急倾斜中厚破碎矿体空场嗣后充填安全开采技术研究

张东杰 拓明轩 刘树新 王健多

(1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院,内蒙 古包头 014010;2.中国石油辽河油田公司,辽宁 盘锦 124010)

急倾斜破碎中厚矿体开采易导致采场顶板冒落 及围岩片落危害[1-4],以及矿石损失与贫化大等问题[5-7]。因此,需充分考虑矿岩条件,研究适宜的安全高效开采技术[8]。潘承武等[9]研究提出了无底柱中深孔分段凿岩阶段出矿空场法开采技术;马姣阳等[10]通过物理相似试验研究了急倾斜中厚破碎矿体诱导冒落法开采中最佳进路位置的确定方法;马元军等[11]采用模拟环境再造的手段系统研究了某锑矿急倾斜中厚破碎矿体分区开采方案;赵钺[12]通过物理相似试验系统研究了尖山矿区无底柱分段崩落法开采急倾斜中厚矿体中矿石损失贫化的内在原因;罗周全等[13]从安全与经济角度利用多目标决策理想点法优化了某矿采场结构参数。通过上述分析可知,现阶段业内对于这类矿体的研究主要集中于空场法及崩落法开采技术,以及采场结构参数优化方面,对于矿岩可冒性、空场嗣后充填法开采工艺,以及顶板冒落冲击灾害防控方面的研究涉及较少。

本研究针对急倾斜中厚破碎矿体条件,在前人研究成果的基础上,以锡林浩特萤石矿为研究背景,针对原用浅孔留矿法存在的片帮冒落及矿石损失贫化大等问题,提出空场嗣后充填法改进工艺,并给出防治冒落冲击灾害的安全散体垫层铺设方法,以实现急倾斜中厚破碎矿体安全高效开采。

1 工程背景

锡林浩特萤石矿为中低温热液型矿床,萤石矿体呈脉状、层状—似层状产出,矿岩接触带围岩主要为蚀变闪长岩,有0.6～1.2 m的蚀变现象,较为破碎,近矿围岩主要为黑云母斜长石花岗岩。萤石品位平均为63.21%,倾角为80°～90°,矿体平均厚7 m,沿走长约480 m,属于典型的急倾斜中厚破碎矿体,矿山采用两翼竖井开拓方式,浅孔留矿法采矿,阶段高度为40 m。

由于矿体较破碎,在矿岩接触带还存在一定厚度的蚀变区域,浅孔留矿法开采中,普遍存在着巷道片帮冒落情况(图1)。一方面,对采场作业人员人身安全造成威胁;另一方面,导致矿石回采率低,贫化率高,回采率与贫化率分别为82.01%与17.98%。因此,需根据矿岩的稳固性条件,改进采矿方法与优化采场结构,提高采矿安全作业条件。

图1 边壁岩体片落情况Fig.1 Spalling of the rock mass on the side wall

2 矿岩可冒性分析

岩体的冒落与开采跨度、矿体埋深、侧压力系数等因素密切相关,并且冒落线的形状能够较好地接近于拱形[14],力学分析模型如图2所示。

图2 冒落拱力学分析模型Fig.2 Mechanics analysis model of caving arch

本研究以左半拱作为分析对象,根据力系平衡原理,得到的应力关系表达式为

矿山采用浅孔留矿法开采时,预留10 m厚顶柱,分层回采高度4 m,该中段采矿底板标高位于+1 060～+1 090 m水平,矿体抗压强度为14.67 MPa,矿石密度为3.18×103kg/m3,侧压力系数λ=0.16,代入式(6)得到极限冒落跨度值为5.4～6.4 m。由于萤石矿脉的平均厚度为7 m,大于极限冒落跨度,作业人员直接在顶板暴露下进行采矿作业存在冒落事故风险,需改进采矿方法。

3 采矿方法改进

3.1 采场结构参数确定

根据矿岩可冒性分析结果,并结合矿山原采用的浅孔留矿法存在的不足,提出了以垂直深孔落矿阶段矿房法为主的空场嗣后充填法(图3),阶段高度取80m,中段高度40m,分段高度20m。矿体沿走向长约420 m,将整个矿体划分为3个矿块,矿块间留2个7 m厚的间柱,每个矿块分为3个采场,即两侧大采场长53 m,中间为小采场长30 m,在阶段顶板留10 m厚顶柱,用于防止顶板覆盖层冒落。

图3 空场嗣后充填采矿方法原理Fig.3 Principal of open stoping with subsequent filling mining method

为防止采场内边壁围岩片帮造成较大的矿石损失与贫化,在阶段回采过程中,采取分段凿岩不出矿、只在中段及阶段水平出矿的方式,这样可以利用分段崩落的矿石散体支撑边壁围岩,利用散体的侧向支撑作用限制边壁围岩的片帮发展[15],在此基础上进一步优化采场结构参数,将矿石损失贫化降到最低[16-17]。由于巷道采取单沿脉布置方式,崩矿步距成为影响矿石损失贫化的最主要因素,故需进行深入研究。

采用垂直深孔落矿时,沿进路方向的放出体方程式为

锡林浩特萤石矿散体流动参数,沿进路方向α1=1.712,β1=0.125;放出体高度d=40m,夹角 θ=78°,松散系数k=1.5。根据式(9)计算得到合理的崩矿步距B=1.56 m。

3.2 采切工程布置

在980m阶段水平,于矿体上盘掘进阶段脉外运输巷及阶段出矿穿脉巷,在脉内沿矿房长轴方向掘进脉内拉底巷道,以该巷道为自由面进行扩帮,将矿房底部拉底至矿体两侧边界。切割工程方面,各个分段的沿脉采准工程完成后,以矿块为单位,在每个采场端部开掘切割井,切割井规格为1.5 m×2.0 m,在切割天井两侧钻凿切割炮孔,每排布置5个炮孔(图4),以切割天井为自由面拉开切割槽。

图4 切割工程布置Fig.4 Layout of the cutting engineering

3.3 回采及充填

采场的回采顺序为:第1步先开采矿块中小采场(30 m长的采场),采用尾砂胶结充填;第2步开采大采场(53 m长的采场),进行高浓度尾砂充填,采取按中段由下向上的回采方式。回采时应注意当小采场回采完准备回采两侧的大采场时,其回采顺序应从中间的小采场边壁向两端的间柱方向进行退采,以避免分段脉内崩矿巷道在开采过程中被封堵。当整个采场回采完后,从中段穿脉巷道向下开掘一条充填斜井,将充填管道由此处下放至空区进行充填接顶。

4 采空区顶板冒落危害防控措施

充填作业前,在预留的安全顶柱下方会形成一定规模的采空区,由于空区预留顶柱上方积压大量散体,在散体自重作用下,空区顶板矿柱突然大规模垮落,形成冲击气浪危害,故需采取相应的管控措施消除空区存在时可能带来的冒落冲击危害[18-19]。

4.1 冒落冲击风险分析

4.1.1 岩块下落时冲击气流计算

采空区顶板岩块冒落过程中将产生一定量的气流,最大风流速度计算公式为

式中,vmax为岩块冒落产生的最大风流速度,m/s;ρ为覆岩密度,kg/m3;v为岩块冒落产生的风流速度,m/s;C为空气阻力系数,取1.2;g为重力加速度,9.8 m/s2;S为冒落的等价圆面积,m2;A为下落岩块最大面积,m2;h1为覆岩冒落高度,m。

通过对采空区的存在状态进行分析,锡林浩特萤石矿采空区宽8m,中段空区高度40m,将h1=40m,S=32.15 m2,A=1.5×2=3 m2,g=9.8 m/s2,C=1.2,代入式(11),计算得:vmax=6.96 m/s。

根据《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)要求,井巷内平均风速最高不应超过12 m/s。通过计算分析,单岩块从母体脱离下落过程中所产生的风流不会对人员造成伤害。

4.1.2 岩块落地后冲击气流计算

将最大岩块的几何形状简化为椭球体,则岩块落地后冲击气流速度的计算公式为

式中:a为椭圆长半轴,m;b为椭圆短半轴,m;hc为岩块离地高度,m。

对于单个块体零星冒落而言,将a=1.5 m,b=1 m,hc=1.5 m,h=40 m等参数值代入式(12),可得:u=28 m/s。

最终,岩块下落形成的冲击气浪值由最大风流速度值与冲击气流速度值两者共同构成,通过计算确定为34.96 m/s,远远超过了安全规程规定的数值,必须采取安全措施。

4.2 冒落冲击防控方法

为防止采空区冒落冲击危害的发生,需设置合理的安全垫层厚度。散体垫层主要由边壁片落岩石构成,当垫层厚度不能满足要求时,需通过上阶段水平充填斜井进行废石散体补充充填。针对采场出矿条件,可以分为2种散体垫层留设方式。当采空区暴露跨度达不到极限冒落跨度时,空区底板散体垫层厚度高出凿岩巷道顶板一定高度即可(端部出矿口封堵),如图5(a)所示。

图5 散体垫层留设方式Fig.5 Layout method of the granular media cushion

当采空区暴露跨度达到极限冒落跨度时,空区底板散体垫层厚度必须将凿岩巷道端部封堵。文献[20]提出的空区底板合理散体垫层厚度的计算式公式为

式中,L为极限冒落跨度值,m;L0为散体垫层基础稳固性补偿量,一般取1.5～2.0 m。

将L=6.4 m,h1=40 m,L0=2 m代入式(13),计算得到散体安全垫层厚度为3.3 m(图5(b)),可以保障采场避免遭受冒落冲击威胁。

5 现场试验效果分析

通过现场试验,回采矿石块度均匀,采场安全作业条件良好。采矿方法改进前后,矿石回采率与贫化率统计情况见图6。采矿方法改进后,矿石回采率为89.32%,贫化率为10.23%,回采率提高了7.31%,贫化率降低了7.66%,现场工业试验取得了良好效果。

图6 采矿方法改进前后矿石回采率与贫化率变化情况Fig.6 Variation ore recovery rate and dilution rate before and after the improvement of mining method

6 结 论

(1)从可冒性角度出发,构建了岩体冒落力学模型,提出了以垂直深孔落矿阶段矿房法为主的空场嗣后充填开采工艺,给出了采场结构布置及参数优化方法,并提出了防治冒落冲击灾害的安全散体垫层铺设方法,有助于实现急倾斜中厚破碎矿体安全高效开采。

(2)通过可冒性分析,锡林浩特萤石矿矿体极限冒落跨度为5.4～6.4m,存在顶板冒落风险。据此改进了采矿方法,确定的最佳崩矿步距为1.56 m,该参数可有效降低矿石损失贫化。在此基础上分析了顶板冒落冲击危害,确定的散体安全垫层厚度为3.3 m。通过现场工业试验,采场作业安全,回采率提高了7.31%,贫化率降低了7.66%,经济效益显著。

(3)对于该类矿岩特性,进行了可冒性理论分析,但对于冒落机理未进行阐述,后续工作中将采用数值方法对其进行深入研究,进一步细化冒落发展特征,实现采空区冒落精准防控。