胶结充填采矿工艺中存在的问题和改进措施

陈宗林

(金川集团公司二矿区, 甘肃金昌市 737100)

胶结充填采矿工艺中存在的问题和改进措施

陈宗林

(金川集团公司二矿区, 甘肃金昌市 737100)

对机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿工艺中采准工程布置、盘区划分、进路回采、充填工艺、提高回采强度等方面进行了分析,指出存在的采矿设备利用率不高、生产效率低下等问题,有针对性地提出了改进方案和改进措施。

胶结充填;采矿工艺;问题分析;改进措施

金川集团公司二矿区采用的采矿方法是机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法,该方法在长 100 m、宽为矿体厚度 (约 80～150 m)的采区 (即盘区)内,组织机械化开采。中段高 100～150 m,分段高 20 m,分段道沿走向布置,在上盘围岩中布置分斜坡道连通上下两个分段,每个盘区布置一条脉外溜井,溜井联络道与分段道连通,盘区分层联络道通向回采分层,分层高 4.0 m。回采进路沿矿体走向布置或垂直矿体走向布置,进路断面 5 m×4 m。凿岩采用双臂电动液压台车,矿石运搬采用 H928D 6 m3铲运机。进路充填时先清底、吊挂钢筋、板墙封口后采用高浓度细砂管道输送胶结充填。采场通风采用预留充填回风小井方式,新鲜风流通过分段道、分层联络道进入采场,在辅扇抽出 (负压)作用下形成贯穿风流排出采场。盘区生产能力为 118～132 t/班,劳动强度大,生产效率低,机械化开采的优势未充分发挥。

1 采矿工艺存在的问题

机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法见图1。该采矿方法有较多的工艺优势和工艺特点,但随着科技进步,该采矿工艺也暴露出了许多与经济发展不协调的问题和缺点,主要体现在以下几方面:

图1 机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法

(1)采准工程量大、矿山工程投入多、采矿成本高。该采矿方法的采准工程有分斜坡道、分段道、矿石溜井、溜井联络道、进风井及联络道、分层联络道、回风充填联络道、预留假坑道等,采准工程量十分巨大,采切比达到 3.609 m/kt。二矿区目前下降速度快的盘区采准工程严重滞后,下降速度慢的盘区采准工程则闲置,导致分段工程服务年限被迫延长,加大了返修工程量。充填采矿方法本身所固有的局限性,金川矿山几乎每采出 1 m3矿石就要充填进 1 m3混凝土,而且,为了给下一分层创造安全的作业环境,对充填体的要求很高,这就造成采矿成本居高不下。

(2)采矿方法开层困难、假顶层难做、预留工程量巨大。从二矿区 1150,1000 m两个中段第一分层回采情况看,机采盘区开层十分困难。要形成完整的假顶层,至少要回采 3～4层才能完成,个别盘区直到第 5层、第 6层才能形成较为完整的假顶层。开层时片帮、冒顶时有发生,所有回采进路均要全断面支护,既降低了生产效率,又增大了采矿成本。预留的假坑道受采矿扰动影响,变形破坏严重,造成采场通风差,温度高,影响生产效率的提高。

(3)盘区划分和进路布置不尽合理。目前,二矿区每 100 m划分一个盘区,形成一个分段布置 8个盘区相对独立回采。由于受人力、车辆设备投入的限制,每个盘区只能布置一条分层联络道和配备一台套采矿设备,造成小盘区车辆配备能力过剩,而大盘区则显不足,设备效率不能充分发挥。因盘区长度小,无法布置两条分层联络道,当盘区转层转段时,盘区持续生产则受到限制,如果再采掘失调,盘区生产更受影响。其主要表现在两个方面:一是这种采矿方法所要求的采准工程限制和进路式采矿对设备铲矿效率的限制,致使设备不均衡负荷运转,出矿效率低下,没有发挥无轨设备在短距离内能高效转运矿石的能力,导致大型无轨设备的利用率没有得到充分发挥;二是进路式采矿的崩矿效率低—据现场调查,每次崩矿量大约 120 t(进尺约 2.4 m左右)左右,与最初设计的每炮进尺 3.6 m相差甚远,而且每个盘区每个班只能完成两个循环。由于受到盘区长度小,脉内预留风井限制等因素的影响,盘区分层联络道、分层道布置相对固定,不能将盘区划分为备采区、回采区、充填区 3大块。生产工区为了完成生产计划定额,在进路回采时多开口、乱开口,充填区内有回采,回采区内有充填,造成回采区受充填影响泥水多、工业卫生差,甚至无法回采。在充填区内受采矿影响造成板墙不稳跑灰漏浆,充填体强度大受影响。另外,还造成刚充填完就着急回采相邻进路,而使相邻进路的充填体后期强度形成受到很大影响,甚至导致其下分层顶板的开裂脱层。

(4)工业卫生差。为了解决充填体假顶暴露时间长易产生冒落的安全隐患,保证充填接顶,采场充填时泥水多、排污困难,采场工业卫生差。每条进路回采结束,都必须人工砌充填挡墙、架设充填管线,在进路内敷设底筋和吊筋等,生产工人的劳动强度大。并且由于盘区内部通风效果较差,工人的体力消耗也比较大。

(5)盘区回采强度低。目前二矿区大盘区平均每年采出矿量 24万 t左右,回采强度只有 12.5 t/m2·a;小盘区平均回采面积 9500 m2,回采强度为18.9 t/m2·a。目前国内平均回采强度为 20～30 t/m2·a,金川矿区的盘区生产能力还达不到全国矿山企业回采强度的下限。机械化盘区设计的生产能力为 33万 t/a,而多年的生产实践表明,机械化盘区的实际生产能力只能达到原设计的 55%～70%,因此矿山为了完成既定的任务必须采用“广种薄收”的办法,所有的生产盘区全部生产才能完成公司的任务,无备用盘区。

(6)矿石搬运距离大,生产效率低,材料消耗大。二矿区机械化盘区目前的平均运距均在 300 m以上(单程最大运距可达 480 m)。铲运机平均往返时间 480 s,利用率不足 60%,铲运机生产能力平均只有 72.5 t/h。同时给车辆带来较大磨损,导致备品备件超耗,轮胎费用增加,生产成本上升。

2 改进措施

2.1 采准工程布置的改进

采准工程的改进见图2。

图2 采准工程改进方案

(1)溜井布置在分段道内侧或者脉内布置溜井。

(2)加大分段高度,由原来分段高 20 m服务 5层变为分段高 24 m服务 6层。

(3)分层联络道呈树枝状布置。

其优点在于:缩短铲运机运距;减少采准工程量,采切比由 3.609 m/kt降为 2.843 m/kt;铲运机不出分段道,增加了分段道内行人的安全性;因分段道距矿体较远,降低了采矿对分段道的扰动,使分段道变形破坏因素减少,增加了分段道的稳固性,减少了分段道的返修量。

2.2 优化盘区尺寸

将目前每 100 m划分一个盘区,加大到每 140～150 m为一个盘区。

其优点是:可将盘区再划分为回采区、充填区、备采区,使采充互不影响,既有利于充填体强度的养护,又减少采场污染,还有利于提高生产效率;有利于转层转段;减少盘区数目后,有利于采矿设备的配备和备用,有时间有精力保养维修设备;有利于巷道返修维护,不至于因返修巷道影响生产。

2.3 上下分层进路交错布置

如果沿上分层进路方向布置下分层进路,当进路开采时,充填体顶板形成悬臂梁;而交错布置时则形成简支梁,跨度仅为进路宽度 (见图3)。

图3 同方向布置与交错布置示意

根据梁受力状态分析,悬臂梁剪应力状态见图3B,简支梁剪应力状态见图3D。当剪应力大于充填体抗剪强度时,充填体顶板发生开裂、变形甚至冒落。

上下层回采进路采用交错布置时,可以消除上下两层进路平行布置时造成的悬臂梁作用,避免充填体顶板的应力集中,提高盘区充填体顶板的整体稳定性。进路采用交错布置方式后,不仅大大改变充填体顶板的受力状态,而且承受剪应力最小,不必象以前那样为了防止充填体顶板冒落而架设大量的木棚子,降低了生产成本,并为加大进路断面提供可靠依据,使盘区生产能力提高近 15%。

2.4 充填工艺的改进

(1)加厚挡墙,提倡两次充填接顶,改变目前一次打底,二次补充,三次补口接顶的充填次序。其优点在于:减少了充填水并降低了水泥的用量,减少了采场污染次数,便于充填准备和充填管理,有利于提高充填效率。

(2)改变充填体内吊筋布置。根据充填机理研究的理论数据,充填体顶板主要承受拉应力,应力方向与吊筋方向垂直。吊筋相当于锚杆,起锚杆支护的悬吊作用。当进路长度大于 50 m时,充填体强度很难抗衡横向拉应力和纵向剪应力,充填体假顶易发生脱层,故吊筋的悬吊作用凸显,建议适当增加吊筋直径,以增强充填体顶板的抗拉强度。

(3)充填底筋敷设方式改进。底筋敷设原为人工进行,钢筋与钢筋之间要靠手工方式在进路里绑扎,劳动强度大,效率低,钢筋的整体强度也很难保证。现改为将钢筋焊接加工成 2.25 m×4.25 m的网片,充填时运至井下进行敷设。改进后提高了劳动效率,钢筋的整体性好,钢筋网度比较均匀,有助于提高充填质量。

(4)增设滤水装置,使接顶更充分,减少接顶时的溢流量。将研究成功的滤水装置用于生产,严格按照新制定的充填技术标准施工,将充填进路中的水分及时排放出采场。

2.5 提高回采强度

主要从以下几个方面改进:

(1)提高单炮进尺。目前国际上最高的单炮进尺已达 5 m以上,平均在 4.0 m左右,我国许多矿山的单炮进尺也在 3.0 m以上,而二矿平均单炮进尺只有 2.1～2.3 m。目前公司正在与中南大学合作进行增大爆破进尺的试验研究,将研究的成果运用于生产,再适当配套一些奖励政策,单炮进尺达 3 m以上应不成问题,单炮进尺达 4 m也不是梦想。

(2)加强采场管理,合理调整回采顺序,使进路回采具有时效性、连续性和采充平衡性,也是提高盘区回采强度的重要因素。

(3)在大盘区靠近矿体上盘增设脉内溜井,井深 20 m,直径 3 m,底部安装振动放矿机,上部与采场连通。采场矿石直接在盘区内运搬,大大减少了运矿距离,生产效率提高了 30%,加快大盘区的下降速度,对提高二矿区整体生产能力起到了关键作用。

3 结束语

机械化盘区下向分层水平进路胶结充填采矿法,虽然有许多优点,比如适应矿岩破碎稳固性差经济价值高的金属矿床开采,它的低贫化率和损失率也是其它采矿方法无法比拟的。对于金川二矿区厚大矿体稳固性差、矿石经济价值高的矿床开采也是非常适宜的。但是,该采矿方法在矿块布置上的确存在一定的缺陷,在采矿工艺上也存在一些问题,加之下向胶结充填采矿法自身所固有的局限性,成本高、效率低等缺点始终是制约金川镍矿进一步发展的重要因素。与此同时,随着金川镍矿开采深度的不断下降,当回采至 850 m中段时,矿山地压将会越来越大,由此所引起的问题将越来越多,采矿成本也会增高,下向机械化盘区胶结充填采矿法的弊病也会日益显著。作者根据二矿区回采多年的实际经验,提出对该采矿方法和回采工艺的改进措施是必要的,只要对金川二矿区采矿方法进行革新,就能达到安全生产、降低成本、取得更大经济效益的目的。

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2010-03-26)

陈宗林 (1967-),男,甘肃天水人,高级工程师,主要从事矿山采矿工程设计、施工及技术管理等工作。