河西金矿不稳定矿体开采方法研究*

张武,秦绍龙,于文龙,赵兴东

(东北大学 深部金属矿采动安全实验室,辽宁 沈阳 110819)

0 引言

在我国金属矿床地下开采中,倾斜薄至中厚矿体的开采一直占有较大的比例,而随着开采深度的增加,矿体出现尖灭或分支复合现象,使得倾斜薄-中厚矿体的开采成为矿山面临的主要问题之一[1]。河西金矿始建于1981年,是目前我国机械化程度较高的矿山之一,2022年进行了技术改造,改造后年矿石生产能力为30万t。在前期矿山开拓及开采过程中,浅部岩石质量以中等为主,矿体为中等稳固矿体,工程地质条件一般。但随着矿山开采工作的进行,目前河西金矿已开拓至-820 m 中段,出现了局部矿岩不稳固现象。针对局部不稳固倾斜中厚矿体,在多年的生产实践和改进中,采用机械化上向进路尾砂胶结充填,可以保证工作人员的安全,地压管理良好,对于在深部遇到同类型问题的矿山具有借鉴意义。

1 地质条件和开采技术条件

河西金矿位于山东省招远市与莱州市交界处,区内构造以北东向断裂构造为主,望儿山断裂为区内Ⅱ级控矿构造,次级断裂侯家断裂、河西断裂等为区内Ⅲ级控矿构造。河西断裂、侯家断裂、望儿山断裂、付家断裂、付家东断裂控制整合矿区内金矿体的产出[2]。

矿区内共圈定134个矿体,已采空94个,保有30个工业矿体,10个低品位矿体。其中河西矿段保有20 个工业矿体,付家矿段保有10 个工业矿体,23-3号和24-4 号为主矿体,保有资源量占比约为60%。23-3号矿体呈脉状分布,矿体走向为11°～32°,控制走向长509 m,倾向北西,倾角为36°～50°,矿体平均厚度为4.68 m,平均品位为3.42 g/t。24-4号矿体呈脉状分布,矿体走向为38°,控制走向长238 m,倾向北西,倾角为36°,矿体平均厚度为4.30 m,平均品位为4.41 g/t,二者均属有用组分分布均匀型。

河西矿区已开拓至-820 m 中段,矿山开拓及开采过程中,矿体顶、底板围岩主要为绢英岩化花岗(闪长)质碎裂岩及绢英岩化花岗(闪长)岩。岩石质量等级属Ⅲ级,岩体中等完整,属碎块状结构,工程地质条件一般。局部发现节理裂隙发育,矿岩不稳固。

2 现场工程地质调查

采用测线法在河西金矿-820 m 中段穿脉、脉外两处进行岩体结构面产状调查,调查长度为40 m,调查结果采用Dips软件进行分析,结果如图1所示。

图1 -820m 中段节理调查结果

从图1(a)、图1(b)可以看出,-820 m 中段穿脉巷道节理裂隙发育,具有一组优势节理,倾向为160°,倾角为80°;从图1(c)、图1(d)可以看出,-820 m 中段脉外巷道节理裂隙发育,有一组优势节理,倾向为200°,倾角为75°。

3 采矿方法选择

采矿方法选择主要依据矿体的形态、厚度、倾角及矿岩体稳固程度等[3]。河西金矿属于倾斜薄至中厚矿体,根据地质核实报告、岩体质量分级结果表明,23-3号、24-4号两主矿体属于中等稳固矿体。但随着采深增加,在开拓达-820 m 中段时,通过现场节理调查以及矿山生产实际发现,出现了局部节理裂隙发育、矿岩不稳固的问题,结合国内外类似开采条件的矿山及其采矿方法试验研究经验[3-7],拟采用的采矿方法有空场嗣后充填法、机械化上向水平分层充填法和机械化上向进路充填法。3种不同采矿方法的技术经济指标对比见表1。

表1 主要采矿方法技术经济指标对比

由表1可以看出,空场嗣后充填法生产能力大,但是对于金矿来说,损失、贫化率较高,采切比比较大,且存在地压管理难度较高的问题;机械化上向水平分层尾砂胶结充填法拥有一定的矿块生产能力,充填成本、采切比较低,但是损失率较高,废石产率较高,机械化上向进路尾砂胶结充填法虽然矿块生产能力略有不足,但是对于金矿来说,较低的废石产率和损失贫化率,使其在矿岩不稳固、矿石品位较高的矿山具有良好的适用性。针对河西金矿在开拓-820 m 中段出现的局部节理裂隙发育、矿岩不稳固的问题,选用机械化上向进路尾砂胶结充填法能更好地开采矿石,保证矿山的经济效益,同时地压管理较为简单,能够保证工人在地质条件较为复杂、岩体质量较差的环境中安全作业。

4 机械化上向进路尾砂胶结充填法

对一个盘区而言,以分层方式从下向上逐层回采,每分层划分为若干个回采进路,以进路为单位进行回采与充填,各进路间隔回采或充填后逐条回采,整个分层各进路回采、充填结束后再转至上分层继续进行回采[8-9]。机械化上向进路尾砂胶结充填采矿法如图2所示,采场沿走向布置,矿块长60 m,宽为矿体的厚度,高50 m,底柱高6 m,不留间柱、顶柱,底柱在下中段回采时回收。分层回采时,根据矿岩情况的不同,层高控制在2.8～4 m,宽度控制在2.5～4.5 m,根据顶板稳固情况和生产需要,划分一步采、二步采,每条分段巷道平均承担3个分层的回采,分段高为8～10 m[10]。当采场仅能布置两条进路时,先采下盘进路,后采上盘进路。

图2 机械化上向进路尾砂胶结充填法(单位:m)

4.1 采准切割工程

采准工程有分段出矿巷道、溜井联络道、溜井、分层联络道、回风充填(泄水)天井、天井联络道。溜井和分段出矿巷道布置在下盘脉外,分段出矿巷道通过采准斜坡道与上下连通,从分段巷道向矿体掘进分层联络道;回风充填(泄水)天井布置在盘区矿体中部,随着采场向上回采顺路架设泄水井;在下盘脉外分别掘溜矿井与分段巷道贯通,溜矿井及分段巷道分期掘进。

4.2 凿岩爆破

进路回采属于掘进式回采,炮孔布置与平巷掘进布孔方式基本相同,凿岩采用单臂凿岩台车,孔深3.5 m,炮孔直径为42 mm,孔距为0.8 m,边孔距为0.4～0.6 m。顶板和矿体侧边孔采用光面爆破,光面爆破在落矿的同时一次完成。

炸药采用乳化炸药,爆破采用电子雷管起爆,一次分段微差爆破。采下矿石用1 m3铲运机经分段联络道装运至采场溜井,溜放至阶段运输水平后经漏斗装车运出。

4.3 充填

进路回采完毕后,进行充填准备工作,充填管由充填回风天井或分层联络巷道下放到采场,将回气管、充填管分别架在进路顶板中央最高点处,并在进路口上用钢结构组合式隔墙作为充填挡墙。

进路回采结束采用尾砂胶结充填,其中一步采进路采用灰砂比为1∶8的尾砂胶结充填,二步采进路先用灰砂比为1∶15的尾砂胶结充填,充填体强度不小于1 MPa;上部采用灰砂比为1∶6的尾砂胶结充填,厚度不小于0.3 m,充填体强度不小于3 MPa,作为上一分层回采的底板,利于铲运机行走。矿房最上分层需二次充填接顶。

4.4 通风

采场通风采用局扇通风,新鲜风流从中段运输平巷经采区斜坡道进入各分段平巷,然后经采场联络巷进入回采工作面,污风从工作面用局扇排入采场通风充填天井,进入上中段回风系统排出。

4.5 顶底板管理

采场顶板暴露面积应控制在270 m2以内。爆破通风后即进行顶板撬毛,顶板岩石条件好时可不进行支护,岩石条件不好时须进行锚杆支护,采用管缝式锚杆,锚杆间距视矿岩稳固情况具体掌握。

4.6 矿柱回采

设计不留顶柱、间柱,仅留高为6 m 的底柱,底柱通过下中段矿房连采的方式回采。为便于高品位底柱的回采,每个中段的第一分层回采结束后,底板上垂直走向向上、下盘布置锚杆并铺设钢筋网,再采用灰砂比1∶4的尾砂充填料充填,确保下部矿块最后一分层的回采安全。

4.7 技术经济指标

河西金矿采用机械化上向进路尾砂胶结充填法后,采场生产能力达140 t/d,采切比为21.90 m/kt,损失率为6%,贫化率为10%。

5 结论

(1) 针对河西金矿-820 m 出现的节理裂隙发育、矿岩不稳固的问题,采用机械化上向进路尾砂胶结充填法,并取得了很好的应用效果,保证了工人作业安全。

(2) 机械化程度的提升,降低了河西金矿工人的劳动强度和成本,提升了生产能力。

(3) 机械化上向进路尾砂胶结充填法虽然生产能力略有不足,但是损失贫化率、废石产率低,对于金矿来说,具有良好的适用性,保证其经济效益。