1、缓倾斜薄钨矿脉矿柱回采方案探讨 张华辉 梅国栋 紫金矿业集团股份有限公司 北京矿冶研究总院 摘 要： 缓倾斜薄矿脉赋存在我国金属和非金属矿山较为常见。针对南温河钨矿全面法采矿残留矿柱的留存条件和回采难点进行分析和研究, 提出使用人工假柱置换矿柱的矿柱回采方案。研究表明:混凝土人工假柱尺寸 6.0m, 间距 1012m 能够满足矿柱的安全回采;同时回收矿柱约为 14.8 万 t, 产出钨精矿约 776.3t, 净收入约 7 700 万元。在保证安全的前提下, 为企业带来良好的经济效益。关键词： 缓倾斜薄矿脉; 房柱法; 矿柱回采; 人工假柱; 作者简介：张华辉 (1979-) , 男, 安全技术
2、及工程专业, 主要从事矿山开采与矿山管理工作。作者简介：梅国栋 (1982-) , 男, 博士, 安全技术及工程专业, 主要从事矿山典型灾害防治技术研究。Discussion on pillar recovery scheme in gently inclined and thin tungsten mineZHANG Huahui MEI Guodong Zijin Mining Group Co., Ltd.; Beijing General Research Institute of Mining Abstract： Gently inclined and thin veins are
3、widely distributed in metal and nonmetallic mines in China.Combined with the retention conditions and the difficulty of mining in the residual pillars in the Nanwenhe tungsten mine, this paper presents a pillar recovery scheme using artificial pillars to replace the original ore-pillar resources.The
4、 results show that the artificial pillar has a size of 6.0 mand a spacing of 10 to 12 mcould meet the requirements of the ore-pillar safely recovery.At the same time, the weight of the recovered pillar is about 148, 000 t, the output of the tungsten powder is about 776.3 tand the net income is about
5、 RMB 77 million Yuan.The method not only ensures the safe recovery of the ore-pillar, but also brings significant economic benefits to the mining enterprise.Keyword： gently inclined thin orebody; room and pillar method; pillar recovery; artificial pillar; 如何对采矿过程中残留的矿柱进行安全、高效、经济的回采, 已经引起许多矿山企业的重视, 特
6、别是在当今不可再生资源日益减少的大前提下, 更显重要1。矿柱回采方法主要取决于矿柱的开采技术条件, 包括采矿方法、矿柱的大小及形状、矿柱的稳定性和周围状况, 矿柱的品位和价值, 矿体的倾角、围岩稳固程度及地表条件2-4。本文针对南温河钨矿矿柱留存的条件以及特殊的回采难点, 提出了用人工假柱置换原始矿柱的矿柱回采方案, 实现了对该矿残留矿柱的大规模回采。1 矿山概况及开采技术条件南温河钨矿为文山麻栗坡紫金钨业集团直属生产矿山, 初始为大规模的个体开采, 资源浪费现象严重, 2007 年紫金矿业与当地相关部门对麻栗坡县钨矿及其他矿产资源进行整合。整合后的南温河钨矿于 2008 年重新投产, 为采选
7、联合生产矿山, 矿山生产规模 110 万 t/a, 标准钨精矿产量约 4 500t/a, 经济效益良好。南温河钨矿共赋存、等三层矿, 平面上划分为四个主要矿段, 自北往南分别为岩脚矿段、南秧田矿段、茅坪矿段和大渔塘矿段。目前井下主要集中开采南秧田矿段层矿, 未来逐步往南开采茅坪矿段。总体矿体赋存条件及矿体形态简单, 呈层状、似层状向东南倾斜, 埋深 0300m。南秧田矿段矿体厚度在 28m, 而茅坪矿段矿体薄, 矿体平均厚度只有 1.47m。矿体沿勘探线方向 (东西向) 矿体倾角较缓, 一般为 012, 只有个别剖面如 57 线矿体的倾角较陡, 达 1722;在南北向, 矿体倾角较陡, 如 3
8、01 纵剖面, 矿体倾角为 722, 324 纵剖面矿体倾角为 11。矿体顶底板岩石主要为二云斜长片麻岩, 厚度不一, 多以厚层状为主, 属中等坚硬坚硬岩组, 稳定性受节理裂隙发育, 风化程度控制。根据矿山经验, 矿体直接顶板围岩不很稳固, 局部不稳固。2 矿柱留存条件以及回收难点南温河钨矿采用全面法回采, 回采过程留下矿柱支撑顶板, 所留矿柱大多数为不规则的圆形或方形点柱, 矿柱的尺寸不一, 一般 48m, 矿柱间距随矿柱尺寸、矿体厚度和顶板围岩的稳固性而定, 一般为 813 m;南温河钨矿矿体顶板为片岩, 极不稳固, 顶板容易发生冒落, 因此矿山在回采时一般不揭露顶板围岩, 而是留 0.5
9、m 的矿体护顶层。南温河钨矿全面法回采空区矿柱回收的难点在于:在回采矿柱时, 矿石搬运和顶板管理是一困难问题, 由于矿体厚度和倾角小, 采用重力放矿则在经济上非常不合理。3 人工假柱置换原始矿柱的回采方案人工假柱置换原始矿柱就是在采空区内修筑满足强度要求的人工矿柱, 待其能够承受采场顶板压力后, 以浅孔爆破回收其支撑范围的残留原矿点柱。这种方法主要针对矿体品位比较高的富矿, 根据所需要的支撑力的大小和假柱材料的不同, 人工假柱有木垛, 也可以用石块砌筑或用混凝土浇筑等, 本文主要介绍混凝土人工假柱。要使采场处于良好的稳定状态, 必须满足两个条件:矿房跨度不超过极限值, 矿 (假) 柱应大于其极
10、限强度所要求的规格;同时还要很好地解决矿房跨度和矿 (假) 柱尺寸的合理配合问题。矿山现用 C25 素砼或 C25 毛石砼, 本方案采用矿山现用的混凝土柱的材料及配比进行相关计算。3.1 人工假柱间距的确定影响开采空间极限跨度的因素很多, 主要有岩体性质、开采深度、上覆岩层作用在顶板暴露面积上的重力、矿体倾角、顶板暴露时间、开采空间几何尺寸、构造等。本方案用函数估价法确定矿房极限跨度。函数估价法是运用理论或实践方法, 求出极限跨度的函数式, 然后由经过生产检验类似矿山的矿房极限跨度值, 在求算未知矿体矿房的极限跨度值5-7。南温河钨矿的开采条件和类似条件的矿房极限跨度见表 1。表 1 矿体开采
11、条件和矿房跨度 Table 1 Ore mining conditions and room mining span 下载原表 首先将表中实际的 4 个矿房跨度, 分别按照下式转化成基准条件下的矿房跨度:式中:a u极限跨度;a ui矿房极限跨度;m大于 1 的系数;k载荷系数;H开采深度;侧压系数;矿体倾角。经过计算得出:a uj1=11.4 m, auj2=10 m, auj3=11.1m, auj4=17.9m。基准条件下的平均极限跨度为:所求矿体矿房的极限跨度为:代入计算数据, 得到不同开采深度条件下的矿房极限跨度值, 如表 2 所示。按上述方法计算的结果, 受环境因素、时间因素及岩体
12、本身所表现的性质不确定性、各向异性、构造等因素和各种偶然因素的影响。函数估价法是运用理论和实践方法求出极限跨度的函数式, 然后结合南温河钨矿现场生产际检验的类似条件矿体的矿房极限跨度求算设计区域矿体矿房的极限跨度。表 2 矿房极限跨度计算表 Table 2 The calculation result of limit span of room 下载原表 3.2 假柱布置形式的确定矿房长、宽尺寸的确定, 应充分考虑开采空间形状及上述计算确定的矿房极限跨度, 运用岩体力学理论和实验研究结果, 提高人工假柱支撑顶板的面积, 以提高投入产出效益, 同时, 必须以确保施工作业安全和对地表保护为前提。南
13、温河钨矿采用全面法开采, 矿块尺寸为 (5080) m (6080) m, 每个矿块划分几个矿房, 预留点柱尺寸 4m4m, 矿房跨度 812m, 根据矿房顶板稳固情况, 当矿房顶板片岩暴露, 不稳固时, 矿房跨度预留为 8m;当矿房顶板整体稳固性好, 考虑 12m 的矿房跨度。根据研究, 顶板暴露面为正方形时, 矿房极限跨度最大, 结合上述计算结果和南温河钨矿全面法回采方案及生产经验, 确定空区内人工假柱呈正方形均匀布置, 矿房跨度取 812m。3.3 假柱尺寸的确定根据岩石力学理论和实验研究, 正方形矿柱强度最大, 随着矿柱长度增加, 矿柱强度相应减小, 当长宽比为 3 时, 矿柱强度只有
14、正方形矿柱强度的 1/2 至1/3, 因此, 本设计中人工假柱按正方形设计。根据经验, 在计算假柱强度时一般作如下简化:假柱内的应力是均匀分布的;假柱的破坏主要由垂直方向的力作用造成;上述两点假设造成的误差可用安全系数给予弥补8-10。保证矿柱强度所必须的截面积 (或尺寸) , 可按许用承载强度计算:式中:S矿柱支撑面积;覆岩容重;H空区埋深;k载荷系数;s矿柱横截面积; 0矿柱矿石立方形试件单向抗压强度;k f矿柱形状系数;n安全系数。由上式得矿柱相对面积为:利用上式计算矿柱宽度时, 因为矿柱宽度 a 为未知数, 可先假设 a 值, 利用假设值求得 kf值、S 值及 s 值。若算出结果不符合
15、式 (6) 要求, 则重新假 a 值进行计算;若计算数据满足式 (6) 要求且相差不远, 则所假设的 a 值即为设计值。南温河钨矿矿体赋存条件复杂多变, 矿体的埋藏深度 H 和假柱高度 (矿体的厚度) h 不定, 因此要确定假柱尺寸, 必须根据具体地点的具体情况进行设计。根据南温河钨矿的实际, 采用做假柱的 C25 的毛石混凝土的抗压强度 25 MPa, 覆岩容重 2.67t/m;假设计算点的埋藏深度为 120m, 假柱高度 4m, 假柱跨度为10m, 则 S= (10+a) , 根据南温河钨矿矿体赋存情况, 载荷系数 k=1, 取安全系数 n=1.6, 计算混凝土假柱尺寸。假设 a=6 m,
16、 S= (10+6) =256, s=6=36, kf=a/h=1.5, 所有数据带入式 (6) 右侧, 则有:s=36 与式 (6) 要求相符, 因此取 a=6m。3.4 混凝土矿柱设计根据上述计算, 确定采用方形混凝土假柱置换原矿柱, 混凝土假柱均匀地布置在原矿柱的之间, 原矿柱一般呈正方形布置, 因此假柱一般布置在正方形对角线的交点位置处, 但是假柱实际间距不能超过计算得对应条件下的假柱间距。混凝土柱的尺寸根据不同的空区埋深条件和假柱间距来确定。人工假柱的布置如图 1 所示。人工假柱取代原始矿柱时, 特别是用混凝土构筑人工假柱, 应重视接顶质量。图 1 人工假柱布置方案平面图 Fig.1
17、 Artificial pillar layout plan 下载原图3.5 矿柱回采采场内混凝土人工矿柱施工结束, 达到养护龄期后, 方可进行采场内残留点柱的回采工作。回采工艺主要包括凿岩、爆破、通风、排险、出矿和采空区处理等。凿岩采用 YT-28 气腿式凿岩机施工钻孔, 孔径 3238mm;爆破采用 2 号岩石乳化炸药进行爆破, 炮孔布置施工见图 2 所示。爆破抛掷方向应背向人工假柱布置位置, 一方面可以保护人工假柱的稳定性, 另一方面可以将爆破崩落矿石集中堆积, 为后续集中出矿提供有利条件。爆破参数为孔深 23m, 矿柱腰线位置炮孔间距 0.5m, 矿柱顶底板孔距 0.8m, 具体情况根
18、据矿柱实际形态决定。矿石爆破抛掷方向根据现场的回采顺序而定, 以人员设备的安全作业为前提, 尽可能实现矿柱一次爆破, 避免多次爆破扰动对采场顶板及人工假柱的破坏。图 2 矿柱回采炮孔设计图 Fig.2 Design of pore holes in ore-pillar recovery 下载原图4 结论1) 构筑混凝土假柱替换原来的矿柱, 假柱使用正方形形式, 布置在呈正方形的矿柱对角线交点的位置, 相邻假柱间距 812m, 假柱尺寸视不同空区埋深计算确定。待混凝土人工矿柱施工、养护结束之后, 再对矿柱进行回采作业。2) 按本方案对全面法采矿留存的矿柱进行回收, 全面法采矿留存矿柱回收量可达
19、到约 10%, 回收矿量约为 14.8 万 t, 产出钨精矿约 776.3t, 净收入约 7 700万元。在保证安全的前提下, 实现了对矿山采用全面法留存矿柱的回收, 为企业带来良好的经济效益。参考文献1李同鹏, 胡崴.某铁矿高应力条件下矿柱回采顺序优化J.现代矿业, 2017 (1) :108-109, 114. 2吴洁葵, 袁梅芳, 王志, 等.空场人工点柱替换原生矿柱回采技术及工艺J.金属矿山, 2017 (1) :1-5. 3王安强.全面房柱采矿法在富家矿三角矿柱残采中的应用J.黄金, 2016, 37 (1) :44-47. 4王如坤, 徐强, 申超霞, 等.大冶铁矿矿柱回采方式的研
20、究J.矿业研究与开发, 2015, 35 (7) :17-22. 5赵斌.特殊围岩房柱应力与变形规律及合理结构参数的研究D.北京:中国矿业大学, 2014. 6陈中经.函数估价法求解开采空间稳固性J.云南冶金, 1982 (3) :28-29. 7杨秀明.用砼柱置换原生矿柱的研究J.采矿技术, 2011, 11 (4) :25-27, 50. 8胡慧明.房柱法地压处理及人工矿柱结构参数研究D.赣州:江西理工大学, 2011. 9杨涛波, 王晓军, 熊雪强, 等.房柱法深部开采人工矿柱合理宽度设计J.有色金属科学与工程, 2011, 2 (2) :83-85. 10冷明辉.人工混凝土柱代替原生矿柱在房柱法开采中的应用J.化工矿物与加工, 2009 (4) :29-30.
