无矿柱梯段式连续回采充填法的试验研究

周英芳,王文胜,邵珠江,王兴涛,张清伟,王 涛

(1.招远市蚕庄金矿, 山东招远市 265402;2.招金矿业大尹格庄金矿, 山东招远市 265414)

无矿柱梯段式连续回采充填法的试验研究

周英芳1,王文胜1,邵珠江1,王兴涛1,张清伟1,王 涛2

(1.招远市蚕庄金矿, 山东招远市 265402;2.招金矿业大尹格庄金矿, 山东招远市 265414)

针对蚀变岩型金矿床的特点,提出了“无矿柱梯段式连续回采充填采矿法”方案,并对该法的采矿工艺、支护结构和参数、充填材料及工艺进行了试验研究,实践证明其是一种经济、高效、安全的采矿方法。

无矿柱;梯段式连续回采;胶结充填;充填料配比

矿区位于沂沭断裂带的东侧,胶东隆起的西缘,掖县复背斜的北翼,黄县～掖县弧形断裂的支断裂-望儿山断裂带上。矿区从上到下的地层依次为:第四系沙质粘土及残坡积;黑云母花岗岩和伟晶岩脉、煌斑岩脉;主裂面及两侧的碾压区破碎蚀变带,该层为矿区的主要含矿带;似斑状花岗闪长岩。

本矿带系望儿山含矿蚀变带的北东段。蚀变带主要由东西两条蚀变岩脉及其派生的低级别蚀变岩脉组成,走向北东 30°～40°,控制长度 3100 m,地表出露宽为 15～90 m,控制最大斜深 640 m。含矿蚀变带沿走向分支复合现象明显,平面形成结环状,其复合部位往往是矿体的赋存场所,沿倾向无明显的变化。目前正在开采的 2号矿体展布于 351～375线之间。矿体赋存于主裂面上盘,长 360 m,斜深425 m,垂直深度 217 m,走向北东 35°～40°,倾向北西,倾角 37°～40°,与主裂面的产状基本一致。

矿区水文地质条件比较简单。矿床主要充水因素为基岩裂隙水,其中以风化裂隙水为主。矿区主要充水的来源是大气降水。

1 采矿方法

1.1 采场构成要素

无矿柱梯段式连续回采充填法,采场垂直走向布置。采场高度为阶段高度 30 m,长度为矿体厚度,宽度设计为 10 m。采场倾斜角度 70°。采场不留顶底柱和间柱。矿块沿高度方向划分 4个分段,每个分段高度 7.5 m,每个分段分为 3个分层,每个分层高度 2.5 m。

1.2 采切工程布置

矿山开拓系统已将矿体按 30 m垂高划分中段,在中段水平,矿体下盘设有中段运输平巷和每隔 30 m布置的中段穿脉运输平巷。在一个中段垂高范围内,再划分成 4个分段,并在各分段水平矿体下盘布置分段平巷。

中段与中段之间,分段与分段之间,分层与分层之间的相互联系和铲运机的通行,采用下盘脉外斜坡道将采场相互联系起来,以充分发挥铲运机的出矿潜力,提高设备利用率。

斜坡道采用折返式,设计平均坡度为 14%。一个采区只有一条斜坡道,供各个采场使用。斜坡道断面规格为 3.0 m×3.0 m,分段平巷、穿脉巷道的断面规格为 2.5 m×2.5 m。在分段平巷旁,每隔 80 m布置一条下盘脉外溜矿井,溜矿井的断面形状为圆形,规格为Φ2.0 m,倾角为 60°。在每个采场回采时,构筑一条顺路人行通风泄水井。

下盘脉外斜坡道的采准布置使分段高度一致,便于分段平巷相互贯通;采用脉外斜坡道,使无轨设备容易进入采场;脉外设置溜矿井,可避免在采场内构筑溜矿井,防止矿体倾角变缓时,发生放矿不顺畅现象。

1.3 回采顺序及回采方式

在同一个中段,采场与采场之间的回采顺序由矿体走向一端向另一端推进,设计采用梯段连续式回采顺序,并使采场之间的超前高度不低于一个分段高度。

采场分层之间的回采顺序,自下而上回采。首先在分段平巷向采场位置掘进转层穿脉,然后开始采场第一分层的拉底回采工作,第一分层结束后,自下而上进行第二分层的回采工作。每一分层回采作业分为两部分,即先回采后充填,其工艺由以下几个工序组成:凿岩、爆破、通风、支护、出矿、清场、架设顺路井、充填,依次循环,直至完成整个采场的回采工作。

1.4 采场假底构筑

为了提高矿石的回收率,设计采场底部构筑假底。在第一分层出矿工作结束后,构筑钢筋尾砂胶结体作为人工假底,并作为下中段对应采场上采至此时的假顶。人工假底的构筑方式是:首先铺设钢筋网,钢筋网度为 300 mm×300 mm,主筋沿采场长度方向布置,主筋直径为Φ12 mm;副筋垂直采场长度方向布置,直径为Φ8 mm。主筋与采场帮壁锚杆焊在一起,将假底所受力传递到上下盘围岩中。主筋与副筋之间用细铁丝绑扎即可。钢筋网距底板300～500 mm,然后采用高强度的尾砂胶结充填,充填体强度≥4 MPa,假底设计厚度为 2 m。

1.5 凿岩爆破

采场凿岩采用 YT-27型凿岩机钻凿水平浅孔,孔径为Φ40 mm,孔深为 3.8 m,孔距为 0.8～1.0 m,排距为 1.0 m。采用水平炮孔可实现低空顶距回采工艺,强化采充循环,为提高采场生产能力打下基础。同时,可有效地维护矿体顶板和上盘围岩。经过炮孔加长后,使低空顶柱的生产能力得到保证,并有利于采场顶板平整和顶板维护。

采场爆破采用光面爆破技术。爆破采用非电导爆管正向起爆 2#岩石炸药。爆破时,要注意非电导爆管的段数,最好跳段使用毫秒微差雷管。

水平落矿时,普通炮孔每孔装药量不超过 16卷,单响最大药量不超过 10 kg,一次爆破药量不超过50 kg。

装药结构为连续柱状装药形式,同时爆破的光爆孔必须采用同段毫秒微差雷管起爆。

1.6 矿石运搬及主要技术经济指标

采场矿石运搬采用 EHST-1A型电动铲运机出矿。采场崩落的矿石,由电动铲运机装运搬到脉外溜矿井。铲运机最大运距为 80 m。采场主要技术经济指标见表1。

表1 采场主要技术经济指标

2 采场支护

2.1 支护方式及参数选择

为充分发挥和调动岩体自身的支撑能力,根据采场结构参数,结合矿岩力学行为特征与采场岩体结构分布规律及潜在破坏模式,采场支护设计采用长锚索加短锚杆联合护顶方案。

根据国外支护经验,锚索密度与岩体质量节理频率和暴露面的水力半径有关,参照国外设计经验,设计锚索密度为 0.16根/m2。锚索网度为 2.5 m×2.5 m,每根锚索负担的面积为 6.25 m2。

锚索长度按挪威经验公式 L=1.4+0.184B计算。锚索方向与暴露面垂直时锚固效果最佳,且一般锚索方向与暴露面岩壁的夹角要大于 30°。锚索长度为 12 m,一个采场分成两段安装;锚索安装角度与采场倾角一致,为 70°;锚索钢丝绳为Φ19 mm。

对于采场顶板,在每个采出矿循环前安装上向快硬水泥卷锚杆补强。锚杆网度为 1.5 m×1.5 m,有效长度为 1.5 m。

2.2 支护施工工艺

采场拉底后,采用 YGZ-90型凿岩机钻凿上向平行锚索孔。孔径为Φ65 mm,孔深为 12 m。在地表将Φ19 mm废旧提升钢丝绳分成 6股,然后每股按设计长度用气割割开。割开前需用铁丝将钢丝绳扎住,防止其散股。钢绳除油用四氯化碳、洗油、碱、金属油污清洗剂等几种清洗剂,经 48 h浸泡之后,再用钢刷人工洗涤,均能达到除油效果。从较经济角度出发,现场生产选用 JQ-2型金属油污清洗剂。实施钢绳除油时,首先配制浓度为 5%～8%的清洗剂溶液,浸泡 48 h后用钢刷刷去油污,并将绳头弯成倒刺。钢丝绳向孔内放置较为困难,试验中首先将倒刺插入注浆管中,然后再将注浆管和钢丝绳一起送入孔底。由于注浆管硬度较大,顺利地解决了这一问题。锚索孔内注浆,采用高强度砂浆。胶结剂为 425#硅酸盐水泥,砂子用洗砂,最大粒径不超过 5 mm,含泥量不超过 3%,砂浆灰 ∶砂 ∶水=1∶1∶0.5。注浆设备为砂浆锚杆注浆机,注浆管外径为Φ30 mm,长度为 15 m,注浆时要求将钻孔全部注满。

3 采场充填参数试验及工艺

3.1 胶结充填室内试验

3.1.1 强度试验

室内试验采用蚕庄金矿选矿厂经人工筛分的合格尾砂(尾砂粒级 +0.040 mm以上)作为骨料,用425#普通硅酸盐水泥作为胶结剂,按 60%～70%的砂浆浓度,1∶4～1∶20的灰砂比配制试件。试块尺寸规格为 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,在实验室条件下进行湿养护,然后按规定的龄期进行单轴抗压强度测定。每组试验取 3块试块,按算术平均值原则计算抗压强度,试验结果见表2。

表2 普通尾胶充填试块抗压强度

分析以上试验结果,可以看到如下现象:

(1)试块的强度随养护时间的加长而明显增加,其 3 d的抗压强度只有 28 d强度的 20%～30%,其养护时间与抗压强度之间成正比例的关系。

(2)在灰砂比相同的情况下,试块强度随砂浆浓度的增加而增加。因此,在现场充填时,应尽可能提高砂浆浓度。

(3)试块强度随水泥含量的增加而上升。

3.1.2 材料用量试验

普通尾胶充填每立方米充填实体材料用量按照设定的配比参数,称取一定量的充填料(尾砂、水泥、水)搅拌形成浆体后灌入塑料袋,排出清水硬化后,测量实体的体积,然后计算出每立方米充填实体的材料用量。其试验数据见表3。

表3 普通尾胶充填材料用量数据

3.1.3 试验结果分析

水砂充填时,要求采用分级尾砂,砂浆浓度65%～70%。胶结充填时,不仅充填体强度要达到采矿工艺对充填体的强度要求,而且还要使其充填参数与充填系统相适应。因此,根据室内试验结果,在充填体强度分别达到 4.0,2.0,0.5 MPa的条件下,推荐采用的充填配比参数见表4。

表4 胶结充填配比参数

3.2 采场胶结充填工艺

(1)井下充填管路。井下尾砂充填系统采用自然压差管道自流输送系统。充填钻孔从地表充填制备站一直下至-620 m中段,之后通过阶段运输平巷和穿脉通往各个采场。钻孔内专用永久性的充填管道用Φ4″厚壁钢管;各中段平巷内采用Φ4″增强塑料管;各充填穿脉及充填天井、采场内则采用Φ4″普通塑料管。井下充填管路的充填倍线为 2.5～6。

(2)井下充填参数。无矿柱梯段式连续回采充填采矿法要求钢筋尾砂胶结体的充填体强度≥4 MPa,尾胶铺面的充填体强度≥2 MPa,一般充填体强度≥0.5 MPa。因此,根据室内试验结果,结合采矿工艺对胶结充填体强度的要求和地表充填制备系统情况,确定的井下充填参数为:充填能力:80～100 m3/h;充填重量浓度:65%～68%;灰砂比:1∶(4～20)。

(3)采场充填作业。采场出矿结束后,立即开始充填前的准备工作。首先架设顺路泄水井和挡墙,铺设充填管路。准备工作结束后,通知地表充填制备站进行充填。采场充填时,先下清水引流,当井下见到清水后,电话通知地表充填制备站下料。充填开始后,充填料浆浓度会慢慢升高,约 5～15 min后便稳定在充填指令要求的范围内,直至充填结束。充填结束时,必须用清水冲洗管道,防止管道内料浆沉积堵塞管道。充填前后的引流水和冲洗水不能进入采场,要将其通过三通阀排至水沟内,以免降低整个采场内充填料浆的浓度。

充填时,采场内必须派专人观察充填情况,若发现跑浆事故,须及时停止充填,并作堵漏处理。当充填液面达到设计充填标高时通知地表充填制备站结束充填作业。

普通尾砂胶结充填结束后,进行 7 d养护,然后方可转入下一分层的回采工作。

4 结 论

(1)针对招远地区蚀变岩型金矿床特征而提出的无矿柱梯段式连续回采充填采矿法,能够适应蚀变岩型金矿床的开采技术条件,是一种经济、高效、安全的采矿方法,具有采用下盘斜坡道脉外溜矿井采准系统,矿房向上倾斜布置,无矿柱梯段式连续回采,长锚索与短锚杆及控制爆破联合护顶,低强度胶结充填等特点,充分体现了该方案的先进性、新颖性和合理性,在国内外尚无先例。

(2)需要进一步改进和完善的是:应加大采场分层高度,减少采充循环次数,进一步提高生产能力。在试验过程中,由于受阶段高度的限制,划分的分层高度为 2.5 m,使采场的回采、充填作业变换频繁,采充循环次数多,降低了矿块的综合生产能力。如果在长锚索与短锚杆及控制爆破联合护顶技术达到设计要求的前提下,分段高度可以增加到 4 m,采场综合生产能力预计可比目前增大 30%～50%。

(3)采场充填应采用高水速凝充填。高水速凝胶结材料,是 20世纪 90年代初新发明的一种胶结充填材料,能够实现不脱水尾砂胶结充填,形成含有高结晶水和吸附水的人工石,具有速凝、早强的特点,可缩短充填养护时间。

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2009-08-07)

周英芳(1963-),男,山东招远人,工程师,主要研究采矿工程技术与安全生产管理,Email:ytliuning@163.com。