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一种强地压条件下极厚大矿体充填法开采研究
2022-07-19 11:21:14 来源:河北省自然资源厅_科技发展
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简介:随着矿井开采深度的增加,地质环境趋于复杂,深部矿体开采主要受到 “三高—扰动”的影响,即高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动。 “三高—扰动”的复杂环境,使得采矿方法选取变得更具有挑战性和高难度。
引言
根据开采实际需求,部分学者将开采深度1000 ~ 2000m的矿山定义为深井矿山。随着国内矿产资源的不断开发,我国浅部矿产资源逐年减少,开采深度在千米以内的金属矿产资源正在逐步消耗殆尽,迫使越来越多的矿山转入深部矿体开采。
同时,近些年随着国外铁矿石价格不断上涨,铁矿石进口环境越来越严峻,国家的发展要求急需加大国内铁矿石开采量。但是随着浅部铁矿资源的消耗,国内越来越多的铁矿山逐渐转入深井开采。我国投产深井矿山已经达到19座,这些矿山通常采用常规的采矿(第二届金属矿山采矿设备供应商大会暨标准讨论会方法,生产规模相对较小。同时,国内对地表环境保护越来越重视,因此,亟需一种适用于深井铁矿山大规模开采的高效充填采矿方法。
1、深部极厚大矿体开采难题
随着矿井开采深度的增加,地质环境趋于复杂,深部矿体开采主要受到 “三高—扰动”的影响,即高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动。 “三高—扰动”的复杂环境,使得采矿方法选取变得更具有挑战性和高难度。
1)高地应力。深井矿山,由于工程开挖所引起的应力集中水平远大于工程岩体强度,同时叠加深部岩体构造应力场,最终在深部岩体中形成了异常的地应力场,具体体现为深部的高地应力现象。深部高地应力可能导致破坏性的地压活动,包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由采矿开挖引起的动力灾害,这些给支护和采矿安全造成很大负担。
2)高地温。岩层温度随岩体深度增加以1.7 ~ 3.0℃/100 m 的梯度增加,最终在深井矿山开采工作面形成高地温环境。深井的高温环境严重影响工人的劳动生产效率,而为了进行有效降温,又必将大幅增加采矿成本。
3)高岩溶水压。进入深部开采后,随着地应力和地温的升高,水头压力也随之增大,具体体现为高岩溶水压。岩溶水压的升高,使得矿井突水灾害更为严重。突水往往发生在采掘 活动结束后的一段时间内,具有明显的瞬时突发性和不可预测性,危害极大。
4)强烈的开采扰动。深井开采矿山,大多数井巷工程要承受回采空间引起的强烈的支撑压力作用,使受采动影响的巷道的围岩压力数倍于原岩应力,使井巷围岩可能处于塑性状态,进而造成井巷工程的破坏,增加井巷工程维护成本。
由于深井开采存在上述的 “三高—扰动”复杂开采环境,使得深井开采采矿方法选取变得更为困难,同时结合我国对环境保护的需求,建设绿水青山的环境,要求矿山开采尽量减少对地表的破坏,提倡充填法开采深部资源。
基于上述情况,本文提出一种适用于强地压环境下极厚大矿体开采的充填采矿方法,既保护地表、避免塌陷,同时又适应 “三高—扰动”复杂开采环境。
2、深部极厚大矿体安全高效开采关键技术
2.1 合理的采场布置及结构参数设置
为了适应深部高地压环境,确定单个采场顶板暴露面积在1000m2以下,侧帮暴露面积在1500㎡以下。将矿体划分为多个盘区,盘区垂直于矿体走向方向布置,每个盘区结构参数:长150m,宽150m,高50m。每个盘区由25个采场构成,每个采场结构参数为长30m、宽30m、高50m。沿矿体走向方向,盘区一侧留有30m矿柱,矿柱内设有回风巷;另一侧留有35m矿柱,矿柱内设有进风巷及采区溜井,垂直于矿体走向方向盘区间不留间柱。
国内阶段空场嗣后充填采矿法通常采用矩形采场设置,阶段高度取60m以上,采场侧帮暴露面积达到4000㎡以上,不适宜高地压环境。本文提出的采矿方法采用正方形采场设置,减少了采场侧帮暴露面积,更适宜用在高地压环境。
2.2高效的回采工艺
1)采准切割。在每个开采阶段,自上而下分别为充填水平、凿岩水平和出矿水平,3个水平工程互相利用。在出矿水平,采场两侧布置出矿联络巷,采场中间布置堑沟拉底巷,出矿联络巷与堑沟拉底巷之间通过出矿横巷连通。在凿岩水平,凿岩巷道为出矿水平的堑沟拉底巷; 在充填水平,充填巷道也为出矿水平的堑沟拉底巷,即充填巷道利用上二个采矿阶段的堑沟拉底巷,凿岩巷道利用上一采矿(第二届金属矿山采矿设备供应商大会暨标准讨论会阶段的堑沟拉底巷 。盘区两侧进风巷、回风巷和采场内的巷道断面规格按 24.84㎡考虑,经计算,盘区的千吨采切比为1.24m/kt、30.54m3/kt。
2)回采工作。回采凿岩中深孔采用Simba1354采矿凿岩台车,孔径Φ76 mm,主要用在集矿堑沟中打上向扇形中深孔; 深孔采用潜孔凿岩台车,孔径Φ114mm,主要用在凿岩水平向下钻凿深孔。中深孔落矿量占总落矿比例 17.6% 。爆破采用乳化炸药,装药车装药,非电导爆管和非电毫秒雷管起爆,分段微差爆破。爆破下来的矿石,由铲运机通过出矿横巷、出矿联络巷运至矿石溜井。
2.3高效通风布置
通风工程在盘区间采用进、回风巷交错布置,在采场内通过联络巷贯穿进回风巷道,通风系统简单、易于管控,可以降低通风成本。在出矿水平,新鲜风流由盘区进风巷、出矿联络巷、出矿横巷进入采场工作面,污风经采场、出矿横巷、出矿联络巷进入盘区回风巷,经回风井排出地表。凿岩水平和充填水平的通风系统与出矿水平类似。由于通风系统简单、易于管控,对于高地温的采场,本采矿方法更易于通风加大通风量降低采场温度,改善采场工作环境。
2.4采场充填
采场出矿完毕后,即进行充填准备工作,从上二个采矿阶段的堑沟拉底巷吊挂外包滤布的塑料波纹泄水管,在出矿横巷中构筑充填泄水挡墙封闭采空区,在出矿横巷的每个挡墙前再砌筑500 ~ 600mm高的沉淀池。充填料浆由上二个采矿阶段的堑沟拉底巷、切割天井进入本采矿阶段的采场,采场充填要根据充填料的泄水情况和沉淀情况等,分多次充填,多次接顶,尤其必须保证接顶充填质量。经采场沉淀后的泄水溢流至盘区进、回风联络巷,汇集到采区进、回风天井,经泄水钻孔下放至排水水平,汇入井下排水系统。
采场充填分为两种充填方式,即高强度胶结充填和低强度胶结充填。一步采场采用高强度充填,二步采场采用低强度充填。先开采一步采场,后开采二步采场,保证二步采场的安全开采。
3、结语
本文提出一种强地压条件下极厚大矿体充填采矿(第二届金属矿山采矿设备供应商大会暨标准讨论会方法,是对深井矿山大规模开采方法的一种探索研究。该采矿方法采切比低、采场侧帮暴露面积小,适用于高地压条件,生产安全;通风系统简单、易于管控,完全可以应对高地温的生产环境; 采场结构参数合理,生产效率高,盘区生产能力大,可以充分发挥矿山规模效益。
摘自《矿业工程》2022年2期
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标签:
矿山充填
矿山开采
采矿方法
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