浅部挂帮矿安全开采技术优化

陈 磊,莫苏鹏

(湖南有色冶金劳动保护研究院, 湖南 长沙 410014)

0 引 言

矿产资源是不可再生资源,提高矿产资源的回收利用率和综合效益对于国家经济发展和资源保护具有重要的意义[1-3]。我国的矿山数量分布较广,数量多,规模不大,竞争力偏低,尤其是乡镇和民营的矿山,开采设备简陋、技术落后,滥采乱挖的现象严重,而且缺乏完善的安全保护措施,既容易造成资源的极大浪费,也会对采矿人员的生命安全带来影响。目前我国许多矿山存在很多的残矿资源,可以通过残矿资源的回采,进行二次利用[4-6]。但是残矿资源回采的稳定性较差,安全性较低,如何做到安全经济的回采是目前的技术难题。

有研究表明,对于残采矿体的回收采用人工矿柱替代法,残采安全稳定性好,残矿回采率可高达95%,露天残采的安全系数更高[7-9]。周可等[10]在现场测试的基础上,采用数值模拟的方法对4种回采方案的计算结果进行对比分析。最后得到不同方案下顶柱回采过程中的采场位移、应力、塑性区的分布规律,并据此得出最优回采方案。结果表明:在10 m厚的顶柱中,第一层矿房尺寸采用4 m×4 m,第二层矿房尺寸采用4 m×5 m,顶部预留1 m矿体,并且均采用“隔二采一”的回采顺序能够有效地避免间柱中出现塑性区贯通。顶部的拉伸破坏区和塑性区限制在留设的1 m矿体中,上部充填体受到的影响较小。从而既保证了采场的安全稳定性,也最大限度地回采了顶柱资源。万串串等[11]以高峰矿105号矿体为例,通过对采空区及残矿的分类,制定了残矿回采与采空区治理协同的技术方案,最后通过工业试验验证了方案的可行性,并为高峰矿其他地段残矿回采提供了技术参考。孟赞先[12]分析了残矿产生的原因及残矿回采时会遇到的困难,提出了回采时需要解决的主要技术方案,并针对澜沧老厂铅矿1900中段Ⅰ1＋2矿体的残矿体回采进行了总结,采用浅孔小补偿空间挤压爆破小分段采矿法进行回采,共采出残矿32432 t,获经济效益1059．26万元。

本文针对浅部挂帮矿进行安全回采优化设计,分析开采的优化效果,为类似矿产资源现场开采提供参考。

1 矿山概况

残矿处于人工采场第九层(标高＋6．0 m/＋3．0 m)、第十分层(标高＋5．0 m/2．0 m)和第七分层(标高-3 m/-6 m)。采场随着上向分层的开采不断进行,具有10 m的人行通道,矿石品位为2．8 g/t,矿体存于黄铁绢英岩化花岗岩中,矿体呈脉状,排列方式有接结式、斜列式和雁列式3种。矿化不均匀,构造多以张性、压扭性出现,走向不均匀,围岩属于破碎型岩石,靠近地表风化层,容易在回采中出现冒顶、塌方现象。脉岩为煌斑岩,形态不规则,有一定的错动性。露天坑以地表淋水为主。矿体特征如表1所示。

该露天坑挂帮矿靠近地表建筑构筑物,按照传统的采准回采方式,需要在-30 m以上新建工程,南北延伸两翼矿体边界,工程量较大,安全性较低,回采成本高。南翼矿体集中,品位较高,但是离地表近,多为分级尾砂,施工难度大。北翼矿体独立,采准工程量大,岩体破碎,稳定性差,安全投入大,效率较低,容易出现探采失衡的情况。

2 浅部挂帮矿开采方案

2．1 现有方法评价

现有的采矿方法主要是上向进路和下向进路充填采矿法,上向进路分垂直矿体走向进路和沿矿体走向进路2种布置方案,本矿主要采用沿矿体走向布置开采工程,从下往上进行分层回采,在掘进分层联络通道后,垂直走向布置进路,回采一条,充填一条,分层充填完毕后再转入下一分层回采。回采方案采场暴露面积较小,矿石损失较小,作业较安全,但是作业强度较低,生产效率较低,对充填接顶的要求较高。目前工作顶板未采取加强措施,没有支撑保护,安全性差。

2．2 安全开采技术优化

设计采用下向水平分层进路充填采矿法,采用铲运机进行出矿,设计采高为2．5 m,底板标高为＋19 m/＋16 m,腰线标高为＋18 m,施工顺序由外向里,由两边向中间进行施工。采用凿岩机进行凿岩,爆破采用卷径为32 mm的铵油炸药,起爆器材为秒差雷管,人工装药,反向传爆。

矿石经过溜井运输线、人工放矿漏斗、推矿车运至集中溜井,再通过牵引矿车转运至矿仓库。进路回采结束后,制作假底,并充填接顶。制作假底采用塑料薄膜铺在底板上,设计钢筋网铺设在采空区底板上,混凝土砂子石头的比例为1∶2,骨料和水泥搅拌均匀后铺设厚度为0．4 m,施工顺序由里向外,假底制作完毕后,留18 h的硬化时间,硬化后进行充填。充填1∶20的胶结材料接顶。回采结束后应及时封闭充填,墙板应支撑加固。

在对进路充填过程中,进路顶部0．5 m部分采用灰砂比为1∶10的料浆进行充填,质量浓度为70%左右,抗压强度较高,粘结力可达0．9 MPa,内摩擦角为50°,渗水4%,浆体体重约为1．90 t/m3。对人工假底进行优化,在回采结束后,进行人工平场,在底板铺垫300 mm厚的碎矿,碎矿上再铺垫塑料薄膜,以减少混凝土的渗漏,保持底面的平整光滑,放置碎石或木块架高钢筋网,使浆料完全包裹住钢筋网,增加了假底的整体强度。钢筋网的设计要求是主筋直径12 mm,副筋6．5 mm,纵横交错处采用焊接固定(见图1),主筋网度为1000 mm×1500 mm,副筋网度为500 mm×300 mm,采用1∶4胶结材料充填。采用木质充填挡墙设置在进路入口处,施工简便,成本较低。

图1 底筋网布置结构

采用排风侧为主的多级机站通风系统,利用井下的透气采空区,增加通风断面积,将循环风与新风混掺,提高了排风能力。

3 优化的效果分析

3．1 经济效益

对矿区回采进行优化设计,对人行井和放料井进行掘砌,掘进工程量为598 m3,有效降低了掘进工程量,降低了投入成本;通过采准工程优化,采用机械化进路代替人工出渣方式,提高了工作效率,将上向水平分层改为下向水平分层进路回采,实现了人行井、放料井、集中运渣,各个作业面独立运行,提高了作业效率。充填假底的强度达到了3 MPa,降低了支护成本,提高了安全系数。

3．2 安全效益

通过对爆破的振动监测,最大单段的炸药量为3 kg,监测数据如表2所示。

表2 爆破振动监测结果

通过对比爆破振动安全标准得知[13],本设计的爆破振动符合标准值,地下采矿的爆破振动对地表建筑和构筑的影响较小,不会造成破坏。

4 结 论

通过对露天浅部挂帮矿进行回采方案的优化,采用施工放料井和人行井的方案,提高了进路回采的安全性,提高了回采的效率。优化采用机械进路回采方式,提高了劳动效率,提高了安全性,爆破振动监测表明,该方案进行地下爆破时,符合相关标准的安全要求,为残矿安全回采创造了条件。