挑檐式结构无底柱阶段崩落采矿法试验研究_周宝坤.pdf

挑檐式结构无底柱阶段崩落采矿法试验研究 周宝坤 1 赵德智 1 姚宝顺 1 高聪 1 谷鑫 1 陈晓青 1， 2 （1. 辽宁科技大学矿业工程学院， 辽宁 鞍山 114051； 2. 辽宁科技大学院士专家工作站， 辽宁 鞍山 114051） 摘要崩落采矿法在实际生产过程中矿石损失贫化较难控制， 放矿过程中废石漏斗的形成与破裂是造成矿 石损失贫化的主要原因。为延缓放矿过程中废石漏斗的形成和到达放矿口的时间， 提出了一种挑檐式结构的无底 柱阶段崩落采矿法。该方法以阶段为单位， 使得每个下分段都超前其上分段一个挑檐距离， 在回采巷道工作面形 成挑檐结构， 回采工作都在其正上方挑檐结构的遮掩下进行。为验证挑檐结构方案的放矿效果， 利用多分段放矿 模型进行了挑檐结构下放矿和传统结构下放矿2组物理模拟试验， 认为在保持矿石回采率80的情况下， 挑檐结 构的矿石贫化率可降低5.3个百分点。在弓长岭井下矿-280～48 m段4-5号穿脉进行了挑檐结构工业性试验， 分 别对挑檐结构和原结构进行了9个崩矿步距回采的放矿跟班测定。结果表明 挑檐结构与原结构相比， 贫化率可 降低3.8个百分点， 主要原因是挑檐结构可阻挡顶部覆盖岩石， 使其向本分段崩落矿石后方移动， 而不出现侧漏现 象， 提高了纯矿石放出量， 矿石贫化减小。上述分析进一步表明 挑檐结构方案施工简单， 适用于中等稳定以上矿 体地下开采。 关键词地下开采无底柱阶段崩落采矿法挑檐结构矿石损失贫化废石漏斗物理模拟试验 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-021-06 DOI10.19614/ki.jsks.201905004 Experimental Study on Non-pillar Stage Caving Mining with Overhangs Structure Zhou Baokun1Zhao Dezhi1Yao Baoshun1Gao Cong1Gu Xin1Chen Xiaoqing1， 22 （1. School of Mining Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China； 2. Academician Workstation， University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China） AbstractIt is difficult to control the ore loss and dilution by caving mining s in the actual operation， and the for- mation and rupture of mullock funnel is the main cause of ore loss and dilution in the process of ore drawing.In order to delay the ation of mullock funnel and the time of overlying rock arriving at the ore drawing point in the process of ore drawing， a non-pillar stage caving mining with overhangs structure is carried out.Using this ， each lower sublevel is pulled ahead of its upper sublevel by an overhangs distance， and an overhangs structure is ed on the working face of mining road- way.The mining work is conducted under the cover of the overhang structure that is right above it.In order to verify the ore drawing effects of overhangs structure， the multi-sublevel ore-drawing model is used to carry out two groups of similarity simu- lation experiments regarding the overhang structure and traditional ore-drawing. The experimental results show that the ore di- lution rate of the overhangs structure can be reduced by 5.3 when the ore recovery rate is maintained at 80. In Gongchan- gling underground mine， the overhangs structure of 4-5 perforating veins in -280～48 m section is tested.The overhangs struc- ture and the original structure are measured by drawing shift with nine caving steps.The study results show that compared with the original structure， ore dilution rate of the overhangs structure can be reduced by 3.8， the main reason can be described as that the overhangs structure can break the overburden rock falling down directly， and oblige them moving to the behind of the caved orebody in this sublevel， thus， the amount of pure ore drawing out is increased， and the dilution is reduced.The above study results further indicated that the overhangs structure scheme is simple to construct， and it is suitable for under- ground mining of orebodies above medium-stable level. 收稿日期2019-03-12 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51174110） ， 辽宁省教育厅科学技术研究项目 （编号 009702） ， 辽宁科技大学实验室开放基金项目 （编 号 SYSKF2018038） 。 作者简介周宝坤 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者陈晓青 （1967） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 21 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 KeywordsUnderground mining， Non-pillar stage caving mining ， Overhangs structure， Ore loss and dilution， Mullock funnel， Similar simulation experiment 崩落采矿法是一种通过崩落围岩来控制地压的 地下采矿方法， 具有高效率、 成本低、 适用范围广等 优点， 在世界范围内得到了广泛应用 ［1］。该方法由于 采用覆盖岩下放矿方式， 矿岩直接接触， 导致矿石损 失贫化大 ［2-4］。为降低矿石损失贫化， 近年来大量学者 进行了卓有成效的研究。吴爱祥等 ［5］、 陶干强等［6］通 过研究无底柱分段崩落法的结构参数对放矿指标的 影响， 得出了结构参数与放矿指标之间的关系式， 从 而确定了合理的结构参数； 胡杏保等 ［7］通过对无底柱 分段崩落法的不同回采顺序进行研究， 分析了其对矿 石损失贫化的影响， 认为尽可能减小放矿之间的落差 有助于降低矿石损失贫化； 刘兴国等 ［8］、 何兴荣等［9］从 基于现场的放矿管理、 设备配套、 爆破问题等方面对 无底柱分段崩落法进行了研究， 取得了较好效果； 张 国建等 ［10］研究了崩落法松散覆盖岩层自然分级和矿 岩粒度对矿石损失贫化的影响， 为降低损失贫化提供 了新途径； 张永达等 ［11］、 余一松等［12］研究了端部放矿端 壁倾角对放矿指标的影响， 为指导矿山生产提供了理 论依据； 董鑫等 ［13］利用SLS系统进行模拟试验， 分析 了无底柱分段崩落法矿石隔离层下放矿理论的可行 性； 陈庆发等 ［14］参照经典放矿学理论， 基于相似原理 构建了物理试验模型， 对柔性隔离层下单漏斗放矿 放出体、 松动体、 空腔等的演化规律进行了分析； 程 爱平等 ［15］、 李本录等［16］探索了无贫化和低贫化放矿 机理， 并进一步讨论了无贫化和低贫化放矿方法的 可行性。 造成崩落法矿石损失贫化大的影响因素较多， 上述研究成果均在不同程度上改善了损失贫化指 标， 但崩落法矿石损失贫化大的问题并未得到有效 解决。事实上， 放矿过程中形成的废石漏斗在放矿 口破裂是造成矿石损失贫化大的最直接原因， 目前 国内外对废石漏斗的控制研究较少。延缓废石漏斗 的形成， 或延迟废石到达放矿口的时间， 能够有效改 善覆盖岩下端部放矿的矿石损失贫化问题， 极大提 高矿石回采率。本研究提出一种挑檐式结构的无底 柱阶段崩落采矿法， 由于挑檐结构的存在， 对顶部覆 盖岩石起到遮挡作用， 使得废石漏斗到达放出口的 时间滞后， 放矿过程中不出现侧漏， 提高纯矿石的放 出量， 降低矿石贫化率 ［17］。通过物理模拟试验对比 分析挑檐结构和传统结构的纯矿石放出量、 矿石贫 化率、 矿石回收率等指标， 并在弓长岭井下矿进行挑 檐结构工业性试验， 进一步讨论该方法的有效性。 1废石漏斗对损失贫化的影响 端部放矿过程中， 随着矿石的放出， 同时在顶 部、 两个侧面和正面形成了4个废石漏斗， 如图1所 示。崩落矿石在这4个漏斗中间包裹着被逐渐放出， 如果某个漏斗提前到达放出口， 意味着贫化开始， 并 很快达到截止品位， 被迫停止放矿， 造成大量崩落矿 石无法放出 ［18-20］。 要降低矿石损失贫化， 关键是控制4个废石漏斗 的形成， 并使其不过早到达放出口， 为矿石大量放出 创造条件 ［21］。正面废石漏斗可通过调整崩矿步距进 行控制。影响顶部和两侧废石漏斗的结构参数 （分 段高度和进路间距） 很难调整， 矿山一旦采准结束， 分段高度、 进路间距很难更改。因此， 解决该问题的 关键是在不改变分段高度、 进路间距的情况下， 有效 控制顶部和两侧废石漏斗的形成并且延迟废石漏斗 到达放矿口的时间。 2挑檐式结构无底柱阶段崩落采矿法 挑檐式结构无底柱阶段崩落采矿法将矿体划分 为阶段， 在阶段内再划分为分段， 上下分段回采巷道 呈菱形交错布置， 凿岩、 爆破与出矿都在回采巷道内 完成， 在覆盖岩层下进行回退式开采。回采时以阶 段为单位， 回采高度等于阶段全高， 阶段内各分段从 回采巷道一端开始， 先切割， 再连续回采， 使得阶段 内每个分段端部回采到同一个垂直位置， 各分段端 壁整体呈垂直状态， 如图2 （a） 所示； 阶段的最顶分段 停止回采， 以下各分段依次继续回采， 直至每个下分 段都超过其上分段一个挑檐距离， 完成如图2 （b） 所 示的端部挑檐结构准备工作。 在回采巷道内采用预先集中凿岩方式布置上向 扇形中深孔， 阶段内各分段按由上而下的顺序依次 22 ChaoXing 周宝坤等 挑檐式结构无底柱阶段崩落采矿法试验研究2019年第5期 爆破一个崩矿步距。再按由上而下的顺序依次在各 分段回采巷道出矿， 阶段内各分段一直保持挑檐结 构， 直到回采完阶段各回采进路， 再开始下一阶段的 回采。 挑檐距离D通常取1.5～3 m， 该值选取需满足以 下条件 （1） 挑檐距离不宜过小， 须保证爆破后的崩落矿 石在其上方挑檐结构的遮挡范围内， 否则， 挑檐结构 对下部放矿口的放矿不起保护作用， 如图3 （a） 所示。 （2） 挑檐距离不宜过大， 如果超过崩落矿石按自 然休止角在回采巷道的自由堆落位置时， 则会在工 作面出现一个空区， 影响爆破装药， 如图3 （b） 所示。 基于上述取值条件，D值可按下式计算 Hcotα≥D≥ξB， 式中， H为巷道高度， m； α为崩落矿石自然休止角， （） ； ξ为矿石爆破膨胀系数； B为一次崩矿步距， m。 挑檐结构方案是在传统崩落法的基础上， 当阶 段内每个分段端部回采到同一个垂直位置时， 在回 采巷道工作面形成挑檐结构， 除最顶分段外， 其余 各分段都在其上方挑檐结构的遮挡范围内进行回 采。该方案施工简单， 适用于中等稳定以上矿体地 下开采。 3物理模拟试验 3. 1放矿模型 放矿模型采用木条和有机玻璃材料制作， 几何 比为1 ∶ 60， 挑檐结构模型尺寸为0.5 m0.3 m1 m （长宽高） ， 传统放矿模型尺寸为0.4 m0.3 m 1 m （长宽高） 。共布置3个分段， 进路按菱形布 置， 同分段布置2～3条进路。模型结构参数与矿山实 际结构参数取值如表1所示。 3. 2试验材料 矿石采用弓长岭井下矿的磁铁矿， 岩石采用白 云岩。矿岩材料经过破碎和筛分成所需粒径， 并按 矿山实际情况进行相似性配比。矿石和废石粒径级 配组成如表2所示。 3. 3模型装填与出矿 模型装填前， 首先在模型上标记崩矿步距大小， 用隔板以标记的崩矿步距为基准将矿石与废石区域 隔离。采用平行作业方式向放矿模型内装填矿石和 废石， 首先向模型内装填矿石， 再向模型内装填废 石， 从第3分段依次向上装填， 将3个分段依次装填 完毕后， 继续在矿岩上部装填废石形成上部覆盖 岩。放矿模型原理如图4所示， 图4 （a） 中 “1～4” 为传 统试验放矿口编号， 图4 （b） 中 “1～7” 为挑檐结构的 放矿口编号。对放矿模型逐分段进行放矿， 出矿过 程保持全断面均匀出矿。 23 ChaoXing 金属矿山2019年第5期总第515期 3. 4试验分析 3. 4. 1试验现象分析 各放矿口按一定顺序进行放矿， 传统放矿4放出 口不同时段的放矿情况以及挑檐结构6放出口不同 时段的放矿情况如图5所示。 由图5 （a） 可知 在第2分段放矿结束后， 2个放矿 口上方形成了近似于 “W” 形的覆盖岩， 第3个分段在 该覆盖岩下进行放矿， 刚开始放出纯矿石， 随着放矿 的进行， 上分段相邻进路废石在放矿口两侧以2条较 细的倒抛物线形状降落， 继续放矿， 两侧废石漏斗不 断变粗并向中央靠拢， 顶部废石漏斗随之下降， 最终 3个废石漏斗在放出口汇合， 形成1个较大的废石漏 斗， 造成大量矿岩混杂， 使大量矿石无法有效放出。 由图5 （b） 可知 由于挑檐结构的存在， 顶部废石漏斗 下降较慢， 放矿过程未出现侧漏现象。 3. 4. 2试验数据分析 对挑檐结构6放出口和传统放矿4放出口的试 验数据进行了整理， 计算出当次放出矿石量、 放出岩 石量以及放出矿岩总量， 再计算矿石贫化率、 累计贫 化率等指标， 并对2种方法放出的纯矿石量、 贫化率、 矿石回采率进行对比分析， 结果如图6所示。 24 ChaoXing 由图6 （a） 可知 放出的纯矿石量一定时， 挑檐结 构当次贫化率曲线前期走势较传统方法缓， 后期变 陡； 传统方法曲线前期走势较陡， 后期逐渐变缓， 说明 挑檐结构方案前期废石混入较少， 传统放矿时废石提 前大量混入， 造成大量矿岩混杂。当贫化率一定时， 挑檐结构前期放出的纯矿石多于传统放矿， 后期挑檐 结构放出的纯矿石少于传统放矿， 说明传统放矿前期 没有放出的矿石必须在后期逐渐放出， 后期混杂时间 长， 贫化严重。可见， 挑檐结构能够有效延迟废石混 入的时间， 提高纯矿石的放出量。由图6 （b） 可知 当 总贫化率两者相等时， 放出纯矿石4 660 g， 矿石回采 率为84.7， 此时纯矿石已大量放出。由图6 （c） 可 知 当矿石回采率达到80时， 挑檐结构放矿的矿石 贫化率比传统方法放矿降低了5.3个百分点。 3. 5挑檐结构作用机理 传统放矿过程中， 随着矿石的放出， 顶部废石和 上分段侧面废石大致沿端壁垂直下降， 下降速度较 快， 最终废石漏斗到达放出口并破裂， 导致大量废石 混入， 如图7 （a） 所示。挑檐结构方案在放矿过程中， 由于挑檐结构的存在， 对顶部废石和上分段侧面废 石起到遮挡作用， 延缓了废石漏斗发育， 并且废石运 动轨迹发生变化， 向本分段崩落矿石后方移动， 废石 下降速度较慢， 如图7 （b） 所示。挑檐结构放矿过程 中不形成侧漏现象， 放矿口出现废石的时间滞后， 保 证了纯矿石得以大量放出， 放矿效果明显优于传统 放矿。 4工业性试验 在弓长岭井下矿-280～48 m段4-5号穿脉进行 了挑檐式结构工业性试验。不改变弓长岭井下矿原 无底柱分段崩落法结构参数， 在48 m分段构造挑檐 结构， 挑檐距离为3 m。在36 m分段 （第4分段） 进 行放矿数据采集， 回采工作在正上方挑檐结构的遮 掩下进行。在采场工作面分别对挑檐结构和原结构 进行了9个崩矿步距回采的放矿跟班测定， 统计放出 矿岩量、 混岩率， 并计算出放出矿石量、 岩石量、 矿石 贫化率、 累计贫化率等指标。试验表明 放矿前期放 出的纯矿石量明显增多， 矿岩混杂较以往得到有效 控制， 在保持现场试验崩落矿石回采率80的情况 下， 原结构累计贫化率平均约30.9， 挑檐结构累计 贫化率平均约27.1， 与原结构相比， 挑檐结构可降 低矿石贫化率约3.8个百分点。 5结论 （1） 在菱形布置回采巷道的崩落法中， 挑檐结构 可以将崩落矿石与其上部的覆盖岩石隔离开， 放矿 时延缓废石漏斗的形成并有效延迟废石混入时间， 减少矿石贫化， 提高纯矿石的放出量。挑檐式结构 方案对顶部废石和侧面废石有很好的控制作用， 但 难以对正面废石进行有效控制。 （2） 当矿石回采率为80时， 挑檐结构物理模拟 试验的贫化率降低了5.3个百分点， 并在现场工业性 试验中得到验证， 贫化率可降低3.8个百分点， 效果 明显。 （3） 挑檐结构方案是在无底柱分段崩落法的基 础上， 在回采巷道工作面形成挑檐结构， 挑檐结构除 最顶分段外， 每一分段顶部废石漏斗中的废石和上 分段侧面废石漏斗的废石均向本分段崩落矿石后方 移动， 放矿过程中不出现侧漏现象， 施工简单， 适用 于中等稳定以上矿体地下开采。 参 考 文 献 王青， 任凤玉.采矿学 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 2011. 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