采用低贫化放矿管理方式, 有利于提高矿石 回收率, 降低贫化率; 大顶山矿采用 “垂直分区” 、“组 合放矿” 、 下盘切岩开采上分段下盘围岩辅助回收 小进路回采下盘残留矿石等工艺并通过优化炮孔布 置与优化切割爆破参数等技术措施, 较好地解决了 缓倾斜矿体条件下无底柱分段崩落法矿石损失和贫 化严重的问题 [4-5]; 谦比希铜矿缓倾斜中厚破碎矿体 开采中使用双进路分流出矿技术方案取得了较好的 回采指标 [6]; 西石门铁矿南Ⅱ区采用堑沟落矿与进路 退采出矿相结合的无底柱分段崩落法改进方案及上 下双工作面回采形式, 解决生产中出现单分段回采 与残矿损失大等突出问题 [7-8]; 张志贵等[9]对大结构参 数无底柱分段崩落法在缓倾斜中厚矿体中应用的可 行性进行了实验及理论研究, 表明在缓倾斜中厚矿 体条件下, 下盘残留矿量的回收是关键, 只要下盘退 采充分, 大结构参数方案仍具有可行性; 刘娜等 [10]研 究了矿山崩落法开采过程中矿石损失贫化的发生过 程并据此提出了细部控制方法, 解决损失贫化居高 不下问题; 叁沟矿Ⅳ号缓倾斜中厚矿体采用小结构 参数、 在矿体下盘设置回收进路、 增大崩矿步距、 回 采进路采用低贫化放矿、 回收进路采用截止品位放 矿等措施取得了良好的回采指标 [11]; Zhang Z X[12]通 过改进崩落法起爆方式以增加崩落矿石破碎程度, 提高了回收率。这些研究在缓倾斜中厚矿体崩落法 开采的损失贫化控制中取得了较多成果, 但针对缓 倾斜厚中厚且破碎更为复杂条件下的损失贫化控 制措施的研究尚少。本项目以西石门铁矿北区新探 矿体为背景, 在研究其散体流动规律和矿岩可冒性 的基础上, 本着开采措施与矿山三率相适应的原则, 制定该矿山缓倾斜厚中厚破碎矿体崩落法开采中 的损失贫化控制措施。 1矿体开采条件及方案 西石门铁矿北区西翼-6~-10勘探线之间的矿 体, 上部倾角较陡, 在0 m水平附近急剧变缓, 目前倾 角较陡的矿体已采完, 现对下部缓倾斜部分矿体 (又 称新探矿体) 进行开采。该矿体倾角约10, 厚度厚 中厚, 赋存范围在12~-30 m之间。上盘围岩为灰 岩, 中等稳定到不稳定; 矿体为矽卡岩型磁铁矿, 不 稳定; 下盘围岩主要为闪长岩, 中等稳定; 在矿体下 盘夹有薄层蚀变闪长岩与矽卡岩, 遇水严重泥化, 不 稳定。矿体软弱破碎、 缓倾斜、 厚度厚中厚, 还存 在地压大、 掘进易冒落、 矿石流动性差等问题, 属于 极度难采矿体 [13-14]。 无底柱分段崩落法结构简单, 采切工程对矿岩 破坏小, 采用进路回采, 顶板暴露面积小, 适合北区 新探矿体矿岩不稳的条件, 因此矿山决定采用无底 柱分段崩落法对该部分矿体进行开采。采场结构如 图1所示, 进路沿走向布置, 分段高度13 m, 进路间距 12 m, 崩矿步距1.6 m, 在0 m水平增加1个分层作为 首采分段, 在最后分段采用在矿体下盘围岩 “设置回 收进路” 的方式提高矿石回收率 [15], 采用从空区边界 向上盘开采的方式进行开采。 8 ChaoXing 宋德林等 西石门铁矿缓倾斜破碎矿体崩落法开采损失贫化控制2019年第8期 受矿体倾角和厚度限制, 开采中损失贫化较大, 为此需研究制定损失贫化控制措施。 2矿石散体流动参数测定和矿岩可冒性分析 在使用和设计崩落法时, 散体流动性和矿岩的 可冒落性 (或可崩性) 是重要的参考指标, 采矿活动 与散体流动规律和岩体冒落规律相适应是取得良好 回采指标的前提。因此首先进行散体流动参数测定 和矿岩可冒性分析。 2. 1散体流动参数测定 进行放矿实验 [16], 采用达孔量法测定西石门铁 矿北区新探矿体放出体形态, 如图2。端部出矿时放 出体曲面方程 [17]为 y2 β1z α1 x-kz α 22 βzα ω1lnH z ,(1) 式中,ω (αα1) /2; H为放出体高度;α、β为沿进路方 向的散体流动参数;α1、β1为垂直进路方向的散体 流动参数; K为壁面影响参数。 用式 (1) 对图2放出体回归拟合 得到西石门铁 矿北区新探矿体端部放矿的散体流动参数值α 1.289,β0.281,α11.132,β10.506, K0.095, 回归 相关系数R0.99。因α、α1<ln2, 表明放出体上部较 窄、 下部较宽, 即矿石散体具有粘滞性、 流动性较差。 2. 2矿岩可冒性分析 由点荷载试验和结构面调查分别获得岩石和顶 板灰岩的单轴抗压强度和岩体完整性系数, 计算准 岩体强度, 见表1。 崩落出矿后, 在重力场作用下, 采空区的临界冒 落跨度 [18] L2 2hT γH ,(2) 式中, h为空区的高度, m; T为准岩体抗压强度, MPa, 可按单轴抗压强度Rc乘以岩体完整性系数估算; γ为 上覆岩层容重, t/m3;H为空区顶板埋深, m。 西石门铁矿北区地表标高为270 m, 则H270- H1h, H1为开采水平标高。回采时, 爆破出矿后空区 高度可按分段高度计算, 因此h取13 m。矿体赋存 在12~-30 m水平, 相较矿体厚度而言, 上覆灰岩厚 度大, 计算时上覆岩层容重统一取灰岩的, 即γ2.7 t/m3。将以上数据代入式 (2) , 可得出各类岩体在不 同开采水平下开采空区临界冒落跨度计算式 L6.2 T 283-H1 , -30≤H1≤12.(3) 计算得出矿石和顶板灰岩在不同开采水平的临 界冒落跨度值如图3所示, 在同一开采水平灰岩的临 界冒落跨度值大于矿石的, 随着开采水平的下降各 岩性的冒落跨度值略有减小。另外, 在实际生产中, 受爆破震动等因素影响, 实际临界冒落跨度将小于 计算值。在北区新探矿体的开采条件下, 回采时临 界冒落跨度值 灰岩<21.2 m, 矿石<17.7 m。 3损失贫化控制 3. 1 损失贫化分析 受矿体厚度与倾角限制, 在铅直方向上回采矿 体的分段数较少, 最多布置3个回采分段, 且被3个 分段回采的比例很小, 绝大部分被2个分段与1个分 段回采 (图1) 。在 “自落顶、 设置回收进路” 的采场结 构中, 通常第一分段进路在空场条件下出矿, 部分矿 石会被崩入空场内, 其中在放矿结束后存于巷道底 板上的矿石, 到第三分段回采时才被有效放出, 因 9 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 此, 在小于3个分段回采的区域, 矿石回采率低, 需控 制损失。 在3分段回采区域, 为充分回收下盘残留矿量, 第三分段需要崩落较高的下盘围岩, 由此引起的废 石混入量较大, 采出矿石贫化率大, 需控制贫化。 3. 2三分段回采区贫化控制 由于第三分段崩落岩石的高度较大, 回收进路 出矿时, 先放出纯岩石, 接着放出矿岩混合散体, 前 期矿石含量由小变大, 后期矿石含量由大变小, 最后 大量放出废石, 达到截止品位, 停止放矿。由于废石 放出量大, 回收进路的贫化率较大。为减小总贫化 率, 在3个分段回采区域的第一分段与第二分段进 路, 需要实施低贫化放矿方式, 即放矿到见覆盖层废 石立即停止放矿 [19]。 为消除冒落矿石中废石出露随机性的影响, 需 采用当次废石混入率与单一步距总的放出量2项指 标控制放矿。即在放矿前确定出覆盖层废石正常到 达出矿口时的放出量, 作为步距最大放出量, 当出矿 量达到该放出量, 同时出矿口见到废石连续放出时, 立即停止出矿, 转入下一步距回采。在出矿量达到 步距最大放出量之前, 按截止品位控制放矿, 即当次 废石混入率达到采出矿石品位下降到截止品位时, 才停止出矿, 否则继续放出。放出量Q与放出高度ZH 关系 [17]为 Q ββ1Aπ ω1 ZHω1,(4) 式中,Q为放出体体积, m3;ZH为放出高度 (铅直高度) , m;A为端壁余切系数,A 1 2 1 π ∫0 K βexp-u2du; K值 大小取决于壁面对散体的阻尼程度, 一般取K0.1~ 0.15。 将西石门铁矿北区新探矿体各参数代入式 (4) , 得出放出量与矿石层高度的关系 Q0.353ZH2.210 6.(5) 由于进路高度约为3 m, 则第一分段的矿石层 高度为10 m, 第二分段的矿石层高度为21 m, 代入 式 (5) 计算, 第一分段的步距最大放出量为57.3 m3, 第二分段的步距最大放出量为295.6 m3。采用斗容 2 m3铲运机出矿时, 取0.85的满斗系数, 第一分段每 一步距最多出矿 34 铲斗, 第二分段步距最多出矿 174铲斗。 为有效控制出矿, 每一步距需由采区技术组下 达步距出矿量, 出矿队按步距最大出矿量与工作面 废石出露情况控制出矿。 3. 3二分段与一分段回采区损失控制 在二分段回采区域, 第一分段崩入采空区的矿 石, 只有进路之间的小部分可在下分段回收; 一分段 回采区域, 崩入采空区的矿石没有回收条件, 将损失 于采空区内。为控制矿石损失率, 需消除或尽可能 减小崩入空区的矿石量。为使崩落矿石不进入采空 区, 就需要加速矿岩冒落, 由冒落矿岩充满采空区, 形成良好的覆岩条件。 在进路间距12 m情况下, 2条进路同时回采时, 上部矿、 岩即可超过临界冒落跨度, 顶板将迅速冒 落。另外, 通过现场观察, 矿、 岩在1条进路开采时已 可自行冒落。综合考虑计算值及现场实际, 2条进路 同时开采即可保证矿岩的快速冒落。因此, 回采时 采用双进路同步距回采方式 (图4) , 加快未崩落矿石 与上覆围岩的自然冒落进程, 形成覆岩下放矿条件, 减少损失。 4回采及脊部矿石处理 在拱架支护条件下透过木背板打扇形中孔, 凿 岩设备为 YGZ90 凿岩机, 炮孔直径 70 mm, 排距 1.6 m, 边孔角 45 , 孔底距 1.8~2.2 m。由于矿石破 碎, 炮孔长时间存在容易变形, 最多一次打4~5排炮 孔后开始落矿。落矿时先拆除拱架, 之后疏通炮孔、 装药, 作业人员在拱架后作业, 装药密度为 2.7~3 kg/ m。炮孔在拱架拆除时会随破碎的围岩掉落一定高 度, 设计孔口不装药长度为2~3 m。 在特别破碎部位拆除拱架后上部矿石即自行冒 落, 不需爆破。但由于矿石粘滞性大, 只有中间部位 的矿石放出, 两侧的矿石滞留, 损失大。若留至下分 段爆破回收, 由于炮孔太长, 凿岩效率低, 因此应在 本分段处理。可采取2种措施 ①出矿后, 在进路两 侧拱脚放置药包 (图5 (a) ) , 破坏拱脚, 促使上部矿石 冒落, 同时利用爆破振动, 激活两侧矿石流动; ②当 2~3条彼此相邻的进路同步回采时, 可将相邻侧进路 的回采炮孔加长, 补充爆破 (图5 (b) ) 。 10 ChaoXing [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] 5现场应用情况 北区新探矿体共有矿石 89.7 万 t, 地质品位 40.4, 共采出矿石96.84万t, 出矿品位31.3。回采 率108, 矿石损失率16.34, 贫化率22.51, 取得了 较好的生产指标。 6结论 (1) 西石门铁矿北区新探矿体缓倾斜厚中厚 且破碎, 选用无底柱分段崩落法开采, 需控制损失贫 化, 具体措施需与散体流动规律和岩体冒落规律相 适应。在三分段回采区, 可采用当次废石混入率与 单一步距总的放出量2项指标控制的低贫化放矿方 式, 控制贫化; 在单分段和二分段回采区, 可采用双 进路同步距回采方式, 促使快速形成覆岩下放矿条 件, 控制损失。 (2) 对于进路两侧未崩落或滞留的散体矿石, 可 采用在进路两侧拱脚放置药包爆破或在同步回采的 相邻进路加长炮孔爆破。这些技术在西石门铁矿破 碎矿体开采中应用良好, 达到的生产指标为矿石损 失率16.34, 贫化率22.51。 参 考 文 献 尹升华,吴爱祥. 缓倾斜中厚矿体采矿方法现状及发展趋势 [J] . 金属矿山, 2007 (12) 10-13. 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