甯瑜琳 , 梁 超, 扈守全,林衛(wèi)星

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012；3.中礦金業(yè)股份有限公司， 山東 招遠(yuǎn)市 265400)

兩步驟充填采礦法回采順序優(yōu)化研究

甯瑜琳1,2, 梁 超3, 扈守全3,林衛(wèi)星1,2

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012；3.中礦金業(yè)股份有限公司， 山東 招遠(yuǎn)市 265400)

玲南金礦隨著采深的增加(采深已達(dá)600 m以上)，深部中段采準(zhǔn)工程受地壓破壞的風(fēng)險(xiǎn)越來越大，采場及圍巖的應(yīng)力環(huán)境也明顯惡化。為從根本上保障采準(zhǔn)工程及采場的穩(wěn)定性，結(jié)合選擇的兩步驟上向水平分層充填采礦法，對比分析了盤區(qū)交錯(cuò)式、凸型階梯式、三角型階梯式三種回采順序回采時(shí)采場穩(wěn)定性和相應(yīng)的工藝技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。結(jié)果表明：采用凸型階梯式回采順序回采時(shí)，采場穩(wěn)定性最好，但綜合生產(chǎn)能力、生產(chǎn)成本等指標(biāo)較差，且生產(chǎn)組織管理復(fù)雜，最終確定盤區(qū)交錯(cuò)式為玲南金礦兩步驟充填采礦法的最優(yōu)回采順序。

上向水平分層充填采礦法；回采順序；生產(chǎn)能力；生產(chǎn)成本；組織管理

1 前 言

玲南金礦位于山東招遠(yuǎn)市東北約15 km處，行政區(qū)屬招遠(yuǎn)市玲瓏鎮(zhèn)管轄。礦床內(nèi)的蝕變帶相當(dāng)發(fā)育，金礦體產(chǎn)于蝕變帶內(nèi)，并嚴(yán)格受蝕變帶制約。主礦體分布于10～22線、169～-750 m標(biāo)高地段，賦存于主裂面之下0～80 m的黃鐵絹英巖化碎裂帶及黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖帶內(nèi)，局部延至黃鐵絹英巖化花崗巖帶內(nèi)。礦體產(chǎn)狀與主裂面一致，走向46°～87°，平均65°，傾向南東，傾角21°～61°，平均40°。礦石價(jià)值較高、圍巖不穩(wěn)固，礦山原采用的點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法的顯著缺點(diǎn)是礦石損失率大，資源利用率低，采場作業(yè)安全性差。針對以上情況，礦山擬采用兩步驟上向水平分層充填采礦法回采下部礦體。

隨著玲南金礦淺部資源回采結(jié)束以及采深的增加(采深已達(dá)600 m以上)，深部中段采準(zhǔn)工程受地壓破壞的風(fēng)險(xiǎn)性越來越大，采場及圍巖的應(yīng)力環(huán)境也明顯惡化，地壓顯現(xiàn)明顯，單純依靠支護(hù)手段已不能滿足圍巖控制要求。為從根本上保障采準(zhǔn)工程及采場的穩(wěn)定性，應(yīng)結(jié)合選擇的兩步驟上向水平分層充填采礦法，分析盤區(qū)交錯(cuò)式、凸型階梯式、三角型階梯式三種回采順序回采時(shí)采場的穩(wěn)定性狀況，進(jìn)而結(jié)合生產(chǎn)能力、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)組織管理等指標(biāo)確定最合理的回采順序[1-3]。

2 相關(guān)理論概述

隨著采礦面積的展開、空區(qū)的出現(xiàn)，地壓大小、強(qiáng)弱分布情況也發(fā)生較大的變化，研究表明，采場高應(yīng)力區(qū)有以下分布特征[4]：

(1) 在較大的開采深度、面積的情況下，礦體上下盤圍巖中，將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力升高區(qū)，且上盤應(yīng)力集中強(qiáng)度略高于下盤，并隨開采下移而增加，下盤則可出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力降低區(qū)，此處的巷道破壞程度較小。

(2) 在礦體兩翼，圍巖應(yīng)力集中較大，程度強(qiáng)于上盤。采空區(qū)雖然切斷了沿脈方向的水平應(yīng)力，但因采空區(qū)頂壓經(jīng)采空區(qū)頂板以雙支點(diǎn)梁的形式傳遞兩側(cè)的地應(yīng)力，加上垂直地應(yīng)力，結(jié)果產(chǎn)生了應(yīng)力疊加區(qū)，有的還受到來自上下盤方向的水平應(yīng)力，巷道、采場穩(wěn)定性極差，大部分垮冒的巷道、采場均與此有關(guān)。

2.2 平衡拱理論

平衡拱理論是由普羅托耶科諾夫提出的，又稱為普氏理論。該理論認(rèn)為：洞室開挖以后，如不及時(shí)支護(hù)，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個(gè)拱形，又稱塌落拱。最初這個(gè)拱形是不穩(wěn)定的，如果洞側(cè)壁穩(wěn)定，則拱高隨塌落不斷增高；反之，如側(cè)壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時(shí)增大。當(dāng)洞的埋深較大(埋深H>5b，b為拱跨)時(shí)，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個(gè)自然平衡拱。這時(shí)，作用于支護(hù)襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關(guān)。

2.3 卸壓開采原理

卸壓開采就是運(yùn)用應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理，將回采區(qū)的高應(yīng)力通過一定的卸壓措施轉(zhuǎn)移到四周，使回采區(qū)內(nèi)的應(yīng)力降低，改善礦巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)，控制由于多次采動(dòng)影響而造成的應(yīng)力增高帶相互重疊的程度，以實(shí)現(xiàn)順利開采[5-6]。

當(dāng)然，由于爵位高、加官多，霸府行臺首長至少有兩個(gè)以上的開府，宇文泰任霸府行臺時(shí)以周惠達(dá)為大行臺尚書和大將軍府司馬就是明證。其中霸府行臺就是行臺首長的行臺開府，主要幫助首長處理軍政事務(wù)，在霸府行臺首長的開府中最能體現(xiàn)“霸府”性質(zhì)。

生產(chǎn)過程中，合理回采順序?yàn)橄炔沙袎簬Ш蟛尚秹簬?。處于承壓區(qū)的巷道后掘、采場先采，快掘快采，使整個(gè)水平的采準(zhǔn)、切割、回采銜接緊湊。但需指出的是各分層的回采要避免常規(guī)的由兩翼向中間退采，以免引起中間礦塊的應(yīng)力疊加，造成系統(tǒng)工程破壞[5-6]。

3 采場穩(wěn)定性比較分析

基于高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布特征、礦體卸壓開采原理及平衡拱理論，對盤區(qū)交錯(cuò)式、凸型階梯式、三角形階梯式三種不同回采順序進(jìn)行分析，其應(yīng)力分布見圖1～圖6。

圖1 盤區(qū)交錯(cuò)式回采順序示意

圖2 盤區(qū)交錯(cuò)式回采應(yīng)力分布云圖

盤區(qū)交錯(cuò)式上向水平分層充填采礦法將盤區(qū)礦塊劃分為礦房、礦柱，礦房超前礦柱交錯(cuò)式回采，一步驟回采礦房時(shí)，采場拉開后頂板應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的礦柱，穩(wěn)定性較好；二步驟回采礦柱時(shí)，采場兩側(cè)均是充填體，主要依靠充填體摩擦力與礦石自身粘結(jié)力支撐，受力結(jié)構(gòu)較差。且由于一步驟先采的礦房應(yīng)力轉(zhuǎn)移到二步驟礦柱采場中，造成二步驟采場頂板應(yīng)力集中情況明顯，采場穩(wěn)定性差。

圖3 凸型階梯式回采順序示意

圖4 凸型階梯式回采應(yīng)力分布云圖

圖3所示的凸型階梯式上向水平分層充填采礦法，中間采場超前周邊采場2～3個(gè)分層，此時(shí)的回采形式整體上類似于一個(gè)拱形的大采場，已采采場頂部形成一個(gè)大的承載拱，將頂部的巖體自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)拱腳處，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到深部原巖中，使得采場直接頂板的應(yīng)力得到一定程度的釋放，承載拱內(nèi)的采場頂板只承受頂部巖石自身的重量，不再承受拱外巖體中的應(yīng)力，穩(wěn)定性較好，但在承載拱兩側(cè)拱腳處，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。應(yīng)用凸型階梯式回采順序開采時(shí)，采場的一側(cè)是原巖、另一側(cè)為充填體，主要依靠礦體原巖的支撐力、礦石自身粘結(jié)力及充填體摩擦力進(jìn)行支撐，從理論上分析，采場頂板受力結(jié)構(gòu)優(yōu)于交錯(cuò)式布置的采場，實(shí)際上由于原巖穩(wěn)固性一般，其支撐力對頂板穩(wěn)固性作用不明顯，而在盤區(qū)與盤區(qū)交界處采場頂板同樣需采取有效的支護(hù)措施，才能保證回采安全，并且充填體強(qiáng)度要求比盤區(qū)交錯(cuò)式高，充填成本高。

圖5 三角形階梯式回采順序示意

圖5所示的三角形階梯式上向水平分層充填采礦法，整個(gè)盤區(qū)采場由一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)，整個(gè)“大采場”在形式上類似于半個(gè)拱形，可形成部分承載拱轉(zhuǎn)移采場頂部巖體中的應(yīng)力，使得承載拱內(nèi)的采場頂板只承受本身自重，先回采的采場頂部的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到一側(cè)未采的礦體及另一側(cè)的充填體中，造成后采采場礦體的應(yīng)力集中，對充填體的強(qiáng)度要求也較高。采場回采時(shí)一側(cè)為充填體，一側(cè)為礦體，主要依靠礦體原巖的支撐力、礦石自身粘結(jié)力及充填體摩擦力支撐頂板，在盤區(qū)與盤區(qū)交界處，采場頂板同樣需采取有效的支護(hù)措施，才能保證回采安全。

圖6 三角形階梯式回采應(yīng)力分布云圖

通過上述分析可知，凸型階梯式采場的頂部可形成承載拱，能將大部分頂板應(yīng)力轉(zhuǎn)移到承載拱兩側(cè)拱腳，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到深部原巖中，采場直接頂板的應(yīng)力得到有效釋放，只承受本身的巖體自重，這種回采順序的采場應(yīng)力狀況最好；其次為三角形階梯式回采順序，能形成“半個(gè)”承載拱轉(zhuǎn)移上部巖體中的應(yīng)力，使得承載拱內(nèi)的采場直接頂板只承受本身巖體自重，但先回采的采場頂部的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到一側(cè)未采的礦體及另一側(cè)的充填體中，采場穩(wěn)定性較凸型階梯式差；最差的是盤區(qū)交錯(cuò)式回采順序，一步驟采場的安全性好，且在垂直方向上形成卸壓區(qū)域，但二步驟的采場頂板壓力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的一步驟礦房充填體中，采場頂板既要承受本身自重，又要承受由一步驟采場轉(zhuǎn)移過來的應(yīng)力，導(dǎo)致穩(wěn)定性很差。

4 工藝技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較分析

4.1 生產(chǎn)能力比較分析

根據(jù)玲南金礦開采技術(shù)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀，計(jì)算盤區(qū)交錯(cuò)式上向水平分層充填采礦法的中段采場生產(chǎn)能力為3240 t/d，中段盤區(qū)利用系數(shù)0.75；凸型階梯式上向水平分層充填采礦法中段生產(chǎn)能力為2275 t/d，中段盤區(qū)利用系數(shù)0.80；三角形階梯式上向水平分層充填采礦法中段生產(chǎn)能力為2070 t/d，中段盤區(qū)利用系數(shù)0.82。

4.2 生產(chǎn)成本比較分析

采用盤區(qū)交錯(cuò)式上向水平分層充填采礦法時(shí)，一步驟采場充填需采用膠結(jié)充填，二步驟采場除底部兩個(gè)分層和采場的澆面層需采用膠結(jié)充填外，其余均可采用分級尾砂充填；采用凸型階梯式、三角型階梯式的回采順序時(shí)，為保障采場作業(yè)的安全，需回采方案全部采用膠結(jié)充填，三種不同回采順序的充填成本計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知,三種不同回采順序的上向水平分層充填采礦法的采礦成本均為96.29元/t。而凸型階梯式、三角型階梯式的充填成本為50.99元/t，盤區(qū)交錯(cuò)式的充填成本為35.96元/t。通過以上計(jì)算結(jié)果可知，盤區(qū)交錯(cuò)式上向水平分層充填采礦法的生產(chǎn)成本比凸型階梯式、三角型階梯式上向水平分層充填采礦法低。

表1 不同回采方案的充填成本對比

注：礦量按8 m寬礦塊計(jì)算;礦量按15 m寬礦塊計(jì)算。

4.3 生產(chǎn)組織管理分析

盤區(qū)交錯(cuò)式上向水平分層充填采礦法：生產(chǎn)組織管理簡單，一、二步驟采場回采與充填交替進(jìn)行，生產(chǎn)組織影響小，同時(shí)能充分發(fā)揮機(jī)械化設(shè)備效率。

凸型階梯式上向水平分層充填采礦法與三角形階梯式上向水平分層充填采礦法：生產(chǎn)組織管理困難，盤區(qū)之間相互影響大，機(jī)械設(shè)備效率難以得到充分發(fā)揮。

通過上述對比可知，盤區(qū)交錯(cuò)式上向水平分層充填采礦法的生產(chǎn)組織管理優(yōu)于凸型階梯式和三角型階梯式。

5 結(jié) 論

(1) 從理論上分析，凸型階梯式與三角型階梯式采場受力結(jié)構(gòu)優(yōu)于盤區(qū)交錯(cuò)式布置，玲南金礦礦巖穩(wěn)固性中等，局部不穩(wěn)固，原巖支撐力及粘結(jié)力作用不明顯，同樣都需對采場頂板進(jìn)行嚴(yán)格支護(hù)。針對盤區(qū)交錯(cuò)式二步驟礦柱回采，設(shè)計(jì)采用超前網(wǎng)狀長錨索支護(hù)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)安全回采。

(2) 盤區(qū)交錯(cuò)式中段生產(chǎn)能力3240 t/d，凸型階梯式2275 t/d，三角型階梯式2070 t/d，凸型階梯式與三角型階梯式生產(chǎn)能力難以滿足礦山要求。

(3) 三種方案的回采工藝相同，回采成本約為96.29元/t。而盤區(qū)交錯(cuò)式充填成本為32.95元/t，凸型階梯式與三角型階梯式為46.4元/t。盤區(qū)交錯(cuò)式采礦成本低，經(jīng)濟(jì)效益好。

(4) 盤區(qū)交錯(cuò)式生產(chǎn)組織管理簡單，能充分發(fā)揮機(jī)械化設(shè)備效率；凸型階梯式與三角型階梯式生產(chǎn)組織管理困難，盤區(qū)之間相互影響大，機(jī)械設(shè)備效率難以得到充分發(fā)揮

綜合上述分析，盤區(qū)交錯(cuò)式為玲南金礦兩步驟充填采礦法的最優(yōu)回采順序。

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2013-10-30)

甯瑜琳(1987-)，男，四川達(dá)州人，碩士，從事安全高效采礦技術(shù)與巖土工程的穩(wěn)定性分析研究,Email: ningyulin0712@163.com。