地下组合式采矿法与联合式采矿法.docx
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地下组合式采矿法与联合式采矿法
地下组合式采矿法与联合式采矿法
本章提要
介绍地下组合式采矿法的原理、判据和适用条件,详细介绍留矿崩落采矿法和沿走向连续退采的分段空场崩落采矿法,简略介绍房柱崩落采矿法、分段空场崩落采矿法(瀑布式采矿法)、阶段留矿崩落采矿法、阶段留矿充填采矿法,并介绍了地下联合式采矿法及其在薄与极薄矿脉中的应用,为改进采矿方法与采矿工艺提供了辩证思维的思路和例子,为复杂难采矿床的开采提供了科学的指导。
1组合式采矿法的原理与适用范围
1.1组合式采矿法的原理
空场采矿法存在以下4个问题:
一是矿岩欠稳固时,如何有效地控制地压:
二是及时、可靠、经济地处理采空区,避免灾难性地压事故的发生;三是怎样有效而合理地控制和处理深部地压;四是一些品位较低且赋存条件复杂的矿床,在开采中相互制约的技术经济条件较多时,往往一般的空场法、崩落法与胶结充填法均难以适应,它们可能通过采用合适的组合式采矿法得到改善或解决。
组合是自然界和科学技术领域中应用极为广泛的基本原理。
任何一种采矿方法都有局限性,难以适应复杂多变的开采技术条件,即使采用其变形方案,也难以改变各种采矿方法本质决定的不足之处。
组合式采矿法以岩石力学为基础,协调采矿工艺、设备和采场结构之间的内在联系,既依存又独立于相关的采矿方法,兼备不同采矿方法的特色和优点,消除其缺点,通常能获得良好的技术经济指标。
当前,在改革和推广多种空场采矿法的同时,以一些空场法为基础,兼具充填法、崩落法相应特点的组合式采矿法得到了发展。
1.2组合式采矿法的判据
相对于常规的采矿方法,组合式采矿法的主要判据是:
(1)在以矿块或区段为单元的开采作业循环中,及时崩落采空区,是组合式采矿法不可缺少的重要工序,以此控制地压和处理采空区,不存在嗣后专门处理采空区的问题;
(2)通常组合式采矿法的出矿或放矿,在前期具有空场法的特点,而后期或同时具有以充填为条件或在覆岩下出矿的特点,不是在空场条件下进行的。
在矿块结构和回采工艺等方面,组合式采矿法不仅具有空场法的主要优点,而且兼具另一类采矿方法的优点。
1.3组合式采矿法的适用条件
同任何常规的采矿方法一样,组合式采矿法有其最佳的适用条件。
几种组合式采矿法的主要适用条件见表1所示。
表1几种组合式采矿法的主要适用条件
序号
采矿方法
地表维护
矿体倾角
矿体厚度
矿体稳定性
顶盘稳定性
底盘稳定性
1
留矿崩落法
允许陷落
急倾斜
中厚和中厚以上
中稳和中稳以上
较稳固
较稳固
2
分段空场崩落法
允许陷落
倾斜
中厚和较厚
中稳和中稳以上
欠稳至中稳①
中稳至稳固
3
房柱崩落法
允许陷落
缓倾斜至倾斜
中厚和中厚以上
中稳和中稳以上
欠稳至中稳①
欠稳至中稳
4
阶段留矿崩落法
允许陷落
急倾斜
中厚至极厚
中稳和中稳以上
欠稳固
欠稳至中稳
5
房柱充填法
不允许陷落
倾斜至急倾斜
中厚至极厚
中稳和中稳以上
不稳至欠稳
不稳至欠稳
6
分段空场充填法
不允许陷落
急倾斜
中厚至厚
欠稳至中稳
中稳
欠稳至中稳
7
阶段留矿充填法
不允许陷落
急倾斜②
中厚至厚
欠稳至中稳
不稳至欠稳
不稳至欠稳
8
全面空场充填法
不允许陷落
缓倾斜
薄
中稳和中稳以上
中稳至稳固
欠稳至中稳
9
倾斜分条留矿充填法
不允许陷落
急倾斜
薄
稳固
欠稳固
欠稳固
注:
允许有一定暴露面积,随着暴露面积的扩大将自然崩落;
产状规整
妥善处理空区具有一定的技术难度,往往成为组合式采矿法试验的核心技术问题,必须加强研究,在保证安全的前提下反复试验与完善,才有可能取得较满意的结果。
2组合式采矿法实例
2.1留矿崩落采矿法
这是留矿法与分段崩落法相结合的一种组合式采矿法。
特点是把阶段划为分段,在分段上将矿体划分为矿房(宽4~6m)与矿柱(宽3~5m),上下两个分段的矿房和矿柱错开布置。
先用留矿法回采矿房,随着下分段矿房回采的结束,在全面放矿的过程中,上分段的矿柱在自重作用下自然崩落到下分段矿房内,在下移过程中逐渐解体,到达底部后由铲运机运到矿石溜井(图1)。
为了保证矿柱在11米的下移过程中解体并能从装矿巷道中运出,显然需要矿体有较发育的裂隙和节理。
(1)矿块构成要素
阶段高度根据围岩的稳固情况和矿体的倾角等因素确定,通常为50~80m,最高可达200m;分段高度一般为12m;矿房宽度应根据矿体的稳固程度和地质构造确定,要保证矿房回采的安全和提高上分段矿柱的回收率,通常为4~6m,并趋向于加大矿房宽度以提高效率;矿柱宽度比矿房小lm,以便能在下分段放矿时崩落放出;矿房长度可按装矿机的合理运距和矿体赋存条件确定,一般为150~200m;没有顶柱和底柱。
图1留矿崩落法采区横剖面图
1-矿房;2-矿柱;3-装矿巷道;4-第一水平;5-第二水平
(2)采准切割工作
以金伯利岩管金刚石矿体的布置为例,采准工作包括:
从图2所示的阶段运输平巷3掘进斜坡道4和矿石溜井5连通各分段;在每一分段上,从脉外分段盲井6(图3)开掘一条穿过岩管中心的分段巷道7至岩管的另一端;从分段巷道的末端每隔21m或33m(相当于3个采区的宽度)开掘分段运输巷道1与脉外运输巷道和矿石溜井5相通;在与分段运输巷道垂直的方向上,每隔7~12m开掘装矿巷道2。
切割工作是在分段巷道的末端每隔7m开掘矿房拉底巷道,与装矿巷道形成7m×7m的连续采区。
图2留矿崩落法采准布置
1-主井;2-风井;3-阶段运输平巷;4-斜坡道;
5-矿石溜井;6-分段盲井;7-分段巷道
图3留矿崩落法分段平面图
1-分段运输巷道;2-装矿巷道;3-矿柱;4-矿房;
5-矿石溜井;6-分段盲井;7-分段巷道
(3)回采工作
回采工作可以从岩管的中部向两端推进,也可以从一端向另一端推进(图4)。
用浅眼留矿法回采矿房的矿石。
炮眼深度2~2.5m。
最上一排炮眼的深度不得超过上一分段水平面,以避免上分段矿柱在回采工作中突然冒落。
回采工作面通常要保持一定的斜面,以保证回采工作的安全。
矿体不稳固时应在回采工作面架设临时支护。
为避免上分段矿柱崩落的滚石造成事故,应在矿石堆的顶部安设挡板。
在浅眼崩矿期间进行部分放矿。
当矿房采至上水平附近时,上分段矿柱随着矿房的大量放矿而崩落。
用铲运机把矿石从装矿巷道运到矿石溜井。
图4留矿崩落法矿房纵剖面图
1-切割立槽;2-炮眼;3-装矿巷道;4-废石;5-临时支护;
6-挡板;7-崩落矿柱;8-溜井
(4)留矿崩落法的评价
留矿崩落法适用于围岩较稳固、矿体较厚的矿床。
它兼有留矿法和崩落法的优点:
不留矿柱,矿石回收率高,可达95%,贫化率为10%~15%;矿房凿岩爆破回采,矿柱靠自重崩落,回采效率高;采准切割工程量较少,投资少;用于露天转地下过渡开采时,回采前不用建立安全覆盖层,可提前由露天转入地下开采。
缺点是矿房用浅眼落矿,安全条件较差;矿房宽度小,影响效率的提高;通风条件不够好。
适当加大矿房与矿柱的宽度,采用中深孔落矿是其发展方向。
2.2分段空场崩落采矿法
这是开阳磷矿矿务局和中南大学研究试验成功的一种组合式采矿法。
(1)开采技术条件
浅海相沉积磷块岩矿床,矿层厚度5~7m,倾角一般为30°~40°,不稳固到中等稳固,节理发育,f=4~6。
矿层上盘为白云岩,f=7~12,中等稳固至稳固,暴露面积超过1000~1500m2自然冒落。
在矿层与上盘白云岩之间常夹有不稳固的含锰白云岩、黄绿色与褐色页岩,厚度3m以下,易冒落。
下盘为泥质石英砂岩,f=8~12,中等稳固。
(2)矿块结构
在阶段高度40米的范围内,划分为3个分段。
如图5所示,沿矿体底板在矿体内掘进分段出矿平巷1,通过分段联络道与采区行人和溜矿天井相接,形成独立的分段运输系统。
在分段平巷上部垂高5米处,沿底板接触线掘进拉底切割平巷4;沿分段出矿平巷靠底板一侧每隔8米开掘装矿横巷2。
图5分段空场崩落采矿法
1—分段出矿平巷;2—装矿横巷;3—斗颈;4—拉底切割平巷;5—矿块下部回采炮孔;
6—矿块上部回采炮孔;7—隔离矿柱;8—切割天井
矿块不留间柱,只留斜高为5米的斜底柱。
在下分段回采时,保留3米斜高作为分段隔离顶柱,不回收,用作下分段回采过程中支撑矿房和隔离上分段崩落的废石。
矿块底部结构用作放矿、运搬和通风。
(3)采准切割
沿矿体底板在矿体内掘进分段出矿平巷,到达矿块边界;沿矿体下盘每隔65~70m掘进一条行人与溜矿天井,从天井内每隔13~14m垂高开凿分段出矿联络道到达矿体,在分段出矿联络道之上5m处,掘进拉底凿岩联络道,沿矿体底板掘拉底凿岩平巷。
在矿块边界,从拉底凿岩平巷,沿底板接触线在矿体内掘进倾斜切割天井;在切割天井,从拉底凿岩平巷向顶板方向掘进凿岩硐室;在分段平巷靠底盘一侧掘进装矿横巷,水平间距为5.5m。
切割工作包括用扇形中深孔爆破形成切割槽,其爆破顺序为由下盘向上盘分2~3段毫秒雷管一次起爆,以及由斗颈钻凿上向中深孔,一次爆破扩漏。
(4)回采工艺
凿岩。
矿房下部的回采炮孔是从拉底凿岩巷道钻凿上向扇形中深孔,炮孔直径50~60mm,孔深3~12m,排间距2m。
矿房上部炮孔是从上分段装矿横巷,逆回采方向钻凿单向倾斜扇形炮孔,排面垂直于矿体顶板,最小抵抗线2m。
爆破。
分两步进行。
先从切割槽开始,沿走向逐排崩矿,崩落矿石通过漏斗放至装矿横巷,这部分矿石占矿房矿量的65%。
待下部崩矿工作面推进8m左右时,爆破上部炮孔,利用爆力将矿石抛入堑沟,通过漏斗放出,这部分矿石占矿房矿量的20%。
矿石运搬。
用YZQ-12型装运机将矿石运至溜矿天井。
通风。
新鲜风流由人行天井进入分段平巷和拉底凿岩平巷,清洗工作面后,污风经矿房进入上部平巷,由回风系统排出。
顶板管理。
通过沿走向逐步退采,不断扩大顶板暴露面积,当暴露面积大于800~1500m2后,顶板自然冒落,消除空场。
近工作面的区域有形成不久的隔离顶柱保护,仍能保持合适的工作空间。
(5)主要技术经济指标
试验所取得的主要技术经济指标为:
采出矿量7.19万吨,矿块生产能力140t/d,矿石损失率31.34%,贫化率12.12%。
(6)评述
方案的特点是:
将阶段划分为3个分段,留永久隔离顶柱,不留房间矿柱,倾斜矿柱占矿量仅为15%;以脉内采准为主,有底部结构;人员、设备不进入空场作业,安全性好;用高效自行设备完成主要作业,生产能力大;中深孔崩矿,崩矿与出矿错开,可实现多分段作业;沿走向连续退采,让顶板自然崩落。
本方案的采准工程量少,采准费用低,矿石贫化率低,安全性好,具有较好的技术经济指标。
2.3房柱崩落采矿法
20世纪50年代,在法国洛林铁矿区,对于顶板围岩由中等稳固至欠稳固的缓倾斜中厚矿体,在典型房柱采矿法的基础上,通过对采矿工艺、采装设备和采场结构的变革,逐步演变为在该矿区全面推广的房柱崩落采矿法。
(1)矿块结构
把矿脉划分为盘区,盘区划分为矿房和连续矿柱,见图6所示。
图6房柱崩落采矿法
1-矿房;2-连续矿柱;3-切割巷道;4-矩形临时矿柱;5-切割小巷;6-残柱
(2)回采工艺
矿房回采就是进路掘进。
矿房回采依次超前进行,直达采空区。
对于留下的大尺寸连续矿柱,从采空区以后退的方式,先以垂直于连续矿柱走向的切割横巷3进行穿插回采,形成一个间断的孤立矿柱4;再对孤立矿柱以切割小巷5进行穿插回采,形成两个残柱6,最终崩落残柱。
以这样的方式把矿房已采区的矿柱化整为零,通过逐渐加大顶板暴露面积达到放顶的目的,消除顶板的压力,处理采空区。
采用锚杆支护加固矿房(进路)的顶板,采准、回采和出矿作业都是在进路的空场中进行,出矿采用自行设备。
(3)技术经济指标
梅里铁矿年产矿石190万t,定员191人,采矿工效177/工班,全员工效50.7t/工班,比原来采用的房柱法工效高7倍,矿石损失率为15%。
2.4分段空场崩落采矿法
在开采倾斜中厚矿体中采用,要求矿体稳固,顶板中等稳固,能通过扩大顶板暴露面积使之自然崩落。
在赞比亚木富利腊铜矿,矿体倾角30°~50°,厚9~12m。
矿块沿走向长度300m;阶段高度75m,分段斜长视矿体倾角而定,为9~35m;将分段划分为下部矿房和上部矿柱,均沿矿体走向布置,上部矿柱相当于顶板,兼作间柱。
在底盘的分段平巷内钻凿上向扇形深孔落矿,崩落矿石通过底盘漏斗或贮矿堑沟,用装运机运往溜井。
矿房回采超前于上部矿柱回采30~50m,然后爆破在上部矿柱中钻凿的扇形深孔,崩落矿柱的矿石在覆岩下放矿,实行后退式连续回采和连续出矿,一个阶段可同时回采2~6个分段,相邻分段由上而下依次超前60m,矿块月生产能力可达万吨,采矿工效80.5/工班,矿石回采率84%,又称瀑布式采矿法。
2.5阶段留矿崩落采矿法
锦屏磷矿在倾角为60°、厚度50m的矿体中试验阶段留矿崩落法。
矿体稳定,顶盘岩体稳定性差。
阶段高度60m,矿房走向宽24m;房间矿柱宽12m。
水平扇形深孔落矿。
在底柱中垂直走向布置两条电耙道。
结束矿房落矿工作并放出部分矿石后,以矿房上部的空场作为补偿空间,利用预先钻凿好的深孔,一次崩落总厚为15~20m的顶柱和上水平底柱,同时崩落补偿空间一侧的上段间柱,上阶段已崩落的覆岩随之下落,然后在覆岩下进行大量放矿。
该法已占该矿区产量的50%,平均采矿工效为43t/工班。
2.6分段空场充填采矿法
加拿大福克斯铜锌矿矿体平均厚度18m,倾角70°,阶段高度122m,分段高度30m,房间矿柱宽14m;当开采深度在610m水平以下时,由于地压较大,阶段高度降至60m,矿房和矿柱沿走向宽度均取23m。
扇形深孔落矿,铲运机出矿。
房间矿柱一般在回采相邻矿房一个月前完成采矿和充填作业,采用1:
30的水泥尾砂作一次充填,同时保留3~4.5m厚的矿壁支撑矿房内的尾砂非胶结充填体。
矿石损失率为10%~15%,贫化率很低。
2.7阶段留矿充填采矿法
加拿大吉柯铜锌矿急倾斜矿床的厚度在20m左右,矿体较稳固,距矿体较远的两盘围岩也较稳固。
矿房按一般深孔留矿方法开采,但是在大量放矿过程中,为了避免上下盘围岩因暴露面积不断加大而冒落,采用边放矿边用废石进行充填,待结束覆岩下放矿时,再用1:
30的水泥尾砂灌入废石中,使充填料胶结为整体。
由于充填体沉降率较大,难以接顶,矿房顶柱曾发生冒落,采用预应力锚索加固顶底柱,效果良好。
矿石回收率高,贫化率不超过14%。
3地下联合式采矿法
3.1概述
地下联合式采矿法是指在同一矿块内,运用两种或两种以上的采矿方法同时或顺序开采的采矿方法。
因为可以在不同的条件下发挥各自采矿方法的优点,因而具有良好的适应性,可以提高劳动生产率和降低矿石贫化损失。
在合适的条件下,联合式采矿法具有良好的发展前景。
3.2联合式采矿法在薄与极薄矿脉中的应用
在薄与极薄矿脉的回采中,矿石贫化率高是一个突出的问题。
某些有色金属与贵金属矿脉不仅厚度多在lm以下,而且矿脉形态复杂,频繁出现膨胀、收缩、分支、复合、尖灭等现象,因此,在同一采场内使用单一的采矿方法难以获得良好的经济效益,从而为联合式采矿法的应用提供了条件。
这里介绍武汉理工大学在河南省灵宝市安底金矿进行的全面法、分采充填法、留矿全面法、分采留矿全面法组成的联合式采矿法试验。
(1)矿块开采技术条件
矿脉为含金石英脉,坚固稳定,f=14~16,倾角40°,平均厚度0.97m;上下盘均为混合片麻岩,f=12~14,稳定性较好。
阶段高度40m,矿块走向长度50m。
该矿块东富西贫,东厚西薄,西部宽l0m和上部斜长28m为表外矿。
(2)矿块结构与开采工艺
见图7所示,在矿块西部表外矿中掘进漏斗9和溜井6,溜井长度30m。
在溜井中沿斜高每隔8m掘进电耙硐室7,并掘进电耙道8与采场相通。
图2.12.7四种采矿方法组成的结合式采矿法
1-全面采矿法;2-分采充填法;3-留矿全面法;4-分采留矿全面法;5-天井;6-溜井;7―电耙硐室;8-电耙道;9-漏斗;10-废石墙
图2.12.8分采留矿全面法
1-天井;2-待采矿石;3-隔离层;4-矿石电耙;5-矿石溜井;6-存留矿石;7-矿石漏斗;8-废石电耙;9-废石溜井;10-废石漏斗
矿块东部沿走向17m的矿脉平均厚度为1.4m,可以满足1.8m垂高的最低采幅要求,用全面法开采,形成16.7×26.5m2的采空区。
矿块中下部矿脉的平均厚度为0.59m,若继续采用全面法开采,则保持最低采幅的废石混入率高达57.21%,于是改用分采充填法开采。
先用抛掷爆破方法把废石崩向采空区,清除工作面的残余废石后,再用松动爆破方法把矿石崩落在工作面,用电耙把矿石耙运至溜井放出。
在工作面向上推进的同时,挑选大块废石在新形成的采空区东侧堆砌宽约2m、高度接顶的废石墙,阻止充填废石的滚落。
当用分采充填法上采到斜高14.1m时,因矿脉变宽,采下废石远不足以填满采空区而停止使用。
它的开采面积为29.0×14.1m2,废石混入率为13.5%。
在此高度以上,矿块西部18.5m宽度的矿脉变窄到1.24m,其垂高达1.67m(平均倾角为42°),采用留矿全面法开采所需同时采下的围岩厚度只有0.098m,于是决定用留矿全面法开采这部分矿量;矿块东部10.5m宽的矿脉厚度变宽到0.86m,对应垂高1.16m,满足最低采幅的废石混入率不小于35.6%。
为了减少东部矿石的贫化,试验成功一种新的采矿方法——分采留矿全面法(图8)。
其采场结构参数与留矿全面法相同,只是矿石与岩石分采,把采空区作为留矿空间,先用抛掷爆破方法把位于采幅上部的矿石崩落到留矿空间,需部分放矿的矿石用电耙沿水平方向耙到矿石溜井运出;平整好采下的矿石后,在它上面铺上废运输胶带建立的隔离层,然后松动爆破围岩达到最低采幅,把崩下的废石沿水平耙至废石溜井运出。
如此循环,待整个矿房采完后,进行大量出矿,同时相应回收矿柱。
在分采充填法的充填废石之上用废运输胶带建立起隔离层后,矿块东部用留矿全面法上采12.9m,达到矿体边界,废石混入率为10.8%;矿块西部用分采留矿全面法上采12.6m达到矿体边界,废石混入率为11.9%。
最后将留矿空间暂留的矿石用电耙耙运到溜井全部放出。
(3)评价
分采留矿全面法弥补了分采充填法和留矿全面法之间的空白,从而可实现薄与极薄矿脉之间合理采矿方法的转换。
在类似条件下,由这四种采矿法组成的结合式采矿法,可以在采出矿石贫化率最小的情况下,最大限度地回收矿石储量,获得良好的经济效益。
这几种方法具有转换灵活的特点,既可在采空区中留矿,又可用废石充填。
用废运输胶带作为矿岩的隔离层时,只适于胶带埋在矿岩之下的电耙运搬。
当耙运到胶带外露时,宜改用人工方法清理剩余的矿岩。
建立更有效的、方便的隔离层是今后的发展方向。
本章小结
任何一种采矿方法都有它的局限性。
组合原理与联合方法,是自然界与科学技术领域中应用极为广泛的原理和方法。
在介绍地下组合式采矿法的原理及其判据和适用条件的基础上,详细介绍了得到成功应用的留矿崩落采矿法,该方法构思巧妙地把下部矿房的尺寸确定为比上部矿柱尺寸宽1m,并使后者位于前者的正上方,当下部矿房开采完毕,上部矿柱即失去支撑而崩落,在放矿过程中受摩擦与挤压作用而解体,覆岩随之下落,同时完成采矿和采空区处理工作,具有多重功效,成为启迪我们改革采矿方法与工艺的典范。
详细介绍分段空场崩落采矿法后,简略介绍了房柱崩落采矿法、分段空场崩落采矿法、阶段留矿崩落采矿法和阶段留矿充填采矿法,起到开拓眼界的作用。
最后介绍了地下联合式采矿法及其在薄与极薄矿脉中的应用。
由于几十种传统采矿方法已经比较成熟与规范,因此,大力发展地下组合式采矿法,扬长避短,巧妙结合,可望创造出新的高效、安全、经济的组合式采矿法,解决复杂难采矿床的矿石贫化与损失率高的难题。
它们是采矿方法和工艺改革与完善的重要方向。
习题
1地下组合式采矿法的原理、判据与适用条件是什么?
2留矿崩落法是如何回收上分段矿柱的?
它对矿体有什么要求?
3用崩落法控制地压和处理采空区可能遇到的主要技术困难是什么?
4你能设想出几种新的组合式采矿法方案?
它们的适用条件是什么?
5什么是地下联合式采矿法?
你能设想出哪些联合式采矿法?
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- 地下 组合式 采矿 联合