周英芳,王文勝,邵珠江,王興濤,張清偉,王 濤

(1.招遠(yuǎn)市蠶莊金礦, 山東招遠(yuǎn)市 265402;2.招金礦業(yè)大尹格莊金礦, 山東招遠(yuǎn)市 265414)

無礦柱梯段式連續(xù)回采充填法的試驗(yàn)研究

周英芳1,王文勝1,邵珠江1,王興濤1,張清偉1,王 濤2

(1.招遠(yuǎn)市蠶莊金礦, 山東招遠(yuǎn)市 265402;2.招金礦業(yè)大尹格莊金礦, 山東招遠(yuǎn)市 265414)

針對(duì)蝕變巖型金礦床的特點(diǎn),提出了“無礦柱梯段式連續(xù)回采充填采礦法”方案,并對(duì)該法的采礦工藝、支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)、充填材料及工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究,實(shí)踐證明其是一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的采礦方法。

無礦柱;梯段式連續(xù)回采;膠結(jié)充填;充填料配比

礦區(qū)位于沂沭斷裂帶的東側(cè),膠東隆起的西緣,掖縣復(fù)背斜的北翼,黃縣～掖縣弧形斷裂的支斷裂-望兒山斷裂帶上。礦區(qū)從上到下的地層依次為:第四系沙質(zhì)粘土及殘坡積;黑云母花崗巖和偉晶巖脈、煌斑巖脈;主裂面及兩側(cè)的碾壓區(qū)破碎蝕變帶,該層為礦區(qū)的主要含礦帶;似斑狀花崗閃長(zhǎng)巖。

本礦帶系望兒山含礦蝕變帶的北東段。蝕變帶主要由東西兩條蝕變巖脈及其派生的低級(jí)別蝕變巖脈組成,走向北東 30°～40°,控制長(zhǎng)度 3100 m,地表出露寬為 15～90 m,控制最大斜深 640 m。含礦蝕變帶沿走向分支復(fù)合現(xiàn)象明顯,平面形成結(jié)環(huán)狀,其復(fù)合部位往往是礦體的賦存場(chǎng)所,沿傾向無明顯的變化。目前正在開采的 2號(hào)礦體展布于 351～375線之間。礦體賦存于主裂面上盤,長(zhǎng) 360 m,斜深425 m,垂直深度 217 m,走向北東 35°～40°,傾向北西,傾角 37°～40°,與主裂面的產(chǎn)狀基本一致。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單。礦床主要充水因素為基巖裂隙水,其中以風(fēng)化裂隙水為主。礦區(qū)主要充水的來源是大氣降水。

1 采礦方法

1.1 采場(chǎng)構(gòu)成要素

無礦柱梯段式連續(xù)回采充填法,采場(chǎng)垂直走向布置。采場(chǎng)高度為階段高度 30 m,長(zhǎng)度為礦體厚度,寬度設(shè)計(jì)為 10 m。采場(chǎng)傾斜角度 70°。采場(chǎng)不留頂?shù)字烷g柱。礦塊沿高度方向劃分 4個(gè)分段,每個(gè)分段高度 7.5 m,每個(gè)分段分為 3個(gè)分層,每個(gè)分層高度 2.5 m。

1.2 采切工程布置

礦山開拓系統(tǒng)已將礦體按 30 m垂高劃分中段,在中段水平,礦體下盤設(shè)有中段運(yùn)輸平巷和每隔 30 m布置的中段穿脈運(yùn)輸平巷。在一個(gè)中段垂高范圍內(nèi),再劃分成 4個(gè)分段,并在各分段水平礦體下盤布置分段平巷。

中段與中段之間,分段與分段之間,分層與分層之間的相互聯(lián)系和鏟運(yùn)機(jī)的通行,采用下盤脈外斜坡道將采場(chǎng)相互聯(lián)系起來,以充分發(fā)揮鏟運(yùn)機(jī)的出礦潛力,提高設(shè)備利用率。

斜坡道采用折返式,設(shè)計(jì)平均坡度為 14%。一個(gè)采區(qū)只有一條斜坡道,供各個(gè)采場(chǎng)使用。斜坡道斷面規(guī)格為 3.0 m×3.0 m,分段平巷、穿脈巷道的斷面規(guī)格為 2.5 m×2.5 m。在分段平巷旁,每隔 80 m布置一條下盤脈外溜礦井,溜礦井的斷面形狀為圓形,規(guī)格為Φ2.0 m,傾角為 60°。在每個(gè)采場(chǎng)回采時(shí),構(gòu)筑一條順路人行通風(fēng)泄水井。

下盤脈外斜坡道的采準(zhǔn)布置使分段高度一致,便于分段平巷相互貫通;采用脈外斜坡道,使無軌設(shè)備容易進(jìn)入采場(chǎng);脈外設(shè)置溜礦井,可避免在采場(chǎng)內(nèi)構(gòu)筑溜礦井,防止礦體傾角變緩時(shí),發(fā)生放礦不順暢現(xiàn)象。

1.3 回采順序及回采方式

在同一個(gè)中段,采場(chǎng)與采場(chǎng)之間的回采順序由礦體走向一端向另一端推進(jìn),設(shè)計(jì)采用梯段連續(xù)式回采順序,并使采場(chǎng)之間的超前高度不低于一個(gè)分段高度。

采場(chǎng)分層之間的回采順序,自下而上回采。首先在分段平巷向采場(chǎng)位置掘進(jìn)轉(zhuǎn)層穿脈,然后開始采場(chǎng)第一分層的拉底回采工作,第一分層結(jié)束后,自下而上進(jìn)行第二分層的回采工作。每一分層回采作業(yè)分為兩部分,即先回采后充填,其工藝由以下幾個(gè)工序組成:鑿巖、爆破、通風(fēng)、支護(hù)、出礦、清場(chǎng)、架設(shè)順路井、充填,依次循環(huán),直至完成整個(gè)采場(chǎng)的回采工作。

1.4 采場(chǎng)假底構(gòu)筑

為了提高礦石的回收率,設(shè)計(jì)采場(chǎng)底部構(gòu)筑假底。在第一分層出礦工作結(jié)束后,構(gòu)筑鋼筋尾砂膠結(jié)體作為人工假底,并作為下中段對(duì)應(yīng)采場(chǎng)上采至此時(shí)的假頂。人工假底的構(gòu)筑方式是:首先鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)度為 300 mm×300 mm,主筋沿采場(chǎng)長(zhǎng)度方向布置,主筋直徑為Φ12 mm;副筋垂直采場(chǎng)長(zhǎng)度方向布置,直徑為Φ8 mm。主筋與采場(chǎng)幫壁錨桿焊在一起,將假底所受力傳遞到上下盤圍巖中。主筋與副筋之間用細(xì)鐵絲綁扎即可。鋼筋網(wǎng)距底板300～500 mm,然后采用高強(qiáng)度的尾砂膠結(jié)充填,充填體強(qiáng)度≥4 MPa,假底設(shè)計(jì)厚度為 2 m。

1.5 鑿巖爆破

采場(chǎng)鑿巖采用 YT-27型鑿巖機(jī)鉆鑿水平淺孔,孔徑為Φ40 mm,孔深為 3.8 m,孔距為 0.8～1.0 m,排距為 1.0 m。采用水平炮孔可實(shí)現(xiàn)低空頂距回采工藝,強(qiáng)化采充循環(huán),為提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力打下基礎(chǔ)。同時(shí),可有效地維護(hù)礦體頂板和上盤圍巖。經(jīng)過炮孔加長(zhǎng)后,使低空頂柱的生產(chǎn)能力得到保證,并有利于采場(chǎng)頂板平整和頂板維護(hù)。

采場(chǎng)爆破采用光面爆破技術(shù)。爆破采用非電導(dǎo)爆管正向起爆 2#巖石炸藥。爆破時(shí),要注意非電導(dǎo)爆管的段數(shù),最好跳段使用毫秒微差雷管。

水平落礦時(shí),普通炮孔每孔裝藥量不超過 16卷,單響最大藥量不超過 10 kg,一次爆破藥量不超過50 kg。

裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)柱狀裝藥形式,同時(shí)爆破的光爆孔必須采用同段毫秒微差雷管起爆。

1.6 礦石運(yùn)搬及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

采場(chǎng)礦石運(yùn)搬采用 EHST-1A型電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦。采場(chǎng)崩落的礦石,由電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)裝運(yùn)搬到脈外溜礦井。鏟運(yùn)機(jī)最大運(yùn)距為 80 m。采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 采場(chǎng)支護(hù)

2.1 支護(hù)方式及參數(shù)選擇

為充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)巖體自身的支撐能力,根據(jù)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合礦巖力學(xué)行為特征與采場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律及潛在破壞模式,采場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)錨索加短錨桿聯(lián)合護(hù)頂方案。

根據(jù)國(guó)外支護(hù)經(jīng)驗(yàn),錨索密度與巖體質(zhì)量節(jié)理頻率和暴露面的水力半徑有關(guān),參照國(guó)外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)錨索密度為 0.16根/m2。錨索網(wǎng)度為 2.5 m×2.5 m,每根錨索負(fù)擔(dān)的面積為 6.25 m2。

錨索長(zhǎng)度按挪威經(jīng)驗(yàn)公式 L=1.4+0.184B計(jì)算。錨索方向與暴露面垂直時(shí)錨固效果最佳,且一般錨索方向與暴露面巖壁的夾角要大于 30°。錨索長(zhǎng)度為 12 m,一個(gè)采場(chǎng)分成兩段安裝;錨索安裝角度與采場(chǎng)傾角一致,為 70°;錨索鋼絲繩為Φ19 mm。

對(duì)于采場(chǎng)頂板,在每個(gè)采出礦循環(huán)前安裝上向快硬水泥卷錨桿補(bǔ)強(qiáng)。錨桿網(wǎng)度為 1.5 m×1.5 m,有效長(zhǎng)度為 1.5 m。

2.2 支護(hù)施工工藝

采場(chǎng)拉底后,采用 YGZ-90型鑿巖機(jī)鉆鑿上向平行錨索孔?？讖綖棣?5 mm,孔深為 12 m。在地表將Φ19 mm廢舊提升鋼絲繩分成 6股,然后每股按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度用氣割割開。割開前需用鐵絲將鋼絲繩扎住,防止其散股。鋼繩除油用四氯化碳、洗油、堿、金屬油污清洗劑等幾種清洗劑,經(jīng) 48 h浸泡之后,再用鋼刷人工洗滌,均能達(dá)到除油效果。從較經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)選用 JQ-2型金屬油污清洗劑。實(shí)施鋼繩除油時(shí),首先配制濃度為 5%～8%的清洗劑溶液,浸泡 48 h后用鋼刷刷去油污,并將繩頭彎成倒刺。鋼絲繩向孔內(nèi)放置較為困難,試驗(yàn)中首先將倒刺插入注漿管中,然后再將注漿管和鋼絲繩一起送入孔底。由于注漿管硬度較大,順利地解決了這一問題。錨索孔內(nèi)注漿,采用高強(qiáng)度砂漿。膠結(jié)劑為 425#硅酸鹽水泥,砂子用洗砂,最大粒徑不超過 5 mm,含泥量不超過 3%,砂漿灰 ∶砂 ∶水=1∶1∶0.5。注漿設(shè)備為砂漿錨桿注漿機(jī),注漿管外徑為Φ30 mm,長(zhǎng)度為 15 m,注漿時(shí)要求將鉆孔全部注滿。

3 采場(chǎng)充填參數(shù)試驗(yàn)及工藝

3.1 膠結(jié)充填室內(nèi)試驗(yàn)

3.1.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)采用蠶莊金礦選礦廠經(jīng)人工篩分的合格尾砂(尾砂粒級(jí) +0.040 mm以上)作為骨料,用425#普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)劑,按 60%～70%的砂漿濃度,1∶4～1∶20的灰砂比配制試件。試塊尺寸規(guī)格為 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù),然后按規(guī)定的齡期進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定。每組試驗(yàn)取 3塊試塊,按算術(shù)平均值原則計(jì)算抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 普通尾膠充填試塊抗壓強(qiáng)度

分析以上試驗(yàn)結(jié)果,可以看到如下現(xiàn)象:

(1)試塊的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的加長(zhǎng)而明顯增加,其 3 d的抗壓強(qiáng)度只有 28 d強(qiáng)度的 20%～30%,其養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度之間成正比例的關(guān)系。

(2)在灰砂比相同的情況下,試塊強(qiáng)度隨砂漿濃度的增加而增加。因此,在現(xiàn)場(chǎng)充填時(shí),應(yīng)盡可能提高砂漿濃度。

(3)試塊強(qiáng)度隨水泥含量的增加而上升。

3.1.2 材料用量試驗(yàn)

普通尾膠充填每立方米充填實(shí)體材料用量按照設(shè)定的配比參數(shù),稱取一定量的充填料(尾砂、水泥、水)攪拌形成漿體后灌入塑料袋,排出清水硬化后,測(cè)量實(shí)體的體積,然后計(jì)算出每立方米充填實(shí)體的材料用量。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 普通尾膠充填材料用量數(shù)據(jù)

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

水砂充填時(shí),要求采用分級(jí)尾砂,砂漿濃度65%～70%。膠結(jié)充填時(shí),不僅充填體強(qiáng)度要達(dá)到采礦工藝對(duì)充填體的強(qiáng)度要求,而且還要使其充填參數(shù)與充填系統(tǒng)相適應(yīng)。因此,根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,在充填體強(qiáng)度分別達(dá)到 4.0,2.0,0.5 MPa的條件下,推薦采用的充填配比參數(shù)見表4。

表4 膠結(jié)充填配比參數(shù)

3.2 采場(chǎng)膠結(jié)充填工藝

(1)井下充填管路。井下尾砂充填系統(tǒng)采用自然壓差管道自流輸送系統(tǒng)。充填鉆孔從地表充填制備站一直下至-620 m中段,之后通過階段運(yùn)輸平巷和穿脈通往各個(gè)采場(chǎng)。鉆孔內(nèi)專用永久性的充填管道用Φ4″厚壁鋼管;各中段平巷內(nèi)采用Φ4″增強(qiáng)塑料管;各充填穿脈及充填天井、采場(chǎng)內(nèi)則采用Φ4″普通塑料管。井下充填管路的充填倍線為 2.5～6。

(2)井下充填參數(shù)。無礦柱梯段式連續(xù)回采充填采礦法要求鋼筋尾砂膠結(jié)體的充填體強(qiáng)度≥4 MPa,尾膠鋪面的充填體強(qiáng)度≥2 MPa,一般充填體強(qiáng)度≥0.5 MPa。因此,根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合采礦工藝對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的要求和地表充填制備系統(tǒng)情況,確定的井下充填參數(shù)為:充填能力:80～100 m3/h;充填重量濃度:65%～68%;灰砂比:1∶(4～20)。

(3)采場(chǎng)充填作業(yè)。采場(chǎng)出礦結(jié)束后,立即開始充填前的準(zhǔn)備工作。首先架設(shè)順路泄水井和擋墻,鋪設(shè)充填管路。準(zhǔn)備工作結(jié)束后,通知地表充填制備站進(jìn)行充填。采場(chǎng)充填時(shí),先下清水引流,當(dāng)井下見到清水后,電話通知地表充填制備站下料。充填開始后,充填料漿濃度會(huì)慢慢升高,約 5～15 min后便穩(wěn)定在充填指令要求的范圍內(nèi),直至充填結(jié)束。充填結(jié)束時(shí),必須用清水沖洗管道,防止管道內(nèi)料漿沉積堵塞管道。充填前后的引流水和沖洗水不能進(jìn)入采場(chǎng),要將其通過三通閥排至水溝內(nèi),以免降低整個(gè)采場(chǎng)內(nèi)充填料漿的濃度。

充填時(shí),采場(chǎng)內(nèi)必須派專人觀察充填情況,若發(fā)現(xiàn)跑漿事故,須及時(shí)停止充填,并作堵漏處理。當(dāng)充填液面達(dá)到設(shè)計(jì)充填標(biāo)高時(shí)通知地表充填制備站結(jié)束充填作業(yè)。

普通尾砂膠結(jié)充填結(jié)束后,進(jìn)行 7 d養(yǎng)護(hù),然后方可轉(zhuǎn)入下一分層的回采工作。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)招遠(yuǎn)地區(qū)蝕變巖型金礦床特征而提出的無礦柱梯段式連續(xù)回采充填采礦法,能夠適應(yīng)蝕變巖型金礦床的開采技術(shù)條件,是一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的采礦方法,具有采用下盤斜坡道脈外溜礦井采準(zhǔn)系統(tǒng),礦房向上傾斜布置,無礦柱梯段式連續(xù)回采,長(zhǎng)錨索與短錨桿及控制爆破聯(lián)合護(hù)頂,低強(qiáng)度膠結(jié)充填等特點(diǎn),充分體現(xiàn)了該方案的先進(jìn)性、新穎性和合理性,在國(guó)內(nèi)外尚無先例。

(2)需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善的是:應(yīng)加大采場(chǎng)分層高度,減少采充循環(huán)次數(shù),進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力。在試驗(yàn)過程中,由于受階段高度的限制,劃分的分層高度為 2.5 m,使采場(chǎng)的回采、充填作業(yè)變換頻繁,采充循環(huán)次數(shù)多,降低了礦塊的綜合生產(chǎn)能力。如果在長(zhǎng)錨索與短錨桿及控制爆破聯(lián)合護(hù)頂技術(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下,分段高度可以增加到 4 m,采場(chǎng)綜合生產(chǎn)能力預(yù)計(jì)可比目前增大 30%～50%。

(3)采場(chǎng)充填應(yīng)采用高水速凝充填。高水速凝膠結(jié)材料,是 20世紀(jì) 90年代初新發(fā)明的一種膠結(jié)充填材料,能夠?qū)崿F(xiàn)不脫水尾砂膠結(jié)充填,形成含有高結(jié)晶水和吸附水的人工石,具有速凝、早強(qiáng)的特點(diǎn),可縮短充填養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

[1] 付士新,左宏偉,邵珠江,等.鏟運(yùn)機(jī)在蠶莊金礦采場(chǎng)中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2001,1(3):40～41.

[2] 周羅中,魯洪軍,張永林,等.傾斜復(fù)雜中厚礦體的連續(xù)采礦技術(shù)研究[J].采礦技術(shù),2007,7(3):1～3.

[3] 李雪明.大紅山鐵礦采礦新模式管理初析 [J].采礦技術(shù),2008,8(4):146～147.

[4] 尹升華,吳愛祥.緩傾斜中厚礦體采礦方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].金屬礦山,2007,(12):10～13.

[5] 解世俊.金屬礦床地下開采 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[6] 蠶莊金礦.招遠(yuǎn)地區(qū)蝕變巖型金礦床強(qiáng)化開采技術(shù)研究[R].山東省招遠(yuǎn)市:山東招金集團(tuán)蠶莊金礦,2004.

2009-08-07)

周英芳(1963-),男,山東招遠(yuǎn)人,工程師,主要研究采礦工程技術(shù)與安全生產(chǎn)管理,Email:ytliuning@163.com。