王志君

(1.五礦礦業(yè)(安徽)工程設計有限公司,安徽 合肥 230601;2.五礦礦業(yè)控股有限公司,安徽 合肥 230601)

空場嗣后充填法能夠有效控制地壓,提高礦山資源回采率、降低貧化率,充分利用礦山產(chǎn)生的廢料,減少污染[1-2]。該方法符合綠色采礦的目標,是采礦工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

為保證礦山持續(xù)、均衡地生產(chǎn),采礦工作之間的銜接多采用生產(chǎn)準備礦量(也稱“三級礦量”)管理理論[3]。該理論協(xié)調了礦山開拓、采準與備采作業(yè)之間的關系,缺少出礦之后的空區(qū)和充填管理,現(xiàn)已不能完全涵蓋礦山采場的生產(chǎn)管理步驟。

據(jù)此,本研究圍繞安徽開發(fā)礦業(yè)李樓鐵礦采場布置、空區(qū)暴露面積以及暴露時間、充填組織之間的管理進行了分析,明確了各因素之間的相互關系,提出了采場布置、空區(qū)與充填采場之間的數(shù)量關系與運行規(guī)律,梳理了從出礦、充填到空區(qū)管理的生產(chǎn)管理思路,彌補了嗣后充填采礦的采場管理理論的空白。

1 工程概況及存在的問題

1.1 開采技術條件

安徽開發(fā)礦業(yè)李樓鐵礦位于安徽省霍邱縣,礦床走向近南北,長3.4 km,傾向西,傾角 65°～85°,主礦體平均厚度49.65 m。礦山設計開采規(guī)模500萬t/a,開采礦種為鏡鐵礦,平均品位34.08%,普氏硬度系數(shù)f=15～16。礦體底板為白云大理巖,f=8～10;礦體頂板為黑云片麻巖,f=8～10。礦區(qū)地表為厚大第四系,分布著村莊、農(nóng)田及道路,不允許塌陷。

1.2 采礦方法

礦山采用階段空場嗣后充填采礦法[4-6],采場垂直礦體走向布置,高100 m,寬20 m,長50 m左右。每120 m(6個采場)劃分一個盤區(qū),布置礦石溜井和通風天井,盤區(qū)內(nèi)分三步驟開采。

1.3 嗣后充填采場分類

嗣后充填采場分類形式較多,按生產(chǎn)礦量準備程度可將采場分為開拓采場、采準采場和備采采場;按作業(yè)內(nèi)容可將采場分為掘進采場、出礦采場、充填采場。

李樓鐵礦按礦房的回采順序將采場分為一步采采場、二步采采場、三步采采場三個梯次。

其中一步采采場“隔一采一”,二步采采場和三步采采場“隔三采一”。

1.4 嗣后充填采空區(qū)分類

為提高礦山生產(chǎn)安全,本次將采場頂部開始暴露起至充填接頂結束期間內(nèi)的空區(qū),均稱為采空區(qū),主要包括在采空區(qū)、備充空區(qū)和在充空區(qū)。其中,在采空區(qū)是指正在進行爆破出礦的空區(qū);備充空區(qū)是指采場回采結束正在進行空場的清底、充填水平的充填管路敷設、進路的充填擋墻施工等充填準備工作的空區(qū);在充空區(qū)是指正在正行充填作業(yè)的空區(qū)。

1.5 充填工藝

李樓鐵礦采用的是全尾砂膏體膠結充填與全尾砂充填相結合的充填工藝[4]。出礦結束后50%的采場(一步采采場)采用全尾砂膏體膠結充填,50%的采場(二、三步采采場)采用全尾砂膏體膠結充填與全尾砂充填相結合的方式充填,充填能力221萬m3/a。

1.6 存在的問題

目前,礦山多采用“三級礦量”理論指導礦山生產(chǎn)管理,該理論僅對礦山開拓、采準和備采的礦量進行了指導,對于采場布置、空區(qū)及充填管理暫無理論依據(jù)。因此,各礦山均存在采場、采空區(qū)及充填之間銜接不充分的問題,具體表現(xiàn)如下:

(1)部分一步采采場空區(qū)充填不及時,空區(qū)存量過多,暴露時間過長,導致部分空區(qū)成片冒頂,存在安全隱患。

(2)由于一步開采采場空區(qū)充填不及時,導致后續(xù)的二、三步采場礦量得不到釋放,造成資源和資金積壓。

(3)為保證礦山正常生產(chǎn),采用多布置一步采采場進行回采,加大了當期掘進投入,進一步惡化了資金緊張局面。

(4)造成生產(chǎn)銜接緊張,當一步開采采場與二、三步開采采場上下中段重疊時,無法布設新采場,導致礦山減產(chǎn)。

2 采場布置、采空區(qū)及充填運行管理

2.1 采場時空管理

采場的時空管理[7]是指各類采場回采過程的相對空間位置以及回采時間節(jié)點管理。其數(shù)值關系管理是根據(jù)采場的時空關系確定的。

本研究以一個盤區(qū)12個采場作為一個管理單元,對采場布置的各類作業(yè)、時空關系銜接、采場礦量等關鍵因素進行采場管理說明。

2.1.1 采場空間關系

空間位置上,一步采采場按“隔一采一”的原則進行布置,即回采的一步采采場為圖1中的2#采場、4#采場、6#采場、8#采場、10#采場和 12#采場;二步采采場(礦柱)按“隔三采一”的原則進行布置,即回采的采場為圖1中的1#采場、5#采場和9#采場;三步采采場(礦柱)按“隔三采一”的原則進行回采,即回采的采場為圖1中的3#采場、7#采場和11#采場。

圖1 李樓鐵礦采場劃分Fig.1 Stope division of Lilou Iron Mine

從圖1中可以看出,一步采采場間隔1個采場,兩側為礦體(12#采場一側為圍巖);二步采采場間隔的3個采場,兩側為充填體(1#采場一側為圍巖);三步采采場間隔的3個采場,兩側都是充填體。

2.1.2 采場布置時間關系

空場嗣后充填采礦法主要作業(yè)內(nèi)容按先后順序分別為采場的采準掘進、鑿巖、爆破出礦、空區(qū)充填準備、空區(qū)充填及充填養(yǎng)護等。

李樓鐵礦采場完整的采充作業(yè)工藝步驟及時間為:采準掘進3個月,中深孔鑿巖3個月,爆破出礦4個月,充填準備(如擋墻、管路敷設等)1個月,充填作業(yè)4個月,充填體養(yǎng)護期4個月,共計19個月。

3步采采場回采之間理想的銜接關系為:當上一梯次采場充填體養(yǎng)護結束后,下一梯次采場的爆破出礦剛好展開。即要求下一梯次采場采準和中深孔鑿巖在上一梯次采場充填養(yǎng)護結束前6個月開始。

2.1.3 采場數(shù)量

根據(jù)“三級礦量”理論,結合李樓鐵礦生產(chǎn)能力,其采準采場一般為22個,備采采場一般為8個。

在滿足“三級礦量”采場個數(shù)的基本要求后,根據(jù)李樓鐵礦生產(chǎn)組織模型,4個采場同時出礦。按照第一組一步采采場開采開始至第一組三步采采場充填結束排列。屆時,不同梯次采場作業(yè)的數(shù)值關系如下。

一步采采場出礦量∶二步采采場出礦量∶三步采采場出礦量=2∶1 ∶1.

一步采空區(qū)充填量∶二步采空區(qū)充填量∶三步采空區(qū)充填量=2∶1 ∶1.

一步采空區(qū)存量∶二步采空區(qū)存量∶三步采空區(qū)存量=2∶1 ∶1.

2.2 李樓鐵礦空場嗣后充填管理

隨著礦體的的持續(xù)開采,礦山會逐漸形成一定體積的采空區(qū),其穩(wěn)定性主要受空區(qū)暴露時間和暴露面積影響,采空區(qū)的存在使得礦山的安全生產(chǎn)存在安全隱患。嗣后充填法會在礦山開采過程中對空區(qū)進行充填處理,在確保充填時間和質量的前提下,該方法能夠有效消除采空區(qū)的安全隱患。

2.2.1 采空區(qū)允許暴露面積

空區(qū)暴露面積主要是根據(jù)采場的地質及巖石力學條件研究確定。采場暴露面積一般是指采場頂板的暴露面積;對于采場充填體而言,一般是指充填體側幫的暴露面積。李樓鐵礦主要利用Trueman擴展的Mathews穩(wěn)定圖[8-9]確定采場暴露面積,見圖2,通過數(shù)值模擬計算和經(jīng)驗類比法進行驗證。

圖2 Trueman擴展的Mathews穩(wěn)定圖Fig.2 Mathews stable graph extended by Trueman

通過對李樓鐵礦巖石力學及研究,李樓鐵礦采場暴露面積推薦見表1,其采場跨度為20 m,階段高度100 m。

表1 采場暴露面積推薦值Table 1 Stope exposure area recommended values

通過數(shù)值模擬驗算及國內(nèi)外類似礦山實例,礦山選取的采場暴露面積是科學的,也是安全的。

2.2.2 采空區(qū)允許暴露時間

目前,采空區(qū)暴露時間計算多基于薄板理論。該理論將采空區(qū)頂板簡化為彈性薄板,將礦柱簡化為損傷的Kelvin-Voigt體,建立采空區(qū)頂板—礦柱蠕變損傷力學模型。通過推導采空區(qū)頂板擾度的微分方程并進行求解,進而預測采空區(qū)頂板的穩(wěn)定時間[10-13]。

基于薄板理論建立的采空區(qū)頂板—礦柱蠕變損傷力學模型的微分方程[10]如下:

式中,D為板的抗彎剛度;ω為板的擾度平均值;?為拉普拉斯算子;q為均布載荷集度;λ為礦柱面積與頂板面積的比值;E1為黏彈性模量;E2為彈性模量;η1為黏壺的黏滯系數(shù);D(t)為t時刻的損傷變量。

通過對上述微分方程的求解,可得礦體頂板彈性形變和流變損傷的時間T。

李樓鐵礦采場參數(shù)一般為50 m×20 m×100 m(長×寬×高)。采空區(qū)上覆蓋層厚度約為400 m,采場頂板為礦體和巖石250 m,礦體的抗壓強度52.281 MPa,抗拉強度為0.889 MPa,彈性模量26.607 GPa,泊松比為0.198,礦柱的橫截面積之和為頂板面積的50%,礦柱數(shù)目為2,高度100 m,礦柱的蠕變參數(shù)及損傷演化方程參照相關文獻選取[10]。

通過計算,當?shù)V柱為礦體時,采空區(qū)總穩(wěn)定時間為17個月;當?shù)V柱為充填體時,采空區(qū)總穩(wěn)定時間為14個月。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測,預測時間與采空區(qū)出現(xiàn)局部冒落時間基本吻合。

2.2.3 采空區(qū)暴露體積

為保證礦山生產(chǎn)安全,礦山采空區(qū)最大保有量必須嚴格控制。結合礦巖穩(wěn)定特性和采礦方法,對礦山巖石力學進行研究,進而得到礦山采空區(qū)的保有量和暴露時間,并將采場的暴露時間和暴露面積作為空區(qū)管理的依據(jù)。

李樓鐵礦一步開采采場空區(qū)暴露時間為17個月,二、三步開采采場空區(qū)暴露時間為14個月。根據(jù)一、二、三步開采采場關系,采空區(qū)的存量分配為:一步開采采場∶二步開采采場∶三步開采采場=2∶1∶1;即一步采采場允許暴露17個月的空區(qū)體積占允許暴露體積的1/2,其余二、三步開采采場各占空區(qū)暴露體積的1/4。則礦山允許暴露的體積為

式中,V空為礦山允許暴露體積,m3;A充為礦山充填能力,m3/a;T1、T2、T3為各步驟回采采場允許暴露時間,a。

李樓鐵礦充填能力為221萬m3/a,計算得礦山允許最大暴露體積為285.46萬m3,其中一步采采場空區(qū)體積為156.54萬m3,二步采采場空區(qū)體積為64.46萬m3,三步采采場空區(qū)體積為64.46萬m3。

2.2.4 充填采場個數(shù)

根據(jù)各梯次采場暴露體積,結合礦山充填能力,計算得礦山一步采充填采場不大于4個,二步采填采場不大于2個,三步采采場不大于2個。

備充空區(qū)的數(shù)量與管理水平、技術水平有關。對于李樓鐵礦,其采場爆破出礦4個月,充填準備1個月,充填4個月。即單個采場的充填準備速度為出礦采場或充填采場的4倍。據(jù)此,各類充填空區(qū)的數(shù)量關系為:在采空區(qū)∶在充空區(qū)∶備充空區(qū)=4∶4∶1。

3 采場布置、采空區(qū)及充填規(guī)律

通過綜合考慮采場和采空區(qū)的管理規(guī)律。李樓鐵礦各類采場、空區(qū)及充填存在以下關系:

(1)從速度上看:在充空區(qū)的總量消失速度=備充空區(qū)的總量準備速度=在采空區(qū)的總量產(chǎn)生速度。

(2)不同梯次采場主要作業(yè)量:一步采采場∶二步采采場 ∶三步采采場=2 ∶1∶1。

(3)在采空區(qū)+備充空區(qū)+在充空區(qū)≤允許暴露空區(qū)體積。

(4)在充空區(qū)個數(shù)=在采空區(qū)個數(shù)。

(5)各類充填空區(qū)的數(shù)量關系為:備充空區(qū)=1/4在充空區(qū)=1/4在采空區(qū)。

4 現(xiàn)場應用

截止至2021年6月底,李樓鐵礦的各項指標見表2～表4。

從表2中可以看出:李樓鐵礦“三級礦量”滿足我國現(xiàn)行規(guī)定,開拓礦量3～5年,采準礦量1～1.5年,備采礦量6～10個月。

表2 三級礦量關系Table 2 Relationship of tertiary ore volume

從表3中可以看出:李樓鐵礦不同梯次采場的開采個數(shù)、在充個數(shù)、出礦量基本滿足2∶1∶1的規(guī)律。采空區(qū)暴露體積為148萬 m3,小于計算允許值285.46 萬 m3。

表3 各采場數(shù)量關系Table 3 Quantity relation of stopes

從表4中可以看出:在采空區(qū)、在充空區(qū)、備充空區(qū)個數(shù)滿足4∶4∶1的比例關系。

表4 空區(qū)數(shù)量關系Table 4 Quantitative relationship of mined-out area

李樓鐵礦年生產(chǎn)礦山500萬t,年充填量221萬m3,礦山生產(chǎn)組織銜接科學,采場布置、采區(qū)及充填管理安全可靠,能夠保證礦山持續(xù)生產(chǎn)。

5 結 論

(1)利用Trueman擴展的Mathews穩(wěn)定圖、數(shù)值模擬計算以及經(jīng)驗類比法確定了采空區(qū)的暴露面積;結合采空區(qū)頂板—礦柱蠕變損傷力學模型,通過求解微分方程,預測了李樓鐵礦采空區(qū)頂板的穩(wěn)定時間,其中一步采采場空區(qū)允許暴露時間為17個月,二步采采場、三步采采場空區(qū)允許暴露時間為14個月。

(2)提出了礦山各步驟回采采場的在采個數(shù)、在充個數(shù)、出礦量應滿足 2∶1 ∶1。

(3)結合李樓鐵礦,總結了礦山采場出礦與采掘作業(yè)之間規(guī)律,得到了在采空區(qū)、在充空區(qū)、備充空區(qū)個數(shù)應滿足4∶4∶1的比例關系。

(4)本研究基于“三級礦量”理論,提出了采場、空區(qū)和充填運行的管理規(guī)律,補充了采場管理理論,為類似礦山采場管理提供了依據(jù)。