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某平行急倾斜锡矿体采矿方法选择及应用
2018-09-19
结合某锡矿急倾斜薄矿体的赋存形态和矿岩稳固性,对崩落采矿法、空场采矿法、充 填采矿法进行初选,对初选出的浅孔留矿法和分段矿房法从采场生产能力、采准工程布置、回采工 艺和矿石综合回收率进行技术经济比较,确定选择浅孔留矿法开采,并对所选的采矿方法进行了底 部结构优化,降低了矿石损失率和贫化率。优化后的平底结构浅孔留矿法对类似生产条件矿山具 有一定借鉴意义。
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锡和锡合金在原子能工业、航空工业、现代国防、电子及汽车行业等领域有着广泛应用,我国是锡矿资源生产大国,随着锡资源超负荷使用,导致锡的基础储量逐年下降,安全高效回收埋深大、品位低的锡矿产资源已成为当务之急[1-2]。近年来开采急倾斜薄矿体多数盲目采取浅孔留矿法,对于地表需要严格保护或矿体上部顶板不允许崩落的“三下开采”一般采用浅孔留矿嗣后充填采矿法,没有采取严格论证和对比分析选择采矿方法。

该锡矿位于湖南省郴州市,矿区地势中部高南北低,山脉总体呈北西走向,矿床处于山区,前期民采活动地质灾害已有发生,局部地区岩石自然剥蚀,地表允许崩落。该锡矿为云英岩脉型矿床,矿床已知矿体20条,可采矿体9条,,其中规模较大、控制程度较高的为10、11、12、17号矿体,各矿体呈脉状,近于平行,相互间距10~140m,走向北东东,倾向北西,倾角很陡,为60°-88°。原矿体赋存标高710-364m,倾斜延深49-323m,属于急倾斜薄矿体。

本研究通过该锡矿采矿方法选择的对比分析,并对所选定的采矿方法工艺进行简介,探讨急倾斜薄矿体采矿方法的选择。

1  矿床开采技术条件

矿区位于南岭构造剥蚀区北缘,三条近南北向山脉平行延展,夹两条较开阔纵向沟谷。矿脉体均赋存于中侏罗世汤市铺超单元花岗岩中,围岩岩性单一;岩体呈整体状,区内花岗岩的RQD值为90%以上,属整体块状结构类型。

矿区内无区域性断裂,次级破碎带绝大多数即为矿体,破碎带由云英岩、碎裂硅化蚀变花岗岩及少量石英脉等组成,带内节理、裂隙发育,具导水性,岩石力学性质差;整体强度低,坍塌、滑移、压缩变形均可产生;矿床围岩稳定性良好,据探矿巷道揭示,围岩基本不需支护。依据工程地质资料,矿石一般稳固,仅在破碎带发育地段稳固性差,普氏系数一般为8~12,岩石普氏系数一般为8~10,开采技术条件属中等偏简单类型。

2  采矿方法的选择

2.1  采矿方法选择的原则

根据矿山的开采技术条件及水文地质条件,结合前期探矿工程和民采实际情况,所选采矿方法需要解决问题有:①采准切割工作量小,基建时间尽可能短,投产达产快;②因锡矿石价值较高,所选择的采矿方法应使损失率和贫化率尽可能降低,矿石回收率高;③矿石与围岩稳固性良好,矿体中裂隙较为发育,矿床水文地质条件中等类型,在满足矿石产量的前提下选择采矿方法时应能保护矿体上部破碎风化带,不能破坏顶板稳固性以及防止破碎风化带裂隙水渗水补给;④采场开采强度大,劳动生产率高;⑤优先开采470~630m标高矿体,兼顾470m以下和630m以上矿体;⑥安全生产效率高,回采工艺尽可能简单,所需投资较少。

2.2  采矿方法的初选

矿体为走向较长、倾角大多为65°~75°、厚度0.8~2m的急倾斜薄矿体群,从矿区矿体赋存形态和矿岩稳固性来看,仅仅为了采矿则空场法、崩落法、充填法均可采用。若采用充填法等类似采矿方法,采矿生产效率受制约,采矿成本高,企业经济效益差。采用架设人工假顶的分层崩落法可大大降低矿石损失率和贫化率,使得矿石损失率控制在2%~5%,贫化率控制在5%~8%,这对于回收价值较高锡矿石经济意义重大。架设人工假顶需要消耗大量钢材,可达0.05~0.11m3/t,当人工假顶不能随回采工作下移时需要人工强制放顶,易造成岩石覆盖层增加矿石贫化率,分层崩落法矿块生产能力较小,一般为1500~3000t/月,回采工作面通风条件较差。采用崩落法回采,矿体上部第四系黏土层将被破坏,黏土和地下水的混合物涌入坑内,还将加大矿石的贫化损失指标,直接威胁到矿山生产安全,因此不宜采取充填法和崩落法采矿。根据矿山的开采技术条件,水文工程地质条件,前期探矿工程现状,矿山生产和发展需要及其特殊要求,依据国内外类似锡矿床开采条件的经验,适宜采用浅孔留矿法和分段矿房法。

2.3  采矿方法比较

浅孔留矿法将矿体划分为矿房和矿柱,预留顶柱和间柱,底部结构可以采用不留底柱的切割方法,也可以采用有底柱拉底和辟漏同时进行的切割方法,分两步骤连续回采[3]。首先掘进阶段运输巷道、先进天井和拉底巷道,贯穿风流,然后以拉底巷道为自由面,形成拉底空间和辟漏,形成自由面为爆破创造有利条件。在拉底空间凿岩、爆破、通风以后,依靠自重放出约三分之一左右矿石,其余矿石留在矿房中作为继续上采的工作台,在工人进入工作台凿岩之前,进行撬顶平场工作。依次进行凿岩、爆破、通风、局部放矿、撬顶平场,直至最终大量放矿,再进行矿柱的回采。留间柱、顶底柱的留矿法见图1。

图1  浅孔留矿法示意图

1—回风巷道;2—顶柱;3—天井;4—联络道;

5—间柱;6—暂留矿石;7—底柱;8—漏斗;

9—阶段运输巷道;10—未采矿石;11—回采空间

分段矿房法是按矿块的垂直方向划分若干分段,在每个分段水平上布置矿房和斜顶柱,分两步骤连续回采。在矿体下盘掘进阶段运输巷道,从阶段运输巷道掘进斜坡道联通下盘各个分段运输平巷,岩矿体走向每隔100m掘进一条放矿溜井通往各分段运输平巷。沿分段运输平巷每隔10~12m掘进装运平巷,通到矿体下盘的堑沟平巷,靠近上盘接触面位置掘进凿岩平巷。然后在矿房一侧掘进切割横巷联通凿岩平巷与矿柱回采平巷,从堑沟平巷到分段矿房最高处掘切割天井,爆破后形成切割槽[4]。从切割槽向矿房另一回采,矿房回采结束后立即回采间柱和斜顶柱。分段矿房法见图2。

图2  分段矿房法示意图

1—分段运输平巷;2—装运平巷;3—堑沟平巷;

4—凿岩平巷;5—矿柱回采平巷;6—间柱凿岩硐室;

7—切割天井;8—斜顶柱;9—崩落矿石

分段矿房法采切工程量大,矿石的损失贫化较大,矿石综合回收率80%以上,优点是生产效率高,单个矿房日生产能力800t;留矿法采切工程量相对较少,矿石的损失贫化较少,矿石综合回收率85%,缺点是生产效率不高,单个矿块日生产能力300t,可满足本矿山生产能力要求。从提高回采率和降低贫化率以及尽量减少采切工程量的角度考虑,浅孔留矿法明显优于分段矿房法,因此本设计选用浅孔留矿法。

2.4  采矿方法底部结构优化

为充分利用锡矿资源,提高矿石回采率,设计考虑采用不留底柱的浅孔留矿法,按其不同的底部结构不同形式又分为平底结构装载机出矿和人工假顶木漏斗结构及钢筋砼假顶结构等不同形式的浅孔留矿法。其相同优点是不留底柱,提高了矿石的回采率,不同点是平底结构装载机出矿出矿效率比人工假顶木漏斗结构和钢筋砼假顶结构的出矿效率高40%左右,且作业安全,工人劳动强度低,生产管理简单,但需配备装岩机,增加了设备购置费用。人工假顶木漏斗结构和钢筋砼假顶结构的浅孔留矿法,虽然出矿设备简单,但需人工制作假顶,施工工艺复杂,工人劳动强度大,且木材或钢筋砼用量大,耗材高,增加了采矿成本和巷道维护费用,而且基建投资偏大,经营费用高,综合考虑并没有突出优势[5-7]。根据减少工人劳动强度、提高工作效率之要求,本矿山选用平底结构装载机出矿的浅孔留矿法。

矿脉厚度在1.0m以上的矿石,约占资源量的三分之二,采用平底浅孔留矿法开采;矿脉厚度在0.8~1.0m的矿石,约占资源量的三分之一,采用平底浅孔留矿法开采,采幅宽度必需控制在1.0~1.1m;对于矿体厚度小于0.8m,而品位较富的矿石,也采用平底浅孔留矿法开采。

3  锡矿回采工艺简介

3.1  采场布置

矿体倾角在65°~75°之间,平均倾角大于70°,矿体厚度在0.8~2m之间,可采厚度大于0.8m以上,据此选择采场沿走向布置。

3.2  矿块构成要素

依据实际中段矿体长度,矿块长度一般控制在40~60m之间,标准矿块长度为56m,其中矿房长度50m,矿块高度为中段高度,根据设计规范,浅孔留矿法的中段高度为40~50m,结合本矿山矿脉形态变化大的特点,并参照类似矿山经验取中段高度40m;顶柱高3~4.0m;间柱宽6m。

3.3  采准切割工作

采准工作主要包括掘进装矿横巷、采准天井、联络巷道、漏斗颈等。采准天井,断面为矩形断面,规格1.6×1.8m2,采场联络道每隔2~3m掘进一个。在靠近矿体下盘每隔7m布置装矿横巷与中段运输平巷相通,断面为三心拱形断面,规格2.3×2.8m2。由于采用浅孔落矿,不设二次破碎水平,少量大块直接在采场工作面进行二次破碎。采场采用平底结构出矿,切割工作主要是沿脉内掘进拉底巷道,断面为1.5×2.0㎡。

3.4  回采矿房工作组织

回采工作主要包括:凿岩、爆破、通风、局部放矿、撬顶平场、二次破碎等。矿房回采中分两梯段进行,但每个矿块中同时作业的梯段为一个,以每个采场1个昼夜进行一个作业循环计算,每个采场的日常出矿能力约为65t。

3.5  矿柱回采及采空区处理

根据本矿山矿体为急倾斜薄矿脉群等赋存特征和围岩较稳固以及地表允许塌陷等特点,一般情况下,每个采场回采结束后其顶柱随矿房回收,留间断矿柱,回收量约四分之一,间柱不回收,对通往采空区的巷道进行封闭处理即可,封闭材料采用浆砌块石,封闭长度0.8~1m。在深部开采时,为防止因采空区过多引发大规模的空区崩塌事故,可采用钻机,在上盘围岩打垂直扇形炮孔集中爆破,以崩落上盘围岩来充填采空区的方式对上部的采空区进行处理。

4  结  论

(1)该锡矿采取选用平底结构装载机出矿的浅孔留矿法回采。厚度1.0m以上的矿石,采用平底浅孔留矿法开采。矿脉0.8~1.0m的矿石,若采用平底浅孔留矿法开采,采幅宽度控制在1.0~1.1m。

(2)改进了浅孔留矿法的底部结构,不留设底柱,可提高矿石回采率2%,使得矿石综合回收率大于88%。

(3)采用平底浅孔留矿法,单个矿块的矿房回采矿量为7741吨,总采出矿量为8573吨,副产矿石占采出矿量比重0.15,千吨采切比29.14,能实急倾斜薄矿体安全、高效生产。


作者:陈纲 李宁 李晓芸 孙国权(五矿二十三冶建设集团桂阳锡业有限公司等)本文发表于《现代矿业》2018年第8期

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