崔繼強,姚維信,喬登攀,李廣寬

(金川公司龍首礦， 甘肅 金昌市 737100)

龍首礦六角形進路高效回采技術(shù)研究

崔繼強,姚維信,喬登攀,李廣寬

(金川公司龍首礦， 甘肅 金昌市 737100)

結(jié)合金川集團股份有限公司龍首礦大規(guī)模貧礦開采現(xiàn)狀，分析部分采場礦體逐漸尖滅、礦區(qū)產(chǎn)能不足等問題，提出大規(guī)模貧礦開采過程中安全、高效回采的方法。通過對六角形進路穩(wěn)定性數(shù)值分析，確定最適合的斷面結(jié)構(gòu)；通過優(yōu)化分層道布置形式，提高盤區(qū)回采效率；通過增加分層聯(lián)絡(luò)道托頂硐室，保證采切工程安全可靠。六角形進路高效回采技術(shù)的研究與應(yīng)用，不但在理論方面有所創(chuàng)新，在實際生產(chǎn)中也取得了顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。

六角形進路；斷面參數(shù)；雙分層道；托頂硐室

近年來，隨著我國礦山開采深度的不斷增加，地下礦山安全問題與高開采成本越來越成為制約礦業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問題。龍首礦作為金川公司三大主力礦山之一，面臨可回采富礦減少、品位降低等不利因素。因此，增大貧礦開采產(chǎn)量、實現(xiàn)規(guī)模效益成為當(dāng)前核心問題，而確定合理的采礦工藝參數(shù)是解決貧礦開采的重要途徑。

1 工程背景與系統(tǒng)簡介

金川礦山目前主要采用下向矩形進路采礦方法和下向六角形進路采礦方法，兩種方法針對不同礦體賦存條件各有優(yōu)勢，同樣也存在各自的不足。

龍首礦西二采區(qū)礦巖特性與730采場非常相似，都屬于厚礦體貧礦采場，礦巖整體性較差，如果不采取有效的措施來提高生產(chǎn)效率、降低礦石貧化，會造成單位成本居高不下，經(jīng)濟效益大幅下滑。

(1) 充填系統(tǒng)。充填設(shè)施主要包括地面充填攪拌站、充填鉆孔和輸送管路等設(shè)施。充填料漿在地面攪拌站制備成符合充填工藝要求的充填料漿后，通過充填管路輸送至井下，經(jīng)充填鉆孔、充填鉆孔聯(lián)絡(luò)道、中段、采場充填井充入進路。

(2) 通風(fēng)系統(tǒng)。礦井采用副井、輔助斜坡道進風(fēng)，風(fēng)井抽風(fēng)的對角通風(fēng)方式。新鮮風(fēng)流經(jīng)副井、輔助斜坡道進入 1554 m 和 1430 m 水平。進入 1554 m 水平的新鮮風(fēng)流通過向上的風(fēng)井和采準斜坡道進入回采分段，再經(jīng)過聯(lián)絡(luò)道進入各個采場，污風(fēng)經(jīng)過充填回風(fēng)井進入 1650 m 的回風(fēng)水平，然后經(jīng)過向下的回風(fēng)井返回到 1554 m 水平，經(jīng)過風(fēng)井石門，最后由風(fēng)井排出地表。

2 六角形斷面參數(shù)研究

進路斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)研究主要考慮安全、高效回采，確定合理的六角形進路斷面規(guī)格。通過工程地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合近年來金川礦區(qū)地應(yīng)力和巖石力學(xué)研究成果，及龍首礦六角形進路式采礦穩(wěn)定性數(shù)值分析，通過正交試驗優(yōu)選，確定最適合的斷面結(jié)構(gòu)。

表1 六角形進路斷面優(yōu)化研究正交試驗方案

對以上18種方案(見表1)采用FLAC軟件建模分析，并考慮應(yīng)力場、位移場、塑性場等采場穩(wěn)定性主要影響因素。限于篇幅，本文僅列出優(yōu)選方案13的數(shù)值模擬結(jié)果圖。

2.1 首分層數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過模擬首分層進路橫截面上應(yīng)力位移及塑性區(qū)分布，得到應(yīng)力場、位移場、塑性場云圖，如圖1～圖5所示。

圖1 橫截面方向中央Smax等值線云圖

圖2 進路橫截面方向中央Smin等值線云圖

圖3 進路橫截面方向中央εxx等值線云圖

圖4 進路橫截面方向中央εzz等值線云圖

圖5 進路橫截面方向塑性區(qū)分布圖

從進路截面圖的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布來看，方案13開挖第一分層時，最大主應(yīng)力集中出現(xiàn)在靠近六角形進路上下盤底板以下，其值最大為21.209MPa；最小主應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在開挖區(qū)的上盤，最大為9.1865 MPa。從位移圖可以看出，上盤移動的最大距離為7.3917 mm，下盤移動的最大距離為6.2620 mm。六角形進路底板鼓起的最大距離3.6005 mm，頂板下沉的最大距離為4.1537 mm。塑性區(qū)等值線云圖顯示，進路頂、底板和兩側(cè)雖然以前發(fā)生了剪切屈服也發(fā)生了拉伸屈服，但是現(xiàn)在狀態(tài)只發(fā)生了剪切屈服，未發(fā)生拉伸屈服。

2.2 二分層數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過模擬二分層進路橫截面上應(yīng)力位移及塑性區(qū)分布，得到應(yīng)力場、位移場、塑性場云圖，如圖6～圖10所示。

圖6 二分層進路橫截面方向中央Smax等值線云圖

圖7 二分層進路橫截面方向中央Smin等值線云圖

圖8 二分層進路橫截面方向中央εxx等值線云圖

圖9 二分層進路橫截面方向中央εzz等值線云圖

從不同截面的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布云圖來看，方案13開挖第二分層時，最大主應(yīng)力主要集中在開挖區(qū)上盤位置以及靠近上盤的六角形進路底板以下位置，其中最大為28.269 MPa。最小主應(yīng)力也集中分布在上盤位置處，最大為9.2718 MPa。在位移圖中，上盤圍巖移動的最大距離為19.615 mm，下盤移動的最大距離為6.4206 mm。六角形進路頂板最大下沉為4.3299 mm，進路底板最大鼓起距離為4.6602 mm。塑性區(qū)等直線云圖顯示，開挖區(qū)的進路頂?shù)缀蛢蓚?cè)主要發(fā)生剪切屈服，沒有發(fā)生拉伸屈服，在上層已充填進路上部兩側(cè)及底板處過去發(fā)生過拉伸作用。

圖10 二分層進路橫截面方向塑性區(qū)分布圖

2.3 六分層數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過模擬六分層進路橫截面上應(yīng)力位移及塑性區(qū)分布，得到應(yīng)力場、位移場、塑性場云圖，如圖11～圖15所示。

圖11 六分層進路橫截面方向中央Smax等值線云圖

圖12 六分層進路橫截面方向中央Smin等值線云圖

圖13 六分層進路橫截面方向中央εxx等值線云圖

從不同截面的應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布云圖來看，方案13回采至六分層時，最大主應(yīng)力集中發(fā)生在開挖區(qū)上盤，最大值為39.529 MPa。最小主應(yīng)力集中發(fā)生在開挖區(qū)的下部，最大值為9.0516 MPa。從最小主應(yīng)力圖看出，在頂板位置及下盤位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為1 MPa。從位移圖中得出，上盤圍巖移動的最大距離為34.621 mm，下盤圍巖移動的最大距離為10.264 mm。六角形進路底板鼓起最大距離為7.3127 mm，六角形進路下沉最大距離為2 mm，在上盤位置進路的左上部和左下部發(fā)生下沉和鼓起的集中現(xiàn)象，最大下沉距離為4.9479 mm，最大鼓起距離為4 mm。塑性區(qū)等值線云圖顯示，進路頂、底板和兩側(cè)過去和現(xiàn)在都有剪切屈服存在，說明進路頂、底板和兩側(cè)主要發(fā)生剪切作用，拉伸屈服以前出現(xiàn)在進路底板和上半部，說明以前在進路底板和上半部兩側(cè)發(fā)生過拉伸作用。

圖14 六分層進路橫截面方向中央εzz等值線云圖

圖15 六分層進路橫截面方向塑性區(qū)分布圖

通過對不同規(guī)格進路斷面數(shù)值模擬分析，可以得出如下結(jié)論。

(1)六角形進路斷面方案13較優(yōu)(頂、底寬為4 m，腰寬為6 m，高度為5 m)，采礦作業(yè)安全可靠，技術(shù)上可行。

(2)龍首礦六角形斷面選擇與設(shè)計上應(yīng)遵循兩個重點比例關(guān)系，即：進路高度∶進路底寬=1.5～2.0，并盡可能取小值，以增大進路側(cè)邊角，利于礦石自溜，保證鏟運機出礦順利；進路腰寬∶進路底寬=1. 2～1.3，并盡可能取值小于1.25。進路高度5 m適用于雙分層道、單分層道墊礦結(jié)構(gòu)。綜上所述，正?；夭汕闆r下六角形進路斷面參數(shù)為頂、底寬4 m，腰寬為6 m，高度5 m。在進路調(diào)整或受礦體形態(tài)影響情況下，進路規(guī)格調(diào)整應(yīng)符合結(jié)論(2)的要求。

3 采礦工藝優(yōu)化研究

3.1 分層道布置形式

傳統(tǒng)六角形進路采礦中，分層道是進路高度的一半，在回采過程中需挑頂作業(yè)。在生產(chǎn)實踐中，完成1條進路的挑頂工作，至少耗時2～3個班，挑頂作業(yè)時人員需站在礦堆上，暴露在原巖下，存在極大安全風(fēng)險，同時不能發(fā)揮鑿巖臺車連續(xù)作業(yè)的功效，降低了設(shè)備使用效率。為了解決上述問題，提高生產(chǎn)效率，提出單分層道回填方案和雙分層道交錯使用方案。

3.1.1 單分層道布置形式

在回采邊緣或小礦體時采用分層道布置方式，該方案是充填前將分層道回填原高度一半的礦石，下層開層后，在上層分層道下部掘進，落下回填層后，形成與進路等高的分層道。分層道規(guī)格為矩形斷面；進路垂直分層道布置，進路規(guī)格為六角形，采場每分層下降比上分層標(biāo)高低一半的高度開層，開層后回采上分層礦柱，回采結(jié)束后分段充填。單分層道回填布置方案如圖16所示。

圖16 單分層道回填方案

設(shè)計時布置一條分層道在礦體下盤或礦體中間，進路垂直布置，進路長度控制在50 m左右，分層道每層沿用。

該方案在傳統(tǒng)六角形進路回采方案基礎(chǔ)上，通過調(diào)整采場布局和采切工程參數(shù)，可以適應(yīng)大型采裝設(shè)備的使用，同時可以實現(xiàn)采場多作業(yè)面同時回采，擴大回采能力；保留了六角形進路回采強度大、開層速度快的特點。

對于厚大礦體，可將一個采場再劃分為若干個回采區(qū)間，在回采過程中對回采順序進行靈活調(diào)整，從實現(xiàn)多個作業(yè)面作業(yè)及采場連續(xù)生產(chǎn)，以提高生產(chǎn)能力。

3.1.2 雙分層道布置形式

雙分層道布置方案是在每個礦塊布置兩條分層道，每分層只需使用一條，可上下層交替使用，轉(zhuǎn)層時不需要回填礦石。將每個盤區(qū)劃分為若干采場，分層道可靈活布置在垂直或沿礦體走向的采場兩端，分層道規(guī)格為矩形斷面；進路垂直分層道布置，進路規(guī)格為六角形水平進路。采場每分層比上分層下降2.5 m開層，開層后回采上分層礦柱，充填時利用分層道預(yù)留的充填井接入充填管即可完成充填。盤區(qū)雙分層道布置方案如圖17所示。

圖17 雙分層道六角形進路方案

該方案將每個盤區(qū)(長度100 m，寬度為礦體厚度)劃分為若干采場(采場長×寬=50 m×50 m，采用雙分層道布置結(jié)構(gòu))，分層道可靈活布置在垂直或沿礦體走向的采場兩端，分層道規(guī)格為4 m×5 m(寬×高)的矩形斷面；進路垂直分層道布置，進路規(guī)格為底寬4 m，腰寬6 m，高5 m的六角形水平進路。采場每分層比上分層底板標(biāo)高下降2.5 m開層，回采結(jié)束后每2～4條進路充填一次，充填時利用預(yù)留的充填回風(fēng)井接入充填管即可完成充填。第一層回采過程中，必須嚴格按設(shè)計控制好進路的規(guī)格、方向和長度，第二層可根據(jù)揭露的上層充填體位置進行回采。進路的規(guī)格、方向、長度都受到上層充填體的控制，可以大大減少進路超高、超寬及方向打偏的現(xiàn)象，提高采場的生產(chǎn)效率。

雙分層道布置方案有靈活性高、作業(yè)面多、適合大型采裝設(shè)備使用等優(yōu)點，保留了傳統(tǒng)六角形進路回采強度大、在不規(guī)則礦體中易布置采場、施工方便，開層速度快的優(yōu)點。

單分層道回填和雙分層道交替使用的核心是分層道和進路等高布置。進路、分層道根據(jù)礦體及采準工程的實際情況，可選擇布置在沿脈或穿脈方向。單分層道方案進路可帶有一定坡度，雙分層道方案進路水平布置。

以上兩種分層道布置方案均實現(xiàn)分層道與進路等高，進路開口不需要挑頂作業(yè)，降低了安全風(fēng)險，實現(xiàn)機械化連續(xù)高效作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 爆破參數(shù)優(yōu)化

進路式回采落礦類似于巷道掘進，只有一個自由面，受圍巖夾制力大，單循環(huán)爆破進尺小，落礦少，作業(yè)效率低。遇硬巖難爆礦體，爆破效果進一步惡化，循環(huán)進尺甚至不足1.5 m，嚴重影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。爆破落礦作業(yè)中，鑿巖輔助工作時間基本不變，若增加單循環(huán)進尺，則邊際效益非常明顯，因此提高單循環(huán)進尺，提高單循環(huán)落礦量，是高效采礦的重要保證。

根據(jù)西二采區(qū)實際情況，針對礦體可爆性，制定不同參數(shù)予以試驗，根據(jù)礦體可爆性簡要分為難爆礦體與易爆礦體試驗。

方案一：2傾斜眼加8眼楔形復(fù)式掏槽。炮孔布置如圖18所示。

圖18 炮孔布置示意

1#炮孔向上、2#炮孔向下傾斜，與工作面角度為65°～75°，孔口距0.4 m，作為第一步起爆掏槽眼，拋出少量碎礦，主要起松動礦石作用，為楔形掏槽創(chuàng)造有利爆破條件，采用一段雷管；由于從上往下，受夾制力越來越大，越難以起爆，楔形掏槽眼水平距離由大變小。3#～10#楔形掏槽眼水平朝中間傾斜，與工作面角度65°～75°，3#、7#炮眼水平距離d=1.4 m，6#、10#炮孔水平距離為1.0 m，3#～10#眼為第二步起爆掏槽眼，形成槽腔，為后繼起爆創(chuàng)造自由面，采用三段雷管；輔助眼采用五段雷管，周邊眼采用七段雷管；底眼距底0.2 m，頂眼距頂0.4 m，上側(cè)周邊眼距邊界0.3 m，下側(cè)周邊眼距邊界0.2 m。輔助眼眼距0.6～0.8 m。

方案二：8眼楔形掏槽。方案二比方案一少中間兩個掏槽眼，其他參數(shù)一樣。

方案三：6眼楔形掏槽。方案三在方案二基礎(chǔ)上減少兩個掏槽眼，輔助眼與周邊眼數(shù)目不變，輔助眼位置稍作調(diào)整，使之分布均勻。

根據(jù)以上三個試驗方案實驗效果判定，在硬巖難爆礦體中，方案一最優(yōu)；在軟巖易爆礦體中，方案三最優(yōu)。

3.3 穩(wěn)定硐室研究

在下向分層六角形進路采礦方法中，分層聯(lián)絡(luò)道兩側(cè)無進路,下一分層回采時充填體頂板靠兩側(cè)夾制力穩(wěn)定，充填過程發(fā)生離析、分層、充填不接頂或充填體下采空區(qū)放置時間過長等情況，充填體經(jīng)常發(fā)生脫層，脫層前無任何征兆，嚴重威脅人身安全。

為了解決分層聯(lián)絡(luò)道或分層道充填體脫層的現(xiàn)象，提出一種穩(wěn)定分層聯(lián)絡(luò)道或分層道充填體的方案。

該方案的主要內(nèi)容是：在采場回采結(jié)束后，在分層聯(lián)絡(luò)道、一側(cè)無進路分層道掘進托頂硐室，托頂硐室寬1～3 m，高2～4 m，深2～4 m，充填時分層道充填體和托頂硐室的充填體形成一個整體，下一分層回采時分層聯(lián)絡(luò)道、一側(cè)無進路分層道頂板充填體和托頂硐室的充填體受礦柱和原巖的支撐，提高分層聯(lián)絡(luò)道、分層道充填體穩(wěn)定性。

如圖19所示，采場回采結(jié)束后，對分層聯(lián)絡(luò)道回填，在回填層以上一側(cè)(一側(cè)無進路)或兩側(cè)(兩側(cè)均無進路)開挖充填體托頂硐室，托頂硐室寬1～3 m，高2～4 m，深2～4 m，間距3～5 m。充填后二分層分層聯(lián)絡(luò)道掘進后，人員在一分層分層聯(lián)絡(luò)道充填體下面作業(yè)，一分層分層聯(lián)絡(luò)道充填體受到二分層原巖幫或礦柱的支撐，從而形成穩(wěn)定的充填體。

圖19 穩(wěn)定硐室

該方案的優(yōu)點是，若充填過程出現(xiàn)中斷、離析、分層或充填不接頂時，分層聯(lián)絡(luò)道、分層道充填體受礦柱或原巖支撐，不易發(fā)生脫層現(xiàn)象，提高了分層道充填體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與創(chuàng)新點

(1) 通過對18種方案采用FLAC軟件建模分析，對比影響采場穩(wěn)定性主要因素,確定最優(yōu)六角形進路斷面參數(shù)為：頂、底寬4 m，腰寬6 m，高5 m。

該進路參數(shù)與現(xiàn)有的設(shè)備更加配套，施工效率更加高效，安全性更好。

(2) 通過該方案優(yōu)化研究，提出了單分層道回填布置方案和雙分層交錯布置方案，改變了以往采場分層道只能布置在穿脈方向，采場必須采用后退式回采的問題。同時，作業(yè)方式更加靈活，生產(chǎn)能力得到較大提升。實現(xiàn)了進路與分層道等高，生產(chǎn)更加安全高效，避免了進路開口必須使用手動鑿巖機挑頂?shù)谋锥?，減少了作業(yè)環(huán)節(jié)，提高了作業(yè)安全性。

(3) 增加托頂硐室，保障采切工程安全可靠。托頂硐室充填體為下分層礦柱或原巖提供支點，有效解決了分層聯(lián)絡(luò)道或分層道充填體脫落問題，在實際生產(chǎn)過程中取得了良好效果。

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2013-11-01)

崔繼強(1973-)，男，甘肅會寧人，碩士，工程師，主要從事礦山技術(shù)工作,Email:2356207-65@qq.com。