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金属矿床深部开采的几个技术问题

来源：九壹网

SeriesNo.2金

June　1998

　　属　　矿　　山

METALMINE

总第2期

1998年第6期

・采矿工程・

金属矿床深部开采的几个技术问题

解世俊　孙凯年　郑永学　李元辉

(东北大学)

摘　要　金属矿床进入深部开采后,由于地应力大而导致地压活动频繁、顶板与围岩失稳及岩爆等事故,严重影响矿山正常生产。为此,结合红透山铜矿深部开采,开展了深部开采技术的研究,提出了采用连续开采、全面充填等技术措施,效果显著,对类似矿山具有推广价值。

关键词　深部开采　连续开采　全面充填　岩爆

SeveralTechnicalProblemsinDeepMiningofMetalDepositsXieShijun　SunKainian　ZhenYongxue　LiYuanhui(NortheasternUniversity)Abstract　Whenthemetaldepositshavecometothedeepminingstage,theaccidentsoffrequentgroundpressureactivities,theunstabilityoftheceilingandsurroundingrockandrockburstcausedbythegreatgroundstresscanhaveseriouseffectontheformalmineproduction.Therefore,thetechnicalinvestigationonthedeepminingwasmadeincombinationwiththedeepminingofHongtoushanCopperMine.Thesuggestedmeasuresofcontinuousminingandwholefillinghaveachievedremarkableeffects,whichisofthepopularizationvaluetoothersimilarmines.

Keywords　Deepmining,Continuousmining,Wholefilling,Rockburst

　　红透山铜矿自1958年建矿以来,已有40a的开采历史。目前采深已达1100m,开拓深度1337m,年产矿石46～48万t,充填量15万m3,掘进量1万m。

1988年该矿采深达800～850m(-347m、-407m中段)时,地压活动频繁、采场顶板冒落、围岩失稳,矿柱由于应力集中而遭破坏,造成了大量的矿石损失与贫化,使深部开采问题明显地暴露出来,并使采矿生产不能正常持续进行。

因此,自19年5月至1996年12月历时8a时间,该矿与东北大学进行科研合作,对深部开采的采矿方法、充填系统、地压控制等迫切的课题,开展了以工业生产试验为主并辅以实

验室和理论分析的研究工作。

工业试验选在该矿3号脉-467m中段(采深917m)。该矿段走向NE110°,长度160～180m,水平厚度20～40m,倾角70°～75°,赋存于东西两组辉绿岩脉之间,地质构造简单,断裂带不甚明显,矿体上盘为角闪斜长片麻岩,下盘为黑云母斜长片麻岩,矿石与围岩均属中等稳固。

在试验研究的8a期间,共采出500多万t矿石,充填140万m3的采空区,基本上控制了岩爆的发生和发展,未发生一例因冒顶或片帮造成的人身伤亡事故,企业的效益年年有所增

解世俊,东北大学资源与土木工程学院,教授,110006辽宁省沈阳市和平区文化路3号巷11号。

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总第2期　　　　　　　　　　金　　属　　矿　　山　　　　　　　　　1998年第6期长,成为有色金属矿山中为数不多的盈利矿山之一。1　连续开采111　矿块式开采的主要问题

红透山铜矿在新采矿方法试验前的10余年中,主要采用留矿法和上向分层充填法,90年代后两种采矿方法使用比重各占50%左右。矿块沿矿体走向布置,矿房之间留有8～10m宽的间柱,一般不进行回采。留矿法矿房沿走向长度为35～50m,而充填法个别采场长达110～140m。

大量生产实践结果证明,留矿和分段回采组合的二步连续开采法,既发挥出空场回采强度大、生产效率高的优点,又能保证在回采过程中的工作安全、采场稳定和矿石回收指标好的突出特点。由于优质的全面充填采空区,在8a的试验期间,避免了岩爆的发生,阶段间矿柱未出现较高的应力集中现象,实现了矿山正常持续的作业。113　国外深部矿体连续开采的经验

目前国内深达到900m的金属矿山尚无先例,和红透山铜矿开采条件相似的国外金属矿山,应用留矿与分段回采的二步开采法,亦未见报导。加拿大的安西尔铜矿、基德克里克铜铅锌矿,澳大利亚的芒特———艾萨铜矿,在采深1076～1460m条件下,应用分段充填法,取代了上向分层充填法。其特点是方法灵活,当矿体条件受到时,可恢复使用分层充填法,同时,该法提高了生产效率和设备利用率,改善了作业安全条件,降低了采矿成本。乌克兰的扎波罗热铁矿和俄罗斯的加伊铜矿,采用分段和分段回采的二步开采法。前者的突出特点是矿房几何形状呈棱形,上下棱面与水平成60°夹角,一步矿房采后胶结充填,充填体强度为4～6MPa,满足二步矿房回采能自立与地表不塌陷的要求。后者在组合阶段(3～5个阶段)内,采用上行开采顺序,此时有利于井下掘进的废石充填采空区。

这些矿山多数采用块石胶结充填一步矿房的采空区,实行区域性的优质充填作业,较好的控制了顶板岩层冒落和岩爆的发生和发展。114　实验室数值模拟结果

该矿进入深部开采以后(最大主应力方向

呈水平状态的深度约为800m),最大主应力方向与矿区岩层方向近于直交,此时采场长轴沿矿体走向布置,是最不利的受力状态。在回采过程中,出现的采场顶板频繁冒落、围岩大量坍塌、间柱应力集中、上采困难甚至中断等现象,均是采矿方法应用不当、采场布置不合理、结构参数欠佳等的必然结果。该矿从-347m～-467m中段(采深800～900m)的许多留矿法和充填法采场的生产实践,得到充分证实。112　红透山铜矿连续开采试验与推广在深部开采条件下,矿体的走向与倾向延长又较大时,矿房回采依靠矿柱的刚性支撑,维护其稳定性,是错误的概念。此时,必须突破矿块式或盘区式开采的传统习惯,而应用连续式的开采方式并适时进行全面充填采空区,以允许在岩层中积蓄的应变能量缓慢释放,从而减少发生岩爆的频率或降低岩爆的危害程度。

根据上述原则,在充分考虑该矿多年积累的生产经验和采掘设备提供的能力,选用留矿和分段回采的二步开采法(一步矿房用留矿回采并嗣后胶结充填,二步矿房用分段回采嗣后尾砂充填),并在3号脉-467m中段进行大规模的工业试验成功的基础上,推广于该矿脉的-527m、-587m以及-7m3个中段。矿

为了验证深部矿体连续开采(二步开采)的

可行性,应用有限元与边界元耦合方法进行了数值模拟研究。结果认为,连续开采并全面充填后,其相邻的下中段回采时无应力集中,采场周边无塑性区,胶结充填(尤其块石胶结充填)对围岩变形有作用,在良好的接顶情况下,还有一定的承载作用。因此,对深部矿体实行连续开采并全面充填的开采方案,在技术上可

房垂直矿体走向布置,其长轴平行于水平最大主应力。一步矿房宽10m控制顶板暴露面积在400m2以内,二步矿房宽16～17m。

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　　　　解世俊等:金属矿床深部开采的几个技术问题　　　　　　　　　　　1998年第6期行。2　全面充填采空区211　试验中段上部采空区处理状况

+133m至地表+450m间317m高,因用大爆破方法回采残柱后,引起围岩冒落,并直达地表,在地表形成露天凹陷盆地,其底部有10余米的复岩充填,盆地向外扩展于1979年停止。+133m至+73m于1978年用块石胶结充填,其强度达3MPa,经多年观测充填体稳定,未发生移动。+73～-227m5个中段的采空区体积约180万m3,中段间留2m阶段矿柱未回收,采空区用尾砂和部分废石充填,充填体亦未见移动。-227～-407m3个中段在采场充填的基础上,现正用上向进路充填法回采顶柱。

在试验中段-467m以上的857m高度的采空区,基本上为块石胶结充填、尾砂充填和崩落的围岩复盖,形成大规模的区域性良好的稳定状态,为深部开采技术研究和生产,创造了较好的条件。212　充填体的性态填体的强度,应提高到4～6MPa,最好应用块

石尾砂胶结充填,块石充填料与尾砂胶结充填料的比例保持在1∶1～3∶1的范围。213　井下卧式砂仓溢流脱泥技术

为适应深部开采对充填体强度的需要,红透山铜矿采用了井下卧式砂仓和溢流脱泥技术。在尾砂充填时,选厂的尾砂直接进入井下卧式砂仓,溢流脱泥后用于尾砂充填;胶结充填时,为增加尾砂的平均粒径,使用部分旋流器脱泥的分级砂,溢流尾砂仍放入卧式砂仓进行再脱泥。此项技术与立式砂仓或卧式砂仓充填系统比较,有下列优点:

(1)提高了尾砂利用率。用旋流器脱泥时,尾砂利用率一般为60%～70%,而红透山铜矿的井下卧式砂仓溢流脱泥,可以利用较多的细粒级尾砂,-20μm的尾砂溢流较多,-40μm～+20μm留在分级尾砂中较多,其渗透系数仍较高(当孔隙率为015时,K10=11cm/h),完全满足尾砂充填的要求。此时,尾砂利用率高达80%。较好地解决了该矿砂源不足的问题。

(2)充填料浆的浓度较高。国内尾砂充填系统的料浆浓度一般为55%～65%(如焦家金矿、新城金矿等),红透山铜矿尾砂充填的料浆浓度达65%～70%,有时甚至达75%。在不使用压滤脱水技术时,国内一般的尾砂充填系统很难达到这样的浓度。214　块石胶结充填

为了提高充填体的强度和刚度,对一步矿房采空区进行块石尾砂胶结充填。为此,专门建立井下废石不出坑的充填运输系统,将井下各中段掘进产出的废石,经该系统集中运至待充填的采空区上部,和尾砂胶结充填料浆同时充入采空区。

废石不出坑的充填运输系统,对于深部开采的优越性尤为突出,既缓解了提升运输紧张状态,减少了提升运输废石的费用和地面废石场的占地面积,又改善了矿石地面环境。

澳大利亚的芒特———艾萨铜矿,在采深超

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为了保证连续开采工艺的要求,一步矿房

回采后,必须适时地进行尾砂或尾砂加块石胶结充填,形成的充填体要有良好的自立状态,自立高度39m,自立面积为800～1600m2(矿体水平厚度20～40m)。

根据-467m中段10采分段回采后揭露一步矿房充填体存在状态得出,块石胶结充填体中的块石相互挤压咬合相嵌,自立性良好,用回弹仪测定块石处的强度为41MPa;尾砂胶结充填体水泥集中处的强度为4.8MPa,均匀处为2.0～3.0MPa。暴露时间达2a以上,仍能保持较好的自立状态。14采分段回采后所揭露两侧的尾砂胶结充填体自立和完整情况,比10采更好。试验中段3个二步矿房(10,12,14)现已回采完毕,回采条件正常,回收指标良好,并已完成全面尾砂充填。

从防治岩爆的发生和发展观点,并吸收国外深部矿体回采经验,一步矿房采空区胶结充

总第2期　　　　　　　　　　金　　属　　矿　　山　　　　　　　　　1998年第6期千米的条件下,应用高中段的矿房法回采,嗣后用块石和水砂胶结料浆。同时充填采空区,以便在回采相邻的采场时形成稳定的暴露面。该矿的开采条件、回采和充填工艺,与红透山铜矿颇有相似之处,其深部开采技术可以借鉴。3　控制岩爆

311　发生岩爆的临界开采深度

向。

313　岩爆发生条件的综合评价理论

在总结已有研究成果的基础上,根据我们长期现场观测和资料分析,提出岩爆发生条件的综合评价方法如下:

发生岩爆要同时具备两个条件:一是必要条件,即能量条件或应力条件;二是充分条件,

即岩性,可用U>U3、Ki>Ki关系式表达

分析国内外和多个发生岩爆的金属矿山资料认为,由于矿山地质条件和矿岩物理力学性质不同,发生岩爆的开采深度变化范围很大,一般从450m到700～800m。

众所周知,随采深增加地应力亦相应增大,

其增加速率一般符合σ当最大V=γH的关系。σ主应力呈水平分布时,即σH∶V>1,则认为是深部开采的临界深度(发生岩爆的临界开采深度),其上部为重力应力场,显现为静态型地压,下部为构造应力场,除静态型地压显现外兼有动力型的地压显现,采深越大越加明显。

从应力测量结果认为,红透山铜矿的临界深度为-347m中段,此时VH∶VV=2。该中段距地表埋深为797m。该矿生产实践证明,进入-347m和-407m中段后,采场地压显现明显,顶板冒落和围岩坍塌频繁,甚至中断上采作业。

312　发生岩爆的倾向度

(U—岩体中蓄积的弹性应变能量;U3—岩爆

发生的临界能耗量;Ki—实验室测定岩样的冲击倾向性指标;Ki3—发生岩爆的限定指标)。

上述方法较以前的理论易于操作,各项指标易于获得,且能判断岩爆发生的具体位置,便于采取有效措施,将岩爆危害降到最小程度。314　用声发射监测岩爆应用Kaiser效应特征应力σK评价法表明,红透山铜矿用声发射监测岩体稳定性是可靠的。根据多年声发射仪监测结果得出:

(1)该矿深部岩体声发射特征明显,岩体、岩性、结构和空间组合状态,均与岩音频度有关;

(2)岩音频度>20次/min,变化率较大

时,有发生岩爆的可能;

(3)岩音频度高,但变化率不大,未必发生岩爆;频度变化较大,但频度<5次/min,不会发生岩爆。4　结　语

大量研究认为,岩性与发生岩爆密切关联:岩爆多发生于质地坚硬、性脆、结构致密、线弹性特征明显的矿岩条件,而结构松散、裂隙发育、弹模小、强度低的矿岩,一般不会发生岩爆。因此,根据岩性作为判断岩爆指标,是完全正确的。

运用冲击能量理论,对红透山铜矿5种主要矿岩,在实验室测定了弹性能量指数We,冲击能量指数Wb和动态破坏时间DT。根据测定结果认为,该矿深部的角闪斜长片麻岩、矽线石片麻岩、辉绿岩具有发生强烈岩爆倾向;黑云母斜长片麻岩和铜矿石具有发生中等岩爆倾

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红透山铜矿是我国唯一超千米的金属矿山,随着开采不断向深部发展,进入深部开采的金属矿山将逐渐增加,深部开采技术问题也会不断出现。我们结合红透山铜矿深部开采技术的研究工作成果,对与该矿开采条件类似的金属矿山,可能有参考价值。考虑到我国目前对深部开采问题研究得还很不够,本文旨在能引起采矿同行们注意,对几个有关问题进行讨论。

(收稿日期1998204219)

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