陳宗林

(金川集團(tuán)公司二礦區(qū), 甘肅金昌市 737100)

膠結(jié)充填采礦工藝中存在的問題和改進(jìn)措施

陳宗林

(金川集團(tuán)公司二礦區(qū), 甘肅金昌市 737100)

對機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦工藝中采準(zhǔn)工程布置、盤區(qū)劃分、進(jìn)路回采、充填工藝、提高回采強度等方面進(jìn)行了分析,指出存在的采礦設(shè)備利用率不高、生產(chǎn)效率低下等問題,有針對性地提出了改進(jìn)方案和改進(jìn)措施。

膠結(jié)充填;采礦工藝;問題分析;改進(jìn)措施

金川集團(tuán)公司二礦區(qū)采用的采礦方法是機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法,該方法在長 100 m、寬為礦體厚度 (約 80～150 m)的采區(qū) (即盤區(qū))內(nèi),組織機(jī)械化開采。中段高 100～150 m,分段高 20 m,分段道沿走向布置,在上盤圍巖中布置分斜坡道連通上下兩個分段,每個盤區(qū)布置一條脈外溜井,溜井聯(lián)絡(luò)道與分段道連通,盤區(qū)分層聯(lián)絡(luò)道通向回采分層,分層高 4.0 m。回采進(jìn)路沿礦體走向布置或垂直礦體走向布置,進(jìn)路斷面 5 m×4 m。鑿巖采用雙臂電動液壓臺車,礦石運搬采用 H928D 6 m3鏟運機(jī)。進(jìn)路充填時先清底、吊掛鋼筋、板墻封口后采用高濃度細(xì)砂管道輸送膠結(jié)充填。采場通風(fēng)采用預(yù)留充填回風(fēng)小井方式,新鮮風(fēng)流通過分段道、分層聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場,在輔扇抽出 (負(fù)壓)作用下形成貫穿風(fēng)流排出采場。盤區(qū)生產(chǎn)能力為 118～132 t/班,勞動強度大,生產(chǎn)效率低,機(jī)械化開采的優(yōu)勢未充分發(fā)揮。

1 采礦工藝存在的問題

機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法見圖1。該采礦方法有較多的工藝優(yōu)勢和工藝特點,但隨著科技進(jìn)步,該采礦工藝也暴露出了許多與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)的問題和缺點,主要體現(xiàn)在以下幾方面:

圖1 機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法

(1)采準(zhǔn)工程量大、礦山工程投入多、采礦成本高。該采礦方法的采準(zhǔn)工程有分斜坡道、分段道、礦石溜井、溜井聯(lián)絡(luò)道、進(jìn)風(fēng)井及聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道、回風(fēng)充填聯(lián)絡(luò)道、預(yù)留假坑道等,采準(zhǔn)工程量十分巨大,采切比達(dá)到 3.609 m/kt。二礦區(qū)目前下降速度快的盤區(qū)采準(zhǔn)工程嚴(yán)重滯后,下降速度慢的盤區(qū)采準(zhǔn)工程則閑置,導(dǎo)致分段工程服務(wù)年限被迫延長,加大了返修工程量。充填采礦方法本身所固有的局限性,金川礦山幾乎每采出 1 m3礦石就要充填進(jìn) 1 m3混凝土,而且,為了給下一分層創(chuàng)造安全的作業(yè)環(huán)境,對充填體的要求很高,這就造成采礦成本居高不下。

(2)采礦方法開層困難、假頂層難做、預(yù)留工程量巨大。從二礦區(qū) 1150,1000 m兩個中段第一分層回采情況看,機(jī)采盤區(qū)開層十分困難。要形成完整的假頂層,至少要回采 3～4層才能完成,個別盤區(qū)直到第 5層、第 6層才能形成較為完整的假頂層。開層時片幫、冒頂時有發(fā)生,所有回采進(jìn)路均要全斷面支護(hù),既降低了生產(chǎn)效率,又增大了采礦成本。預(yù)留的假坑道受采礦擾動影響,變形破壞嚴(yán)重,造成采場通風(fēng)差,溫度高,影響生產(chǎn)效率的提高。

(3)盤區(qū)劃分和進(jìn)路布置不盡合理。目前,二礦區(qū)每 100 m劃分一個盤區(qū),形成一個分段布置 8個盤區(qū)相對獨立回采。由于受人力、車輛設(shè)備投入的限制,每個盤區(qū)只能布置一條分層聯(lián)絡(luò)道和配備一臺套采礦設(shè)備,造成小盤區(qū)車輛配備能力過剩,而大盤區(qū)則顯不足,設(shè)備效率不能充分發(fā)揮。因盤區(qū)長度小,無法布置兩條分層聯(lián)絡(luò)道,當(dāng)盤區(qū)轉(zhuǎn)層轉(zhuǎn)段時,盤區(qū)持續(xù)生產(chǎn)則受到限制,如果再采掘失調(diào),盤區(qū)生產(chǎn)更受影響。其主要表現(xiàn)在兩個方面:一是這種采礦方法所要求的采準(zhǔn)工程限制和進(jìn)路式采礦對設(shè)備鏟礦效率的限制,致使設(shè)備不均衡負(fù)荷運轉(zhuǎn),出礦效率低下,沒有發(fā)揮無軌設(shè)備在短距離內(nèi)能高效轉(zhuǎn)運礦石的能力,導(dǎo)致大型無軌設(shè)備的利用率沒有得到充分發(fā)揮;二是進(jìn)路式采礦的崩礦效率低—據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,每次崩礦量大約 120 t(進(jìn)尺約 2.4 m左右)左右,與最初設(shè)計的每炮進(jìn)尺 3.6 m相差甚遠(yuǎn),而且每個盤區(qū)每個班只能完成兩個循環(huán)。由于受到盤區(qū)長度小,脈內(nèi)預(yù)留風(fēng)井限制等因素的影響,盤區(qū)分層聯(lián)絡(luò)道、分層道布置相對固定,不能將盤區(qū)劃分為備采區(qū)、回采區(qū)、充填區(qū) 3大塊。生產(chǎn)工區(qū)為了完成生產(chǎn)計劃定額,在進(jìn)路回采時多開口、亂開口,充填區(qū)內(nèi)有回采,回采區(qū)內(nèi)有充填,造成回采區(qū)受充填影響泥水多、工業(yè)衛(wèi)生差,甚至無法回采。在充填區(qū)內(nèi)受采礦影響造成板墻不穩(wěn)跑灰漏漿,充填體強度大受影響。另外,還造成剛充填完就著急回采相鄰進(jìn)路,而使相鄰進(jìn)路的充填體后期強度形成受到很大影響,甚至導(dǎo)致其下分層頂板的開裂脫層。

(4)工業(yè)衛(wèi)生差。為了解決充填體假頂暴露時間長易產(chǎn)生冒落的安全隱患,保證充填接頂,采場充填時泥水多、排污困難,采場工業(yè)衛(wèi)生差。每條進(jìn)路回采結(jié)束,都必須人工砌充填擋墻、架設(shè)充填管線,在進(jìn)路內(nèi)敷設(shè)底筋和吊筋等,生產(chǎn)工人的勞動強度大。并且由于盤區(qū)內(nèi)部通風(fēng)效果較差,工人的體力消耗也比較大。

(5)盤區(qū)回采強度低。目前二礦區(qū)大盤區(qū)平均每年采出礦量 24萬 t左右,回采強度只有 12.5 t/m2·a;小盤區(qū)平均回采面積 9500 m2,回采強度為18.9 t/m2·a。目前國內(nèi)平均回采強度為 20～30 t/m2·a,金川礦區(qū)的盤區(qū)生產(chǎn)能力還達(dá)不到全國礦山企業(yè)回采強度的下限。機(jī)械化盤區(qū)設(shè)計的生產(chǎn)能力為 33萬 t/a,而多年的生產(chǎn)實踐表明,機(jī)械化盤區(qū)的實際生產(chǎn)能力只能達(dá)到原設(shè)計的 55%～70%,因此礦山為了完成既定的任務(wù)必須采用“廣種薄收”的辦法,所有的生產(chǎn)盤區(qū)全部生產(chǎn)才能完成公司的任務(wù),無備用盤區(qū)。

(6)礦石搬運距離大,生產(chǎn)效率低,材料消耗大。二礦區(qū)機(jī)械化盤區(qū)目前的平均運距均在 300 m以上(單程最大運距可達(dá) 480 m)。鏟運機(jī)平均往返時間 480 s,利用率不足 60%,鏟運機(jī)生產(chǎn)能力平均只有 72.5 t/h。同時給車輛帶來較大磨損,導(dǎo)致備品備件超耗,輪胎費用增加,生產(chǎn)成本上升。

2 改進(jìn)措施

2.1 采準(zhǔn)工程布置的改進(jìn)

采準(zhǔn)工程的改進(jìn)見圖2。

圖2 采準(zhǔn)工程改進(jìn)方案

(1)溜井布置在分段道內(nèi)側(cè)或者脈內(nèi)布置溜井。

(2)加大分段高度,由原來分段高 20 m服務(wù) 5層變?yōu)榉侄胃?24 m服務(wù) 6層。

(3)分層聯(lián)絡(luò)道呈樹枝狀布置。

其優(yōu)點在于:縮短鏟運機(jī)運距;減少采準(zhǔn)工程量,采切比由 3.609 m/kt降為 2.843 m/kt;鏟運機(jī)不出分段道,增加了分段道內(nèi)行人的安全性;因分段道距礦體較遠(yuǎn),降低了采礦對分段道的擾動,使分段道變形破壞因素減少,增加了分段道的穩(wěn)固性,減少了分段道的返修量。

2.2 優(yōu)化盤區(qū)尺寸

將目前每 100 m劃分一個盤區(qū),加大到每 140～150 m為一個盤區(qū)。

其優(yōu)點是:可將盤區(qū)再劃分為回采區(qū)、充填區(qū)、備采區(qū),使采充互不影響,既有利于充填體強度的養(yǎng)護(hù),又減少采場污染,還有利于提高生產(chǎn)效率;有利于轉(zhuǎn)層轉(zhuǎn)段;減少盤區(qū)數(shù)目后,有利于采礦設(shè)備的配備和備用,有時間有精力保養(yǎng)維修設(shè)備;有利于巷道返修維護(hù),不至于因返修巷道影響生產(chǎn)。

2.3 上下分層進(jìn)路交錯布置

如果沿上分層進(jìn)路方向布置下分層進(jìn)路,當(dāng)進(jìn)路開采時,充填體頂板形成懸臂梁;而交錯布置時則形成簡支梁,跨度僅為進(jìn)路寬度 (見圖3)。

圖3 同方向布置與交錯布置示意

根據(jù)梁受力狀態(tài)分析,懸臂梁剪應(yīng)力狀態(tài)見圖3B,簡支梁剪應(yīng)力狀態(tài)見圖3D。當(dāng)剪應(yīng)力大于充填體抗剪強度時,充填體頂板發(fā)生開裂、變形甚至冒落。

上下層回采進(jìn)路采用交錯布置時,可以消除上下兩層進(jìn)路平行布置時造成的懸臂梁作用,避免充填體頂板的應(yīng)力集中,提高盤區(qū)充填體頂板的整體穩(wěn)定性。進(jìn)路采用交錯布置方式后,不僅大大改變充填體頂板的受力狀態(tài),而且承受剪應(yīng)力最小,不必象以前那樣為了防止充填體頂板冒落而架設(shè)大量的木棚子,降低了生產(chǎn)成本,并為加大進(jìn)路斷面提供可靠依據(jù),使盤區(qū)生產(chǎn)能力提高近 15%。

2.4 充填工藝的改進(jìn)

(1)加厚擋墻,提倡兩次充填接頂,改變目前一次打底,二次補充,三次補口接頂?shù)某涮畲涡颉Ｆ鋬?yōu)點在于:減少了充填水并降低了水泥的用量,減少了采場污染次數(shù),便于充填準(zhǔn)備和充填管理,有利于提高充填效率。

(2)改變充填體內(nèi)吊筋布置。根據(jù)充填機(jī)理研究的理論數(shù)據(jù),充填體頂板主要承受拉應(yīng)力,應(yīng)力方向與吊筋方向垂直。吊筋相當(dāng)于錨桿,起錨桿支護(hù)的懸吊作用。當(dāng)進(jìn)路長度大于 50 m時,充填體強度很難抗衡橫向拉應(yīng)力和縱向剪應(yīng)力,充填體假頂易發(fā)生脫層,故吊筋的懸吊作用凸顯,建議適當(dāng)增加吊筋直徑,以增強充填體頂板的抗拉強度。

(3)充填底筋敷設(shè)方式改進(jìn)。底筋敷設(shè)原為人工進(jìn)行,鋼筋與鋼筋之間要靠手工方式在進(jìn)路里綁扎,勞動強度大,效率低,鋼筋的整體強度也很難保證?，F(xiàn)改為將鋼筋焊接加工成 2.25 m×4.25 m的網(wǎng)片,充填時運至井下進(jìn)行敷設(shè)。改進(jìn)后提高了勞動效率,鋼筋的整體性好,鋼筋網(wǎng)度比較均勻,有助于提高充填質(zhì)量。

(4)增設(shè)濾水裝置,使接頂更充分,減少接頂時的溢流量。將研究成功的濾水裝置用于生產(chǎn),嚴(yán)格按照新制定的充填技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)施工,將充填進(jìn)路中的水分及時排放出采場。

2.5 提高回采強度

主要從以下幾個方面改進(jìn):

(1)提高單炮進(jìn)尺。目前國際上最高的單炮進(jìn)尺已達(dá) 5 m以上,平均在 4.0 m左右,我國許多礦山的單炮進(jìn)尺也在 3.0 m以上,而二礦平均單炮進(jìn)尺只有 2.1～2.3 m。目前公司正在與中南大學(xué)合作進(jìn)行增大爆破進(jìn)尺的試驗研究,將研究的成果運用于生產(chǎn),再適當(dāng)配套一些獎勵政策,單炮進(jìn)尺達(dá) 3 m以上應(yīng)不成問題,單炮進(jìn)尺達(dá) 4 m也不是夢想。

(2)加強采場管理,合理調(diào)整回采順序,使進(jìn)路回采具有時效性、連續(xù)性和采充平衡性,也是提高盤區(qū)回采強度的重要因素。

(3)在大盤區(qū)靠近礦體上盤增設(shè)脈內(nèi)溜井,井深 20 m,直徑 3 m,底部安裝振動放礦機(jī),上部與采場連通。采場礦石直接在盤區(qū)內(nèi)運搬,大大減少了運礦距離,生產(chǎn)效率提高了 30%,加快大盤區(qū)的下降速度,對提高二礦區(qū)整體生產(chǎn)能力起到了關(guān)鍵作用。

3 結(jié)束語

機(jī)械化盤區(qū)下向分層水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法,雖然有許多優(yōu)點,比如適應(yīng)礦巖破碎穩(wěn)固性差經(jīng)濟(jì)價值高的金屬礦床開采,它的低貧化率和損失率也是其它采礦方法無法比擬的。對于金川二礦區(qū)厚大礦體穩(wěn)固性差、礦石經(jīng)濟(jì)價值高的礦床開采也是非常適宜的。但是,該采礦方法在礦塊布置上的確存在一定的缺陷,在采礦工藝上也存在一些問題,加之下向膠結(jié)充填采礦法自身所固有的局限性,成本高、效率低等缺點始終是制約金川鎳礦進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。與此同時,隨著金川鎳礦開采深度的不斷下降,當(dāng)回采至 850 m中段時,礦山地壓將會越來越大,由此所引起的問題將越來越多,采礦成本也會增高,下向機(jī)械化盤區(qū)膠結(jié)充填采礦法的弊病也會日益顯著。作者根據(jù)二礦區(qū)回采多年的實際經(jīng)驗,提出對該采礦方法和回采工藝的改進(jìn)措施是必要的,只要對金川二礦區(qū)采礦方法進(jìn)行革新,就能達(dá)到安全生產(chǎn)、降低成本、取得更大經(jīng)濟(jì)效益的目的。

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2010-03-26)

陳宗林 (1967-),男,甘肅天水人,高級工程師,主要從事礦山采礦工程設(shè)計、施工及技術(shù)管理等工作。