地下采空区顶板矿体露天开采的工艺.pdf

地下采空区顶板矿体露天开采的工艺 长沙矿山研究院 宋嘉栋 Ξ 王 坚 摘 要栾川钼业公司露天矿区存在大量形态各异的地下采空区。露天开采地下采空区 顶板矿体,必须探清地下采空区的形状,确定露天开采末台阶的最小安全厚度,选择合理的爆破 参数和孔底到采空区顶板的合理高度。 关键词地下采空区顶板矿体 露天开采 末台阶高度 1 地下采空区顶板矿体的 开采技术条件 洛阳栾川钼业公司钼矿储量是世界上最 大的钼矿储量之一。矿体走向长度大于 1420m,倾向延深大于1120m。厚度一般为80 ～150m,最大厚度达364m,平均厚度126m。 矿石以矽卡岩型为主,钼品位较高,并含钨 和铼等,选别性能好。矿石结构致密坚硬, 性脆。矿体属于极稳固类型,但处于氧化带 的矿体顶板节理裂隙发育,稳固性较差。 80年代,许多矿主在矿区内用非正规 的空场采矿法进行了地下开采,残留形状各 异大小不等的地下采空区53个,总体积约 5760万m3。几乎整个矿区内的矿体中均 有采空区分布,采空区之间有不规则的矿柱 分隔,采空区跨度2～50m ,高度2～11m。 在垂直面上,部分地段多层采空区重叠出 现,分布高度最大达176m ,采空区之间的顶 底柱厚2～8m。绝大部采空区出露地表的 硐口被露天基建大爆破的岩石覆盖,已无法 恢复进入采空区的通道。地下采空区顶板 均为经露天剥离后其厚度为22～112m的 矿体。该矿体的上盘的形状取决于原地质 形态,较平整简单,下盘的形状取决于采空 区形状,比较复杂。 有关专家曾经提出了两种开采地下采 空区顶板矿体的方法。一种方法是用高浓 度全尾砂胶结充填采空区后,用露天开采方 式回采采空区顶板矿体。另一种方法是露 天开采方式回采至一定高度后,用VCR采 矿法将采空区顶板矿体崩落到地下采空区 内,再用电铲出矿。 全尾砂胶结充填采空区,需建立耗资约 3000万元的充填系统和至少花费75000万 元的充填费。由于在垂直面上有采空区重 叠出现和各采空区之间的通道大部分是开 拓采准巷道,给充填所有采空区造成了非常 大的困难,生产效率低。充填后,位于充填 体下部的矿层只能地下开采,或者只有当清 除充填物后才能露天开采,用VCR采矿法 处理采空区易形成空区顶盖和岩墙,给出矿 造成困难,危害较多,大型钻机和电铲机械 等不能进入回采工作面。另外,这种方法不 能达到矿山所需要的12000t/ d采矿规模。 我们所采用的方法是,用露天开采方式 回采全部采空区顶板矿体。该法按露天台 阶开采方式循环渐进,不存在以上两种方法 的缺点。其主要工艺是,首先探清地下采空 区的形状和确定采空区顶板台阶的最小安 41 Ξ 宋嘉栋 工程师 湖南长沙 410012 全厚度,再根据最小安全厚度和钻孔设备确 定末台阶高度和根据其它因素选择其余爆 破参数,然后进行回采。 2 地下采空区的探测 探测地下采空区形状和体积是由地震 CTComputed Tomography技术,即地震波 计算机层板成象技术来完成的。该技术是 近十多年来地球物理学界的一个前沿热门 课题,应用领域正在不断地扩展。长沙矿山 研究院已具有性能优良的测试仪器及其分 析计算软件。 地震CT技术的关键是图象重建过程, 一般使用三种实现图象重建的方法,即代数 再现法、 趋势面分析法和弯曲射线追踪法。 表1是部分采空区的基本情况。 表1 栾川钼业公司露天矿部分地下采空 区赋存参数 编号 顶 板 标高m 平 均 高度m 平 均 跨度m 面积 m 2 体积 m 3 8 14122. 114. 0978. 62055. 0 9 141110. 020. 09896. 491867. 5 12 14032. 13. 0185. 0388. 5 13 14076. 515. 0742. 54826. 3 14 14005. 011. 0332. 51659. 0 16 13999. 020. 02936. 026553. 6 17 13932. 016. 0612. 51225. 0 18 13816. 014. 04815. 024733. 0 19 13846. 615. 01405. 06923. 0 22 137812. 013. 0520. 05200. 0 在实际探测过程中,由于施工环境的影 响,地震波的激发、 接收条件、 仪器因素及各 种人为因素的影响,使得实际采集到的数据 中会有大量误差,这些误差往往造成射线之 间互相矛盾,方程组严重病态,无法求解。 或者造成收敛缓慢,成象效果很差,必须有 效地消除这些误差影响,才能使地震CT技 术探测结果符合实际。 3 末台阶最小安全厚度的确定 露天开采采空区顶板矿体时,随着开采 的进行,生产台阶越来越接近采空区,即采 空区顶板矿体的厚度越来越薄。当厚度小 于一定数据时,就会发生塌陷,造成设备和 人员安全事故。在采空区顶板矿体中,最后 回采的台阶,我们称之为末台阶,它在人员 和采掘设备等的作用下,不发生塌陷破坏的 最小厚度称末台阶的最小安全厚度。末台 阶的最小安全厚度是保证采掘设备人员的 安全和有效地开采全部采空区顶板矿体的 关键。 确定末台阶最小安全厚度的方法主要 有工程经验类比法、 基于弹性理论的工程计 算法和有限元分析的电算摸拟法。我们主 要采用后两者。 3. 1 基于弹性理论的工程计算法 该法将末台阶看作是一个长方形的弹 性岩体介质的厚板,设 “板”,与四边岩体弹 性连接,并承受自重、 附加水和露天矿设备 重量。在计算中,设末台阶 “板” 的最小 安全厚度为h ,考虑到采空区形状各异、 跨 度大小不等,为安全起见,“板” 的跨度取采 空区的最大跨度L 50m ,设 “板” 的自重、 附加水重为均布载荷,露天矿设备为集中载 荷。把载荷分解为富里埃级数,进行推导演 算,求得σx、σy、τxy应力方程,再根据岩体的 最大许用抗拉、 抗压和抗剪应力,反求 “板” 的安全厚度ho当取安全系数为1. 2 ,受爆破 震动影响的结构削弱系为4. 0时,求得末台 阶的最小安全厚度为17. 8m。 3. 2 有限元分析的电算模拟法 为判断某一单元是否进入塑性状态,采 用适合于岩土结构的有限元弹塑性分析专 用程序。屈服准则是德鲁克 普拉格准 则。其稳定性系数K按下式计算 K 2 C σ1thφ C σ2thφ / σ1-σ2 式中,c 岩体内聚力粘结力 ; φ 岩体内摩擦角; σ1、σ2 最小、 最大主应力。 在计算中约定,同类岩体作为各向同性 均质处理,岩体变形都是弹塑性变形范围。 51 在塑性变形中不考虑剖分单元的尺寸和形 状效应。计算模型是采空区跨度L 50m 的剖面。剖面的单元剖分全部采用任意四 边形等参单元。其边界条件是剖面两端的 节点均置水平约束,即X方向位移为0 , Y 方向垂直方向为自由。计算中的体积力 是重力,外载考虑了岩体的附加水和露天矿 最重的设备。地应力都是压应力,由现场实 测换算得到。地应力作为初始应力加到各 应力点上进行计算。 有限元分析的电算模拟结果,由于外载 荷和原地下开采的作用,采空区顶板矿体扰 动范围的厚度约为跨度的5/ 7 ,近似等于 18m。其中弯曲拱带约厚12m ,弯曲变形带 约厚6m ,即当末台阶厚度大于18m时,不 会发生破坏。 通过以上计算和分析,我们取末台阶的 最小安全厚度h 18m ,这一厚度与工程经 验比法相近。 4 末台阶的回采 4. 1 爆破参数的确定 末台阶以上的矿体用常规的露天台阶 方式回采。与末台阶以上的回采台阶比较, 末台阶的下盘是采空区,即台阶的上盘和下 盘都是自由面。末台阶高度是该台阶上盘 至采空区顶板的距离。它必须大于最小安 全厚度。但也不能太大,否则无法一次全厚 穿爆。中国南昌产KY250B型牙轮钻 机,最大钻孔深25m。所以我们规定末台阶 高度为18～22m。 末台阶采用多排孔微差爆破。爆破参 数的确定程序是,先确定最小的炮孔堵塞长 1、 炸药单耗q、 炮孔孔底距采空区顶板的合 理高度 △h和孔距a ,再求排距b。 最小而可靠的炮孔堵塞长度能充分利 用炮孔空间多装炸药,扩大孔网参数,充分 利用爆炸能量改善台阶上部岩石的破碎质 量 。最小炮孔堵塞长度是通过高速摄影观 测和分析研究确定的。试验研究表明,当爆 生气体从孔口冲出时的初始速度V0值控 制在100m/ s以内,爆炸能作用于破碎岩石 所受的影响不大,同时注意到炮孔的孔径 d、 堵塞长度l与爆生气体运动参数密切相 关。将试验孔中V0值小于100m/ s者,按 l/ d的大小进行分组分析。当l/ d 20时, 能获得最好的抑制效果。所以,最小炮孔堵 塞长l 20d。 根据Broberg相似定律,炸药单耗q通 过平面爆破漏斗试验确定。对21个爆破漏 斗试验数据进行回归分析,结果认为炸药单 耗q 0. 60～0. 65kg/ m3。 孔底到采空区顶板的合理高度 △h是直 接影响末台阶回采的关键参数之一。至今, 国内外尚未报导过确定这一参数的经验。 末台阶回采爆破时,炮孔的上部和下部 虽然都有两个自由面,但它们之间存在较大 的差别。炮孔上部是堵塞物约束。下部是 原生矿体,而且抵抗线总比上部要大。可见 孔底到采空区顶板的高度 △h不等于炮孔 塞长度l。通过混凝土模拟试验发现,爆破 效果好时,△h与l成正比,同时与炮孔排距 b有关。因此,我们设定 △h/ l K,△h/ b K′ 。通过模拟和现场试验,得 △h/ l 0. 50 ～0. 55 ,△h/ b 0. 50～0. 70。在确定爆破 参数时,由于b是最后确定,所以,我们按 △h/ 1 0. 50～0. 55选取 △h。同时保证满 足0. 50b △h 0. 70b的条件。实际爆破 设计中,取 △h 3m。 炮孔孔距a通过台阶平面双爆破漏斗 试验,根据爆破漏斗的最佳抵抗线和开阔角 按几何图形计算,a 10～12m ,爆破中取a 11m。通过计算,炮孔排距b 4m。 爆破设计布孔时,在末台阶下盘没有采 空的情况下,应考虑炮孔超深1. 0～1. 8m。 爆破自由面处无采空区时,第一排孔的最小 抵抗线W ,根据爆堆坍散距离与岩石移动 速度而定。依电铲作业要求,爆堆坍散距离 61 宜控制在30～35m。通过高速摄影观测和 回归计算,爆后岩石移动速度应控制在 8. 4m/ s ,即Q1/ 3/ W应等于1. 3左右。前排 孔的堵塞长度一般等于W。 图1 栾川钼业公司露天矿地下采空区顶板矿体某回采区爆破施工图 4. 2 回采施工 图1为栾川钼业公司露天矿地下采空区 顶板矿体某回采爆破施工图。末台阶的回 采,采用KY250B型牙钻机穿孔,钻头直径 d 250mm。炮孔平面呈三角形布置。为了 确认采空区顶板的实际位置,保证 △h的精 度,获得好的爆破效果,在平面上每隔一定距 离布置一个穿透末台阶回采层的探测孔。采 空区形状复杂和采空区边界不明确处适当加 密探测孔。探测孔同时又是爆破孔。探测孔 和其它穿透末台阶回采层的炮孔,装药前用 铁丝悬吊木塞堵住孔底口。然后在孔内木塞 上方填3m砂子或岩粉和细小碎石。炸药为 多孔粒状铵油炸药。炮孔堵塞物为钻孔矿岩 粉。当矿岩粉不够时用细砂或细小碎石堵 塞。采用复式导爆索传爆,导爆管起爆,排间 微差间隔时间为25ms。KW4型电铲装 矿,铲装时若遇到原采空内矿柱,采用QZ 100K简易钻机处理。 穿孔时,当孔位遇到浮碴不能正常穿孔 时,用黄泥加少量石灰和水护孔。 5 结语 栾川钼业公司露天矿在1408～1428m 标高之间,进行了12次末台阶回采爆破,采 矿288万t。延米爆破量51. 7m3/ m ,炸药 实际单耗0. 61kg/ m3。大块较少,块度比较 均匀,1000mm以上大块的重量仅占爆破体 总重量的1. 2 ,300～900mm的块石占 80 重量比以上。爆破中未出现冲孔现 象,爆破效果好。工作台阶无塌陷,采空区 顶板无残留和欠爆破矿体。对矿山的采矿 生产能力和安全无任何影响。开采实践充 分证明,只要探明了地下采空区的形状,确 定末台阶的最小安全厚度,有适宜的钻孔设 备,选用合理的爆破参数和回采工艺,地下 71 采空区顶板矿体可以用露天开采方法来开 采。这样可以节省充填系统的投资和充填 费用,保证正常台阶回采过渡到末台阶回采 时,生产工艺连续。能有效地回采地下采空 区顶板上全部矿体,同时也证明 1地震CT技术探测采空区形状和体 积误差小,基本上能反映地下采空区的实际 情况。 2可以采用基于弹性理论的工程计算 法和有限元分析的电算模拟法来确定末台 阶的最小安全厚度,而且适用可靠。 3回采末台阶矿体的爆破参数合理, 工艺先进。 参考文献 1.孙广忠.岩体结构力学.北京科学出版社,1988 2.徐芝纶.弹性力学简明教程.北京人民教育出版 社,1979 3.刘鸿文.材料力学.北京人民教育出版社,1979 4.陶颂霖.凿岩爆破.北京冶金工业出版社,1986 5.张莲玉等.爆炸气体的力学基础.北京北京工业 学院出版社,1987 6.恽寿榕等.爆炸力学计算方法.北京北京理工大 学出版社,1995 7.崔俊芝等.有限元法分析.北京科学出版社, 1983 上接第19页 合均匀并倒入70. 770. 770. 7mm试模 中,凝固后脱模并放入塑料袋中密封养护, 到规定时间测其无测限单轴抗压强度。设 计 目 标 强 度 3d达0. 35MPa , 7d达 0. 70MPa ,28d达1. 05MPa。 3 实验结果与讨论 全尾砂胶结充填材料的固体浓度为 80 ,砂灰比为20 1 ,另加早强剂以水泥 重量计算 , 试验结果如表3。 表3 全尾砂胶结充填材料中早强剂作用 的试验结果 早强剂 抗压强度MPa 3d7d28d 目标强度0. 350. 701. 05 基准样00. 340. 681. 23 Na2SO420. 350. 761. 33 40. 370. 671. 14 Na2CO320. 390. 651. 82 40. 370. 731. 75 CaCl220. 390. 781. 96 40. 360. 762. 06 NaOH20. 320. 811. 28 40. 340. 721. 08 从表3可看出在全尾砂胶结充填料固 体 浓 度、 砂 灰 比 不 变 条 件 下Na2SO4、 Na2CO3、CaCl2、NaOH在全尾砂胶结充填材 料中都没有明显的早强作用。这一结果表 明,由于全尾砂胶结充填料中细粒级尾砂的 存在,抑制了这些化学早强剂的作用,反之 也说明了尾砂可能参与了化学反应。试验 中还发现掺入NaOH对充填料浆有塑化作 用,这可能是NaOH与尾砂发生作用释放 出尾砂颗粒表面的表面活性剂磨矿或选矿 时掺入或者生成了新物质的结果。 4 结论 1 Na2SO4、Na2CO3、CaCl2 和NaOH 在全尾砂胶结充填材料中都没有明显的早 强作用。 2 NaOH对全尾砂胶结充填料浆具有 塑化作用。 参考文献 1.丁其光,杨 强,汪镜亮,等.尾矿利用 环境与 发展的重要选择.中国矿业,1995 ,41 8～11 2.冶金部长沙矿山研究院等编.充填采矿法.北京 冶金工业出版社,1978. 352～524 3.沈 威,黄文熙,闵盘荣,等.水泥工艺学.武汉 武汉工业大学出版社,1991. 245～255 81