厚石膏矿低贫损回采放矿结构参数的确定∗

任凤玉,贾海波,何荣兴,丁航行

(东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004)

0 引 言

我国石膏矿多采用房柱法回采,许多石膏矿由于暴露空气中的石膏矿柱强度逐渐弱化或大面积开采上覆岩体变形引起采动应力高度集中等因素,空区冒落灾害事故接连发生。

诱导冒落法是将顶板岩体冒落规律与无底柱分段崩落法有机结合而构建的采矿方法,利用矿岩本身所固有的节理裂隙分布特征和低强度特性,利用下分段的回采或布置诱导工程来扩展空区面积,促使岩体按要求逐渐破坏、失稳,达到最终落矿的目的。将诱导冒落法用于开采石膏矿床,消除了矿柱影响,有利于避免采空区冒落灾害,但由于矿体顶板中多赋存泥岩废石,流动性强于矿石散体,影响出矿矿石品位。由此导致诱导冒落法开采的矿石损失率与贫化率过大。本文结合山东兰陵石膏矿赋存特点,利用回归正交方法,通过物理模拟实验优化采场底部结构,控制矿石贫化损失,提高矿山效益。

1 石膏矿诱导冒落工艺特点

山东兰陵石膏矿床矿层厚大(10．69~24．90 m)、倾角较缓(总体3°~9°)、品质优良、储量丰富。多年来,矿山一直采用房柱法开采,矿柱所占比例大,造成矿石损失大,同时石膏矿柱经风化后易失稳,引起空区顶板大规模冒落。

为避免采空区冒落危害,对矿层厚度较大的矿体,研究提出采用平底堑沟诱导冒落采矿法。如图1所示,通过堑沟落矿拉开诱导空间,诱导上部矿体自然冒落,崩落矿石和诱导冒落的矿石随堑沟崩矿时回收一部分,其余主要从出矿横穿回收。堑沟出矿结束后,自然冒落的顶板围岩能够形成足够厚度的覆盖层,再回收堑沟之间脊部残留矿量。

图1 平底堑沟联合诱导冒落法

兰陵石膏矿的矿层顶板中含多层泥质软岩,极易冒落成碎粉,钻入矿石堆中。冒落废石的块度小于矿石的块度,粒径较小的废石在大放矿过程中超前运动,将引起较大贫化率。因此,应用诱导冒落法开采时,需要重点控制矿石贫化率,提高回收率。

2 低贫损结构参数确定

为了控制放矿过程中的矿石贫化,提高回收率,结合矿体赋存条件,采用放矿模拟实验,模拟采场实际的放矿过程,寻求最优采场底部结构。

2．1 实验目的

实验采用回归正交方法分析采场底部结构参数对矿石回收率的影响。结构参数主要包括矿石散体厚度、堑沟巷道间距和出矿巷道间距,设计三因素两水平正交实验,在放出矿石品位达到80%~85%时截止,利用出矿巷道放出矿石量的多少计算矿石回收率。

2．2 实验设备和材料

根据采场结构,按照1∶100的相似比,用有机透明玻璃和方木制作放矿物理模型。采用矿山7号井田石膏矿石和泥岩废石,矿石散体筛选块度不大于8 mm的颗粒。上部泥岩废石喷涂白色涂料形成颜色对比,试验模型见图2。

2．3 回归正交设计及计算

矿体厚为10．69~24．90 m,选取矿石散体厚度为15,30 m。根据前面分析,堑沟间距值应在10~18 m之间,堑沟间距为10,18 m。根据经验,出矿横穿间距选择8,12 m。用X1代表矿石散体厚度,X2代表堑沟巷道间距,X3代表出矿横穿间距,对各因素进行编码见表1。

根据因素数量,选用正交表L8(27),编码转换,将Z1、Z2、Z3分别安排在第1,2,4列,考虑矿体厚度与堑沟间距交互项、堑沟间距与出矿穿间距交互项。安排3组零水平实验,总实验次数为11。实验方案及结果计算见表2。

图2 实验模型

表1 因素水平编码

表2 回归正交设计计算

续表2

由表2可知,回归系数b0＝0．311,b1＝0．085,b2＝ -0．026,b12＝0．037,b3＝ -0．021,b23＝0．00375,对回归方程进行显著性检验,方差分析结果见表3。

表3 方程分析

去掉不显著项,回归方程为:

系数的绝对值大小可判断因素作用的大小,因素作用大小排序为Z1＞Z1Z2＞Z2＞Z3。即影响大小排序为矿石散体厚度＞堑沟巷道间距＞出矿穿巷道间距。

整理得:

由式(3)可以看出,各因素在考虑范围内,矿床回收率随矿石散体厚度的增大而增大,随出矿穿间距增大而减小。当矿石厚度大于20 m时,矿床回收率随堑沟间距增大而增大,当矿石厚度小于20 m时,矿床回收率随堑沟间距增大而减小。

综上,兰陵石膏矿层宜采用单中段回采。当矿石厚度大于20 m时,堑沟间距在10~18 m之间取18 m;当矿石厚度小于20 m时,堑沟间距取10 m。出矿穿间距在8~12 m之间取8 m。

3 结 论

厚层石膏矿中引入诱导冒落采矿法,消除了房柱法中矿柱的影响,有利于避免采空区冒落灾害。本文利用回归正交方法,通过物理模拟实验优化采场底部结构参数,控制放矿过程中矿石贫化损失,利于诱导冒落法在厚层矿体中的推广。

采用物理模拟实验研究采场底部结构,能够比较直观地分析矿石散体厚度、堑沟巷道间距和出矿横穿间距对矿石回收率的影响,根据正交实验回归得到的回收率方程,各因素对回收率大小影响的主次顺序为矿石散体厚度＞堑沟巷道间距＞出矿穿巷道间距。

对兰陵石膏矿床,矿床回收率随矿石散体厚度的增大而增大,随出矿穿间距增大而减小。矿床宜采用单中段回采。矿石厚度大于20 m时,回收率随堑沟间距增大而增大,堑沟间距宜取18 m;矿石厚度小于20 m时,回收率随堑沟间距增大而减小,堑沟间距宜取10 m。出矿穿间距宜取8 m。