空场法转崩落法开采时的矿柱回采及覆盖层形成技术

孙国权;付占宇;孙江先;胡杏保

【摘 要】In view of the key issues to be solved during transition from open stope into caving mining method-mining bridging, pillar recovery and covering layer formation, the numerical simulation was adopted to analyze the maximum safety exposed area and stress distribution nde of a single stope in Xiagao iron ore. Then, the mining recovery process for top pillar mining and forced carving of the lower ore-body by level deep hole with the blasting parameters of line space of 3 - 4 m,and hole bottom space of 4.5 m in different divisions or partitions is drawn up. Then a smooth and efficient transition from open stope into caving method has been achieved.%针对空场法转崩落法开采矿山需要解决的关键问题--开采衔接、矿柱回采与覆盖垫层形成方式,采用数值模拟分析了下告铁矿单采场最大安全暴露面积和应力分布规律,制定了分区、分次采用超长水平深孔,以排距3-4 m,孔底距4.5 m的爆破参数在下盘进行顶柱回采及强制放顶的回采工艺,实现了空场转崩落开采的高效顺利衔接.

【期刊名称】《金属矿山》 【年(卷),期】2011(000)001 【总页数】4页(P5-7,11)

【关键词】空场法转崩落法;矿柱回采;采空区;覆盖垫层;围岩稳定 【作 者】孙国权;付占宇;孙江先;胡杏保

【作者单位】中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;金属矿山安全与健康国家重点实验室;紫金天欧矿业有限公司;紫金天欧矿业有限公司;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;金属矿山安全与健康国家重点实验室 【正文语种】中 文

地下采矿最关键的2个方面是回采工艺和地压管理,就回采工艺而言,空场法的显著特点是将矿块划分成矿房和矿(间)柱,分2步骤回采,在同一个阶段内从下而上开采,而崩落法则是矿块不再划分矿房和矿柱,而以整个矿块作为一个回采单元,按一定的回采顺序,在同一阶段内从上而下连续进行单步骤回采;就地压管理方式而言,空场法是采用矿柱和围岩体的稳固性来维护采空区,在回采过程中,采场主要依靠暂留的矿柱或永久矿柱(或人工矿柱)进行自然支撑,崩落法则是在崩落矿石的同时强制或自然崩落围岩充填空区,用以实现地压控制和地压管理。可见空场法与崩落法对开采过程中顶板岩体是否冒落有最根本的区别,这便决定了空场法转崩落法开采的矿山面临的首要关键问题是开采衔接、矿柱回采和合理厚度覆盖垫层的形成。

本研究在研究空区围岩稳定性的基础上,充分利用采场围岩体结构弱面等构造特征,采用超长水平深孔以分区段、分步骤、分次分段爆破方式高效实现了下告铁矿空场法转崩落法开采的无缝衔接和科学过渡。

该矿床由矽卡岩所控制的16个矿体组成,主要开采矿体有3个,矿床北东部以F5断裂为界,南西以F4断裂为界,东部以F2断裂为界,西部以F4断裂为界。矿体最小埋深23 m,最大埋深512 m,赋存标高149～-344 m,总体分布在620 m×290 m× 490 m的空间范围内,赋矿处为花岗岩外接触带的凹陷部位,矿体平均厚度40 m左右,顶板为大理岩,底板为花岗岩,整体上顶底板岩体均较坚硬完整,但矿体下盘接触带处有1条5～10 m不等的破碎带,该破碎带从地表往下延深逐渐消失。

该矿山+47m以上采用分段凿岩阶段矿房法开采,阶段高度60 m,设计矿房宽度20

m,矿柱宽度15 m,+47 m以下拟采用无底柱分段崩落法开采。+47 m为首采中段,该中段矿体走向长190 m,沿走向布置有6个矿块,从中间往两翼退采矿房已基本完成,现形成了5个采空区,空区顶最大标高约+107 m,单空区最大暴露面积约1200 m2,实际矿柱宽度6～15 m。空区顶板以上+107～+120 m之间(首采中段顶柱及以上)矿量约17.8万t。

本次根据矿区节理裂隙等地质调研情况,对室内矿岩体力学参数进行了强度折减,折减后的矿岩体物理力学参数见表1。

本次模拟采用基于拉格朗日法的有限差分程序采用FLAC3D进行,根据空区状况及赋存环境,计算模型尺寸为500 m×240 m×180 m,共有24000个单元,26775个节点,根据圣维南原理,模型大小满足计算精度要求。其中长度方向为近东西向,宽度方向近南北向。为模拟计算的可行性,模型设计在实际开采原型的基础上作了一些假定和简化。

本次模拟以自重应力场为主进行,采用莫尔-库仑屈服准则,空区按1步骤开挖形成。分别模拟了现有空区的稳定性和单采场的最大暴露面积,模拟计算得到了所分析计算区域的应力场、位移场、最大及最小主应力场、塑性区分布、设定监测点的位移、应力记录等,图1～图4为某剖面模拟结果。

数值模拟结果显示,单采场最大安全暴露面积为1200～1500 m2;矿山现有空区是稳定的,任2个空区之间矿柱的回采都不会引发空区的垮塌;顶板岩层始终呈拱形崩落状态,但在空区顶板30 m (+137 m标高)以上岩体变形及应力变化均很小,说明空区处理期间要考虑强制崩落顶板岩层;随着空区暴露面积和高度的继续增大,应力逐渐向矿柱中部集中,此时矿柱对空区的稳定性起着极为重要的作用,矿柱回采及落顶步骤要按模拟结果体现的应力分布规律有序进行。

根据前面数值模拟结果,针对矿山采矿方法变更期产能不变、+47 m以上增补工程施工困难、+107 m以上残留矿量较多的具体情况,如图5将6个采空区以4707

矿柱为界分成2个区段,首先回采矿柱完整性差、回采矿柱时出入巷道受限大,回采辅助工程少的第1崩落区段矿柱,随后进行该区段的强制放顶工程;然后再由西往东回采第2崩落区段矿柱,强制崩落第2区段顶板,整个矿柱回采与强制放顶工程同步作业。这样既满足了矿山产量要求,又实现了空场法向崩落法开采过渡的无缝衔接。 针对+47 m以下由空场法转崩落法的要求,本着充分利用矿山已有井巷工程和现有设施的原则,根据空区围岩体赋存特点,为了有效回收+107～+120 m之间约17.8万t的残留矿石量,保证采矿方法变更期间矿山产能不降,通过多方案比较,确定本次矿柱回采与覆盖层的形成以多次分段爆破方式同步实施。矿柱回采在各矿柱的分段凿岩巷内按常规回采以中深孔爆破方式实现;强制放顶通过超长水平深孔来实现,即在+90 m水平2个崩落区段的下盘各布置1条盲天井,并将该2条盲天井在+120 m水平通过平巷贯通,这样可为放顶工程实施创造良好的安全和通风环境,放顶炮孔排距3～4 m,孔底距4.5 m,孔深36～65 m,共布置6排放顶水平深孔,炮孔施工通过在盲天井内交错布置凿岩硐室实现,工程布置见图6。

经过工程实践,使该方式实现了矿柱的安全回采,避免了上盘岩体垮落而造成+107 m以上矿体的永久损失,每个区段放顶工程实施后,松散矿岩垫层堆积至+105 m标高以上,这不仅完全满足崩落法开采时覆盖垫层厚度的要求,也为深部崩落法开采工程布置及低贫化放矿打下了良好的基础,实现了空场法转崩落法开采的顺利衔接和科学过渡。

(1)采空区稳定状况的科学判定是制定矿柱回采方案与覆盖层形成技术的关键技术条件。

(2)分区段、分次分段爆破回采矿柱及强制落顶是空场转崩落开采高效、顺利衔接的有效方式。

(3)在顶柱回采及强制落顶方面,水平深孔具有回采指标好、炮孔利用率高、凿岩及辅助工程量少等独特优势。

(4)充分结合围岩体地质构造特性,有效利用断层破碎带等构造弱面进行强制放顶具有事半功倍之效。

【相关文献】

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