西石门铁矿北区高应力破碎矿体崩落法开采技术_宋德林.pdf

西石门铁矿北区高应力破碎矿体崩落法开采技术 宋德林 1 任凤玉 2 刘德祥 3 阚景文 3 孙丁丁 3 （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厚中厚矿体， 且地压显现严重， 属于极度难采矿体。矿山 采用无底柱分段崩落法开采， 开采中存在设备运行不畅、 采场结构不稳、 巷道破坏严重等问题。为缓解高应力破碎 条件带来的开采问题， 从设备选型、 采场结构参数确定、 巷道布置方式及回采顺序、 支护措施等方面对回采技术进 行了改进。在确保设备运行顺畅的前提下， 确定了软弱围岩条件下铲运设备需由1.5 m3增大至2 m3， 巷道断面尺寸 应由3 m3 m增大至3.2 m3.1 m； 综合考虑巷道稳定性、 矿体条件、 凿岩能力、 满足放出体发育等条件， 确定了采 场结构参数为分段高度13 m、 进路间距12 m； 以适应地压活动规律为原则确定了回采进路以垂直走向布置为佳， 开采顺序为从已采矿体边界向上盘退采； 分析了地压严重以及开挖后易短时间冒落的围岩支护要求， 提出了超前 锚杆U型钢拱架的支护措施； 根据散体流动参数确定了最小边孔角为50， 根据出矿口废石的出露位置将崩落步 距调整为1.6 m。上述参数和支护措施在西石门铁矿北区高应力破碎矿体开采过程中得到了成功应用， 增强了无 底柱分段崩落法开采该类矿体的适用性。 关键词无底柱分段崩落法缓倾斜矿体破碎矿体高应力厚中厚矿体采场结构参数围岩支护 中图分类号TD861文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -03-041-07 DOI10.19614/ki.jsks.201903006 Caving Mining Technology for High Stress Fractured Orebody 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 and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 3. Xishimen Iron Mine， China Minmetals Corporation Hanxing Mining Co.， Ltd.， Handan 056303， China） AbstractThe new prospecting orebody in the northern area of Xishimen Iron Mine belongs to gently inclined， fractured and thick to medium thickness orebody with serious ground pressure， which is extremely difficult to mining.Pillarless sublevel caving mining is adopted in the mine， problems such as poor operation of equipment， instability of stope structure and roadway failure seriously are existed during the mining process.In order to alleviate the mining problems caused by high stress and fragmentation， the mining technology is improved from the aspects of equipment selection， determination of stope structur- al parameters， roadway layout， mining sequence and support measures.On the premise of ensuring smooth operation of equip- ment， it is determined that the scraper should be increased from 1.5 m3to 2 m3and the roadway section size should be in- creased from 3 m3 m to 3.2 m3.1 m under the condition of weak and soft surrounding rock； the section height is 13 m and the route spacing is 12 m which are determined by considering the stability of roadway， orebody conditions， rock drilling capac- ity and the development of discharge body； based on the principle of adapting to the law of ground pressure activity， it is deter- mined that the mining route is better laid out vertically and the mining sequence is better to withdraw from the boundary of the orebody to the upper wall； supporting requirements of the surrounding rock with large ground pressure and easy to fall in a short time after excavation are analyzed， and the supporting measures of advanced bolt and U-shaped steel arch are proposed； the minimum side hole angle is 50， which is determined according to the flow parameters of bulk， and the caving step is adjust- 收稿日期2019-01-11 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。 采矿工程 总第 513 期 2019 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 513 March 2019 41 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 ed to 1.6 m according to the outcropping position of waste rock at the ore outlet.The above parameters and support measures have been successfully applied in the mining process of high stress fractured orebody in the northern area of Xishimen Iron Mine， therefore， the applicability of mining such orebodies of sublevel caving mining without bottom pillar is enhanced. KeywordsSublevel caving mining without bottom pillar， Gently inclined orebody， Broken orebody， High stress， Thick to medium thickness orebody， Stope structural parameter， Surrounding rock supporting 我国铁矿床经过数十年的高强度开采， 赋存条 件好的易采资源已逐步开采殆尽， 高应力矿床、 松软 破碎矿床、 形态难采矿体等难采资源逐渐投入开 采。该类难采资源开采条件恶劣， 目前开采利用率 较低 ［1］， 亟待研究经济适用的安全开采技术。针对各 类难采矿体， 各矿山依据实际条件采取了不同措施进 行资源回收， 西石门铁矿南区含不稳矽卡岩层的缓倾 斜中厚与厚矿体采用 “自落顶、 设回收进路” 采场结构 和 “崩落卸压” 开采方案， 解决了顶板处理、 采场残矿 回收、 采准巷道遭地压破坏等生产难题 ［2-3］； 谦比西铜 矿矿体赋存条件差， 采动地压大， 采用了包括分段 卸压崩落法、 分段卸压与让压组合崩落法、 导流放 矿技术、 分流出矿崩落法在内的新型分段崩落法工 艺技术体系， 解决了巷道和采场塌冒、 损失贫化大 的问题 ［4］； 喀拉通克铜镍矿采用开采环境再造深孔 诱导崩矿充填采矿法开采了极不稳固的急倾斜厚 中厚矿体 ［5］； 拜什塔木铜矿选用下向进路膏体充填法 开采， 解决了围岩稳定性差、 拱架失稳和巷道冒顶等 问题 ［6］； 张家洼铁矿矿岩软弱、 矿体缓倾斜， 采用无底 柱分段崩落法进行开采， 在改进回采顺序的基础上， 确定了合理的支护等级， 解决了回采过程中巷道大面 积垮冒、 两帮收敛等问题 ［7］； 小官庄铁矿矿体倾角缓、 矿岩软弱破碎、 地压条件复杂， 应用崩落法开采， 在开 采中设计了合理的回采顺序， 综合采用了 “三强” 开采 （强掘、 强凿、 强采） 、“卸压” 开采等技术措施， 选用了 合理的支护形式和参数， 通过加强施工管理使开采顺 利进行 ［8］； 针对程潮铁矿由于矿柱存留形成的高应力 区矿体， 通过综合采用无底柱分段崩落法卸压开采、 增大分段高度和进路间距、 采用光面爆破、 集中作业 强化采掘等措施， 使得高应力矿体得以安全高效开 采 ［9-10］。目前， 对于难采矿体回采技术的研究主要针 对难采条件较少的情形， 针对多种难采条件叠加情形 下的矿体回采技术研究涉及较少。 西石门铁矿为我国冶金系统著名的难采矿山之 一， 多年来应用崩落法进行开采 ［11］。该矿北区新探 矿体为缓倾斜厚中厚矿体， 不仅形态上难采 ［12］， 而 且矿岩破碎、 采动压力大， 多种难采条件叠加使得开 采条件更加恶劣。本研究以西石门铁矿北区新探矿 体为例， 针对面临的多个开采难题， 从设备选型、 采 场结构参数确定、 巷道布置方式及回采顺序、 支护措 施等方面对崩落法开采技术进行研究， 以实现该类 复杂难采矿体安全高效开采。 1矿体开采条件 西石门铁矿北区西翼-6～-10勘探线之间的矿 体赋存标高为120～ -30 m （地表标高270 m） ， 上部 倾角较陡， 在0 m水平附近急剧变缓 （图1） 。目前， 倾 角较陡的矿体已采完， 采空区已冒透地表， 现对下部 缓倾斜矿体 （又称新探矿体） 进行开采。该矿体倾角 约10， 厚度厚中厚， 赋存标高为12～-30 m。上盘 围岩为灰岩， 中等稳定不稳定； 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。受楔形体压力作用， 拱架变形、 顶板 冒落等地压显现事件频发， 严重影响了矿山开采的 正常进行。 2采场结构及开采参数确定 采场结构参数是开采方案首先需要确定的内 容， 无底柱分段崩落法的采场结构参数主要有分段 高度 （H） 、 进路间距 （S） 、 崩矿步距 （L） 以及巷道断面 尺寸。 2. 1巷道断面尺寸选择 一般来说， 破碎围岩巷道宜采用小尺寸断面小 42 ChaoXing 2019年第3期宋德林等 西石门铁矿北区高应力破碎矿体崩落法开采技术 型铲运设备。当巷道底板松软多泥时， 经铲运机反 复碾压后， 路面短时间内会呈现中间凸、 两侧凹的状 态。使用小型出矿设备时， 因底盘低、 动力不足， 运 行易受阻， 导致路面维修频繁、 生产效率低。采用底 盘较高、 马力更大的铲运机， 可确保顺畅出矿。西石 门铁矿在软破矿体开采时铲运机由1.5 m3（离地间隙 200 mm） 更换为2 m3（离地间隙300 mm） ， 出矿效率提 高， 路面修复频率降低， 由运行不畅到每天清理一次 即可， 巷道尺寸 （宽高） 由3 m3 m增大至3.2 m 3.1 m。尽管巷道断面尺寸增大， 巷道稳定性将有所 降低， 但相较于铲运机运行受阻而言， 增大巷道断面 尺寸后采取措施维护其稳定性更易实现， 可通过调 整采场尺寸、 优化巷道布置形式和回采顺序、 进行合 理支护等方式实现。 2. 2分段高度和进路间距确定 对于矿岩稳定性好的矿山， 首先确定分段高度， 然后选取其他结构参数 ［13］， 可满足巷道稳定性要求； 对于矿岩破碎的矿山， 稳定性因素应首先考虑。 进路间距对回采巷道稳定有重要影响。若进路 间距过小， 则间柱较窄， 承载能力不足， 进路持续破 坏， 巷道支护和修复工作繁重， 生产效率低。因此进 路间距应保证开挖后留下的间柱尺寸能够满足采场 稳定要求， 即 S≥bW，（1） 式中， S为进路间距， m； b为进路宽度， m； W为维持采 场稳定的最小间柱宽度， m， 可根据矿山实际经验、 经 验公式或模拟计算等方法获得。 为获得良好的回采指标， 采场结构应确保放出 体与顶面及侧面矿岩接触同时相切。可按散体有效 流动区域确定进路间距与分段高度的关系。进路采 用菱形布置方式时， 进路间距与分段高度的关系可 表示为 ［14］ S5 1 2 βH α μb，（2） 式中， H为分段高度， m；α、β为散体流动参数； μ为与 废石漏斗在进路顶板的出露宽度有关的系数， 采用 截止品位放矿方式时， μ取0.75； 采用低贫化放矿方式 时， μ取0.1～0.6。 分段高度不仅受矿体条件 （如倾角、 厚度） 的影 响， 还受矿山凿岩设备能力制约。随着分段高度增 大， 回采炮孔长度增大， 凿岩设备工作效率降低。通 常进路采用菱形布置方式时， 图2中位于1位置的炮 孔长度最大。因此， 分段高度和进路间距还应满足 以下条件 H S-b 2 cotθ≤lz，（3） 式中， b为进路宽度， m；θ为最小边孔角，（） ；lz为凿岩 设备的有效凿岩能力， m。 一般来说， 当矿体铅直厚度条件允许时， 分段高 度越大， 一次崩落矿量越多， 生产强度越大， 采准系 数越小， 生产成本越低 ［15-16］。但分段高度过大， 矿体 条件无法满足三分段回收条件时， 矿石损失贫化较 大。此外， 分段高度越大， 矿体的下盘损失也越大。 因此， 分段高度选取时还应尽可能满足三分段回收 条件， 分段高度和进路间距需根据矿体条件、 采场稳 定性要求、 凿岩装药设备能力、 满足放出体发育等要 求综合确定。 西石门铁矿北区原采场结构参数为进路间距10 m， 分段高度13 m， 进路尺寸 （宽高） 3.2 m3.1 m。 该采场结构下， 进路之间的间柱宽度仅为6.8 m， 加之 爆破振动和掘进超挖， 使得实际间柱宽度远小于6.8 m， 受压后松动圈之外可承载尺寸很小， 总承载能力 低， 进路两帮和底脚持续破坏。根据现场经验， 当高 应力破碎矿体部位的进路间距增大至12 m时， 进路 掘进后， 间柱承载力能够满足巷道稳定性要求， 因此 进路间距不宜小于12 m。矿山采用YGZ-90型钻机 配TJ-25型台架钻凿回采炮孔， 应用BQ-100型装药 器装药， 炮孔深度不宜超过18 m。回采时最小边孔 角为50， 进路尺寸为3.2 m3.1 m （宽高） ， 在进路 间距不小于12 m的前提下， 根据凿岩设备能力， 分段 高度不应超过14 m。矿体赋存标高为12～-30 m， 根 据三分段布置原则， 分段高度也不应超过14 m。当 散体流动参数α＝1.289，β＝0.281时，μ取0.6， 根据式 （2） 计算可知， 在进路间距不小于12 m的情况下， 分 43 ChaoXing 金属矿山2019年第3期总第513期 段高度H应不小于13.5 m。 综合考虑， 在开采高应力破碎矿体时， 分段高度 取13 m， 进路间距取12 m。 2. 3最小边孔角度确定 最小边孔角确定时既要考虑凿岩爆破效果， 又 要顾及到崩落矿石的流动性。若边孔角过大， 崩落 矿石量小， 爆破形成的 “V” 型槽过窄， 矿石流动空间 有限， 放出体发育不充分， 同时增加下一分段的最大 凿岩深度， 凿岩效率会降低； 若边孔角过小， 超出了 崩落矿石的流动范围， 导致超出移动范围的崩落矿 石无法放出， 下一炮排爆破时受夹制作用影响， 爆破 效果差 ［17］。确定最小边孔角应遵循的原则为 ①沿 抵抗线方向， 具有可供爆破矿石碎胀的条件， 使边孔 能够有效爆破； ②受凿岩设备功率影响， 边孔角尽可 能小， 以便减小下分段炮孔的最大深度。根据上述 原则， 需根据散体流动特性确定边孔角大小 ［18］。 根据矿石流动性， 西石门铁矿北区新探矿体开 采时回采炮孔的最小边孔角θ取50 （图3） 。 2. 4崩矿步距确定 在分段高度与进路间距已经确定的条件下， 如 果崩矿步距过小， 正面废石率先到达出矿口； 如果崩 矿步距过大， 顶部废石率先到达出矿口 ［19］。 根据废石在端部出矿口出露位置的高度， 容易 判别废石来自顶面还是端部正面 ［16］。如图4所示， 如 果废石出露部位较低且四周被矿石包裹， 表明废石 来自端部正面， 此时崩矿步距过小， 应加大崩矿步 距； 如果废石靠近出矿口眉线， 呈 “高位薄层” 流出， 表明废石来自顶面， 此时崩矿步距过大， 应减小崩矿 步距。因此， 崩矿步距需要根据实际生产情况逐步 寻优确定。西石门铁矿矿石与岩石颜色差异较大， 混杂的矿岩易于区分， 因此， 容易观察到废石最早出 露的位置 ［16， 20］。本研究通过预先确定崩矿步距初始 值， 再根据正常生产条件下出矿口信息进行调整， 使 之逐步达到合理值， 最终确定的西石门铁矿北区崩 矿步距为1.6 m。 3巷道布置方式及回采顺序 3. 1巷道布置方式 对于受楔形体压力作用的部位， 在垂直于矿体 走向方向上压力先增大后减小。当垂直于矿体走向 布置巷道时， 在巷道截面上， 巷道顶板受力可认为是 均匀的， 可视为受均布载荷作用， 如图5 （a） 所示； 当 沿脉布置巷道时， 在巷道截面上， 巷道顶板受力不 均， 可视为受非均匀分布载荷作用， 如图5 （b） 所示。 在总荷载相同的情况下， 巷道顶板在非均布载 荷作用下产生的最大弯矩和最大剪应力均位于载荷 较大的一端， 且大于均布载荷条件下产生的最大弯 矩和最大剪应力 ［21］。因而巷道顶板在非均布载荷较 大的一端更容易发生破坏， 并且在载荷较大的一段 巷帮受到的顶板压力更大， 载荷较小的一端压力小， 从而造成巷道两帮发生不均匀变形。因此， 在非均 布载荷作用下， 巷道更容易发生破坏失稳， 从而导致 在楔形体压力作用下的岩脉巷道变形大于垂直布置 44 ChaoXing 2019年第3期宋德林等 西石门铁矿北区高应力破碎矿体崩落法开采技术 的巷道变形。可见， 在楔形体地压作用部位， 巷道垂 直走向布置更佳。 3. 2回采顺序 若矿体由上盘向下盘方向开采， 即朝向崩落区 前进式回采， 在回采工作线接近倾斜矿体开采形成 的空区时， 两者之间的矿柱由于应力叠加， 应力将远 大于楔形体形成的高应力， 导致巷道破坏更加严重， 甚至无法开掘巷道， 进而留下大量矿石无法开采。 锡矿山南矿在生产中曾利用免压拱处理类似高应力 采场 ［22］， 其实质为， 先开采高应力采场两侧矿体， 待 形成的空区大冒落后， 支承压力从原来高应力采场 转移到采场两侧空区外侧， 形成一个大的免压拱， 高 应力矿体处于冒落后形成的免压拱内， 待应力降低 后再进行开采 ［23］。由于西石门铁矿北采区倾斜矿体 开采形成的空区已冒透地表， 从而失去支撑条件无 法形成免压拱， 进而无法利用高应力区外的矿体 （图 1中原岩应力区内的矿体） 开采后冒落形成的免压 拱， 对楔形体压力范围内的矿体进行卸压， 因此从上 盘向下盘朝向崩落区前进式的回采方式不可取。 从已采矿体边界进行退采时， 虽然楔形体产生 的应力会随之向上盘转移， 使缓倾斜矿体都在较高 的应力状态下开采， 但从现场来看， 在该应力状态下 巷道仍可掘进， 并且拱架支护后可维持一段时间。 因此， 合理的开采顺序为从已采矿体边界向上盘退 采， 同时加强支护， 延长巷道使用时间。 3. 3矿山工程布置 根据上述设计的采场结构参数和巷道布置方 式， 确定的矿山工程布置形式如图6所示。联巷存在 时间长， 垂直于矿体走向布置， 进路存在时间短， 沿 矿体走向布置。该布置形式相比于垂直于矿体走向 布置进路减小了工程量。如图7所示， 矿体突起时， 若垂直于矿体走向布置进路， 从下盘联巷通往矿体 时， 每条进路都要经过相当长的一段岩体， 而沿脉布 置进路时， 仅需开掘2～3条联巷进入。分段高度13 m， 进路间距12 m， 崩矿步距为1.6 m， 在0 m水平增加 一个分层作为首采分段， 最后分段在矿体下盘围岩 设置回收进路提高矿石回收率。根据垂直方向上可 回采的分段数划分了不同的回采区域， 并分别制定 了损失贫化的控制措施。 4支护措施 由于围岩自稳时间短， 开挖后短时间内即发生 冒落， 为形成较为安全的掌子面作业条件， 需要对围 岩进行预加固； 此外， 地压较大， 主体支护结构要求 具有足够大的支护强度且形成封闭空间， 为防止落 块危害， 也需要进行围岩加固。本研究采用超前锚 杆预加固U型钢拱架联合支护措施。超前锚杆采用 直径1.5寸无缝圆管， 长度3 m， 进入围岩2.2～2.4 m， 外留0.6～0.8 m， 锚杆安装倾角5～10， 锚杆间距0.15 m， 每2个进尺一排， 每排布置20～30根， 一般情况下 每2～3排拱架布置一排超前锚杆， 如图7 （a） 所示。拱 架采用20Mn-25型U型钢， 间距一般为600～800 mm， 稳固性差的地段应减小拱架间距， 柱腿焊接规格为 200 mm150 mm100 mm （长宽高） 的钢垫板， 防止拱架下陷造成不稳。拱架上部间隙用 “对开木” 或圆杂木充填， 对于间隙1 m以上的充填应确保充填 物与围岩紧密接触。梁腿搭接量不小于300 mm。 5落矿及回采 回采时， 在拱架支护条件下施工扇形中孔， 凿岩 设备为YGZ90型凿岩机。炮孔扇面倾角90， 最小边 孔角50， 崩矿步距1.6 m， 每排8～9个炮孔， 炮孔直径 70 mm， 孔底距1.8～2.2 m。由于矿石破碎， 炮孔长时 45 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 间存在容易发生变形， 因而最多一次施工4～5排炮孔 后开始回采。 落矿时首先拆除拱架， 一次一个排距， 约 2～3 架。拱架拆除时先用电焊割断卡缆螺母， 然后用铲 运机将拱顶拉出， 再拉出拱腿， 之后疏通炮孔、 装 药。炮孔在拱架拆除时会随着破碎围岩掉落一定 高度， 因此， 设计孔口不装药长度为2～3 m。拆下的 拱架经压力机修复后可用于支护强度要求低的部 位。 6结论 （1） 巷道底板松软多泥时， 宜选用通过性好的大 尺寸设备， 巷道断面尺寸也应进行相应调整。 （2） 对高应力破碎矿体采用无底柱分段崩落法 开采时， 进路间距的确定需首先满足巷道稳定性要 求， 然后再根据矿体条件、 凿岩装药设备能力、 满足 放出体发育等要求综合确定分段高度。 （3） 根据散体流动规律确定最小边孔角， 根据出 矿口废石的出露位置调整崩落步距， 根据地压活动 规律确定巷道布置原则及回采顺序， 采用适合于高 应力破碎矿体开采的超前锚杆拱架支护方式等综 合技术措施， 在西石门铁矿北区高应力破碎矿体开 采中得到了成功应用， 可为类似矿体进行崩落法开 采提供有益参考。 参 考 文 献 郭金峰.我国复杂难采矿床开采的问题与对策 ［J］ .金属矿山， 2005 （12） 10-13. 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