缓倾斜中厚矿体机械化采矿理论与技术

余 健¹, 黄兴益², 吴东旭³, 马佩周³

(1. 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙, 410083;

2. 昆明有色冶金设计研究院, 云南 昆明, 650051;

3.易门矿务局, 云南 玉溪, 653100)

摘要: 分析了缓倾斜中厚矿体开采过程中, 在地压控制和采场矿石运搬方面存在的困难, 从充分发挥无轨设备的工作效率和回采作业的安全角度出发, 提出“大盘区、 小分段”的设计理念; 通过数值模拟, 分析了采空区顶板形状对采场稳定性的影响, 强调了优化采空区顶板形状对控制采空区顶板稳定的重要性。 试验结果表明: 在大红山矿区的岩层条件和原岩应力作用下, 采空区的跨度不应大于20 m。 工业试验结果证明, 以上述理论为基础提出的小分段空场开采嗣后尾砂与废石混合充填采矿工艺充分发挥了无轨采掘设备的效率, 保证了采场顶板的稳定, 改善了作业人员的工作条件, 与传统的采矿工艺相比, 生产效率提高了3倍以上。

关键词: 缓倾斜中厚矿体; 无轨采矿; 采场稳定性

中图分类号:TD82 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)06-1107-05

Theory and technology on trackless mining of

gentle dip multi-strata ores of medium size

YU Jian¹, HUANG Xing-yi², WU Dong-xu³, MA Pei-zhou³

(1. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2.Kunming Nonferrous Metallurgical Design and Research Institute, Kunming 650051, China;

3. Yimen Mining Company, Yuxi 653100, China)

Abstract: Difficulty in field stress control and ore removal in the open stope was analyzed in the mining of gentle dip multi-strata ores of medium size. The theory of “larger stope and smaller span room” was put forward in regard of fully raising the working efficiency of trackless equipments and mining safety. The influence of the roof shape on room stability was analyzed by numerical methods. The importance of the optimization of room roof shape to the controlling roof stability was emphasized. The stope span affected by rock stratum and original field stress in Da Hong Mountain Mine is within 20 m. The results show that the technology of smaller span room mining following slurry and waste rock filling brought up on the basis of the above theory has improved the efficiency of trackless equipments greatly. The stability of room roof is under good control. The working conditions have been made much better, workers’ labor intensity has been greatly decreased and the productivity has been raised more than 3 times compared with the traditional mining technology.

Key words: gentle dip ores of medium size; trackless mining; stability of stope

缓倾斜中厚矿体一般指厚度为5~20 m, 倾角为5°~30°的矿体, 是采矿界公认的难采矿体, 至今存在大量未解决的理论和技术难题。 目前, 利用先进的无轨采掘设备, 国外在缓倾斜中厚矿体的开采技术研究方面取得了显著的进展, 首先是扩大了房柱法的适用范围, 创造了沿走向推进的对角式斜巷房柱法、 下向阶梯式房柱采矿法和斜交走向推进的房柱采矿法^{[1, 2]}。 其次, 分段空场采矿法得到了更加广泛的应用, 其中下盘脉外采准分段空场法、 底盘漏斗分段空场法发展最快, 将两者组合并结合爆力运搬形成的适合于倾斜中厚矿体开采的分段空场采矿方法也得到较快发展^{[3, 4]}。 此外, 随着大型深孔液压凿岩设备的使用, 使采切工程变得越来越简单, 工程量越来越小。 目前, 广泛采用的平面采切工程更有利于大型无轨出矿设备发挥高效率、 大规模出矿的特点^[5]。

国内在缓倾斜中厚矿体开采方面, 大多数仍采用房柱法或下盘漏斗底部结构的空场法开采, 在少数矿山采用全面法、 爆力运搬空场法和分段崩落法等方法开采^[6]。 下盘漏斗电耙出矿空场法的主要缺点是采切工程量大, 分层凿岩爆破工艺复杂, 劳动强度大, 电耙出矿效率低; 房柱采矿法存在的主要问题是矿柱损失大, 对于围岩稳固性较差的矿体, 进入采空区作业的人员和设备受到的安全威胁大, 如果采用预控顶技术不仅使回采工艺复杂, 而且采矿成本将大幅度提高。 可见, 我国在缓倾斜中厚矿体开采方面, 存在较多亟待解决的理论与技术问题, 在此, 作者对其进行研究。

1 缓倾斜中厚矿体机无轨械化开采方案

缓倾斜中厚矿体开采在技术上主要存在2个方面的: 一是随着采矿作业的进行采空区顶板暴露面积逐渐扩大, 低成本、 安全可靠的护顶技术问题未得到有效解决, 使得大型无轨设备无法进入采空区作业^[7]; 二是由于矿体倾角缓, 采场内崩落的矿石无法实现重力运搬, 必须借助爆力或机械运搬, 如何提高采下矿石运搬效率也是有待解决的问题。

对于第1个问题, 试验盘区以优化采场的顶板形状作为主要措施, 将采场顶板设计为长条形, 以控制采空区顶板跨度为主要手段, 而不是以控制采空区顶板暴露面积为主要手段, 为此, 对试验盘区采取“大盘区、 小分段”设计思路; 对于第2个问题, 为确保回采人员和设备的安全, 在试验盘区仍采用重力放矿为主的矿石运搬方式, 以下盘堑沟底部结构集矿、 大型铲运机出矿。 此外, 为提高无轨设备的工作效率, 必须保证设备有良好的作业环境, 而水平工作环境是无轨自行设备提高工作效率的前提, 因此, 试验采场设计沿倾斜方向分段, 沿走向布置矿房。 采用这种布置方式可保持采掘设备始终处于水平状态下工作, 有利于提高无轨设备的效率。 为此, 提出了“沿走向布置矿房下盘脉外采准机械化房柱采矿嗣后废石尾砂混合充填采矿法”的回采试验方案。

大红山铜矿二期工程是云南省首家全面采用无轨机械化设备进行地下开采的现代化矿山。 矿床内主要赋存多层缓倾斜中厚矿体, 层间开采相互影响大, 矿体形状变化大, 界线不清, 大规模开采技术难度很大。 机械化采矿工业试验盘区选在二期工程范围的54盘区, 该矿段矿体平均厚18 m, 倾角23°, 在二期工程期间具有代表性。 回采试验方案及采切工程的布置方式如图1所示。

图 1   机械化采矿盘区布置图

Fig. 1   Arrangement of trackless mining stope

2 盘区布置方式及结构参数

为具体确定试验盘区的结构参数, 对盘区的走向长度、 矿房的跨度和矿柱的宽度等重要参数进行计算机数值模拟研究, 图2所示为三维计算机模拟的立体模型(模型中除沿走向的矿柱外, 还考虑了沿倾向的矿柱)。 采用日本软件株式会社的工程结构解析CAE系统3D-σ软件, 共建立30多个模型, 对盘区不同的布置方式和矿房结构参数进行数值模拟分析, 模型的节点数大多在10万个以上, 数值模拟的精度合乎要求。 数值模拟分析采用的力学参数如表1所示。

模拟分析结果表明, 在大红山矿区的岩层条件和原岩应力作用下, 当矿房的宽度小于20 m时，矿房长度的增加对顶板稳定性的影响是有限的。 当矿房的长度达到80 m以上, 相应的顶板暴露面积为1550~1652 m²时, 采场顶板围岩仍处于稳定状态。 该模拟计算结果表明, 采空区顶板的暴露面积不是决定采场顶板围岩稳定性的惟一因素, 采空区顶板暴露面的形状对采空区顶板岩层的稳定性影响也很大。

表 1   岩体力学参数表

Table 1   Rock mechanics parameters

图 2   试验盘区计算机数值模拟立体模型

Fig. 2   Three-dimensional model of computer numerical simulation in experimental stope

试验结果表明, 在大红山矿区, 暴露面积相同的条件下(1600 m²), 当采空区顶板暴露面的形状为正方形时, 采空区顶板岩层是不稳定的, 但当其形状为宽度为20 m以内的长条形时, 暴露面积超过2000 m², 采空区顶板岩层仍是稳定的。 实际上, 当采空区顶板的长度大于宽度的2倍时, 决定采空区稳定性的因素是其跨度而不是采空区的长度。 因此, 优化采空区顶板暴露面的形状是地压控制的重要手段之一^{[8, 9]}。

沿走向布置矿房在不加大矿房跨度的情况下增加矿房长度, 既不会恶化顶板岩层的受力状况, 又增加了矿房矿量和出矿进路数目, 对提高采区生产能力是十分有利的。 为此, 对于缓倾斜中厚矿体机械化采矿提出了“大盘区、 小分段”的设计理念。

图3所示为试验盘区矿房间柱稳定性的计算机三维模拟图。 模拟分析表明, 当矿体厚度不大于20 m时, 只要矿柱的宽度大于4 m, 就可在完全空场的情况下, 保持回采期间(6个月)矿房的稳定。 当矿房采完后, 立即充填, 这有助于矿柱的稳定期的延长。

图 3   试验盘区矿房间柱数值模拟图

Fig. 3   Numerical analysis of pillars between rooms in experimental stope

根据采区稳定性数值模拟的结果和矿山的实际情况, 确定的盘区和矿房的结构参数为: 盘区走向长度100 m, 盘区间柱宽度10 m, 盘区顶柱和底柱宽度5 m, 矿房跨度20 m, 矿房间柱宽度4 m。

对于多层缓倾斜中厚矿体的开采, 还存在着各层矿体之间开采的相互影响和制约问题。 数值模拟计算结果表明, 当2层矿体之间的间距小于7 m时, 按照上述的盘区和矿房的结构参数, 矿体是不稳定的。 经回采工艺研究, 对于此类矿体的开采, 可通过调整开采顺序避免夹层岩石对回采稳定性的影响, 其基本思路是由目前的先采上层矿体后采下层矿体的回采顺序改为先采下层矿体待采空区充填后再采上层矿体的回采顺序。

3 机械化开采工业试验

试验盘区的采切工程主要有: 盘区斜坡道、 运输平巷、 装矿进路、 凿岩平巷、 出矿溜井、 充填回风井、 切割天井和切割平巷等, 主要运输巷道的断面尺寸是4.3 m×4.0 m(宽×高)。 采切工程掘进时采用的凿岩设备是瑞典阿特拉斯(Atlas Copco)公司生产Boomar 281和Boomar104共2种全液压凿岩台车^[5], 出渣设备为我国金川公司生产的JCCY—2型(2 m³)柴油铲运机。 每个工作循环掘进进尺为3.0~3.5 m。

回采作业使用的凿岩设备是瑞典阿特拉斯(Atlas Copco)公司生产的SimbaH1354全液压凿岩台车^[5]; 深孔装药设备是芬兰Normet公司生产的Charmet 6315 XCR 装药台车^[5], 该设备采用压气装药, 具有自动吸药、 机械手找孔、 自动送管、 测量孔深和显示装药速度等功能。

试验盘区矿房的切割槽布置在矿房的中部(矿体厚大部分), 施工时在切割横巷内凿上向平行孔, 以切割天井为自由面分段微差爆破而成。 切割槽施工时的凿岩爆破参数为: 孔径80 mm, 孔深27 m, 排间距1.2 m, 孔间距1.4 m, 爆破指向比18%, 炸药单耗为1.0~1.2 kg/t。 为使切割槽爆破后形成足够的空间, 在切割槽爆破时同时还带放了两边各1排扇形炮孔, 爆破完成后形成了宽达7 m的矩形空间。

采场崩矿采用扇形炮孔布置方式, 图4所示为试验盘区1号矿房42排炮孔实际布置情况。 崩矿时以切割槽为自由面, 两翼向中间爆破。 试验盘区1号矿房实际待崩矿体长度83 m分3次崩完, 崩矿距离分别为23, 30和30 m, 第一次崩矿时由于切割槽空间有限, 崩矿距离较少, 为23 m, 切割槽两边分别崩矿12 m和11 m; 后2次崩矿距离为30 m, 空区两边各崩15 m。

图 4   试验盘区扇形炮孔布置

Fig. 4   Arrangement of fan-shaped blast hole

采场崩矿时的凿岩爆破参数为: 孔径80 mm, 排距1.4 m, 平均孔底距2.8 m, 炮孔密集系数2, 炸药单耗0.54~0.62 kg/t(包括2次破碎), 每米炮孔的崩矿量为7.6 t。 采场出矿工作是影响盘区生产能力最重要的因素, 现代采矿工艺中盘区的生产能力取决于出矿设备的工作效率, 因此, 出矿设备的性能是决定采矿生产能力的关键。 本次试验采用的出矿设备是由汤姆罗克(Tamrock)公司生产的TORO400E电动铲运机^[10]。 这种出矿设备以电作为动力无油烟污染, 在运行过程中, 电动机发热量小, 出矿时铲装动力大, 装满系数高, 转弯半径小, 运转灵活, 运行速度调节范围大, 特别适用于大规模地下矿山开采出矿。 出矿时, 由装矿进路进入采场装矿, 经运输平巷运到盘区溜井卸矿。 一般铲运机出矿的运输距离不得大于250 m, 试验盘区的平均运距为80 m。 试验结果表明, 采用TORO400E电动铲运机出矿, 平均出矿能力可达200 t/h, 即每班的出矿能力可达1000~1200 t(工作时间6 h)。 出矿过程中大块矿石(直径大于350 mm) 的产出率小于3%, 由移动破碎锤或二次爆破处理。

试验盘区1号矿房运输水平的高程是512 m, 为解决回采时的通风问题, 从该水平掘进3条回风天井通550 m水平。 回采时, 新鲜风流由运输平巷经装矿进路进入采空区, 再由通往550 m的回风天井进入上部回风巷道排出地表, 回采完毕, 这些回风天井兼作充填井。 试验盘区采用废石充填与尾砂充填相结合的办法处理采空区。 这样, 既可减少废石的提升量和地表的环境污染, 又可提高充填料的透水性能和充填体的强度。 试验过程是先由550 m水平向采空区充填废石, 待无法继续充填废石时, 再充填尾砂。 1号矿房共处理废石6000 m³。

缓倾斜中厚矿体无轨机械化采矿试验的主要技术经济指标如表2所示, 为了与传统的采矿方法进行对比, 表2中还列出了与传统采矿方法相对应的技术经济指标。 其中, 传统采矿方法是指大红山矿一期工程所使用的下盘漏斗空场开采嗣后尾砂充填采矿法。

表 2   无轨机械化采矿试验的主要技术经济指标

Table 2   Main technologic and economic targets

4 结 论

a. 对于缓倾斜中厚矿体机械化开采, 应采用“大盘区、 小分段”的设计理念。 工业试验结果表明, 基于上述理论设计的小分段空场回采嗣后尾砂与废石混合充填工艺, 提高了无轨采掘设备的效率和采场生产能力, 降低了工人的劳动强度;

b. 理论计算和生产实践结果证明, 采空区的暴露面积不是决定采场顶板围岩稳定性的惟一因素, 暴露面的形状对采空区顶板岩层的稳定性影响很大。 试验盘区采用的长条形顶板优化了采空区顶板形状, 提高了矿房顶板岩层的稳定性和回采作业的安全性, 降低了贫化损失率。

c. 为提高无轨采掘设备的效率, 采切工程设计时应坚持2个原则: 一是利用深孔全液压凿岩台车优良的性能平面布置采准切割工程; 二是使无轨采掘设备始终保持水平作业环境。

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收稿日期:2005-03-08

基金项目: 云南省省院省校科技合作计划资助项目(2001)

作者简介: 余 健(1960-), 男, 重庆市人, 博士研究生, 教授, 从事采矿工艺及岩体力学研究

论文联系人: 余 健, 男, 教授; 电话: 0731-8876956(O); E-mail: yujianzhangailan@tom.com