譚　偉，蘇先鋒，黃明清

(北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司，　北京　101500)

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某釩鐵礦山礦石高回采率實(shí)施方案研究

譚偉，蘇先鋒，黃明清

(北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司，北京101500)

以甘肅某釩鐵礦山為研究對(duì)象，釩礦處于鐵礦開(kāi)采的上盤(pán)移動(dòng)帶范圍，針對(duì)釩礦暫時(shí)不開(kāi)采，以及采空區(qū)暴露面積大等因素影響，提出了“采鐵保釩”的開(kāi)采方案，東西區(qū)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罡囿w微膠結(jié)充填采礦法，中區(qū)采用空段空?qǐng)鲛D(zhuǎn)崩落法開(kāi)采。通過(guò)理論計(jì)算得到礦柱的安全系數(shù)滿足穩(wěn)定性要求，優(yōu)化開(kāi)采方案后與原方案相比，東、西區(qū)回采率增加了12%；中區(qū)回采率增加了21%，預(yù)計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)24.975億元。

回采率；采礦方法；礦柱穩(wěn)定性；經(jīng)濟(jì)效益

1　工程概況

甘肅某釩鐵礦山擁有釩礦和鐵礦兩種資源，由于市場(chǎng)原因，目前礦山只開(kāi)采鐵礦，釩礦未進(jìn)行開(kāi)采。釩鐵礦均為近東西走向，釩礦體位于鐵礦體北面，走向長(zhǎng)度4200 m，地表露頭明顯。釩礦體處于鐵礦體上盤(pán)，與鐵礦體呈近平行層狀產(chǎn)出，釩礦下盤(pán)至同中段鐵礦上盤(pán)的水平距離相距60～190 m。上盤(pán)釩礦處于下盤(pán)鐵礦開(kāi)采的地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)，因此，下盤(pán)鐵礦開(kāi)采的同時(shí)需考慮釩礦將來(lái)開(kāi)采的可行性。

鐵礦主礦體為連續(xù)穩(wěn)定的層狀礦體，礦體沿走向分布在7#～21#線及其西部分，長(zhǎng)度3200 m，礦體走向近東西向，傾向北，傾角28°～66°。礦體厚度4.6～29.4 m，局部超過(guò)60 m，平均真厚度12.35 m。

鐵礦目前采用分段空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開(kāi)采，中段高為65 m，礦塊沿走向50 m，間柱8 m，頂柱7～8 m。地表平均標(biāo)高為2400 m，2280 m中段以上已開(kāi)采完畢，并且形成了大量連續(xù)的采空區(qū)，空區(qū)體積達(dá)278.91萬(wàn)m3；2215 m中段為主要生產(chǎn)中段。向下繼續(xù)開(kāi)采，采空區(qū)體積將進(jìn)一步加大，為維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定需保留更多的礦柱，嚴(yán)重制約了鐵礦體的可持續(xù)回采，增加了礦石的損失，同時(shí)也無(wú)法為將來(lái)釩礦開(kāi)采提供條件。為此，需研究新的開(kāi)采方案，以提高礦石回采率和維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定。

2　礦體開(kāi)采方案優(yōu)化

針對(duì)釩礦暫時(shí)不開(kāi)采，以及釩、鐵礦體位置關(guān)系，提出采用“采鐵保釩”的開(kāi)采方案。對(duì)鐵礦采取分區(qū)不同的開(kāi)采方法，7#～10E#線(東區(qū))和13#～21#線(西區(qū))礦體相對(duì)較薄，為10～20 m，采用分段空?qǐng)鏊煤蟾囿w微膠結(jié)充填采礦法；10E#～13#線(中區(qū))礦體較厚大，為15～30 m，采用分段空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)崩落法的分步驟開(kāi)采方法。

2.1開(kāi)采方案

東、西區(qū)鐵礦優(yōu)先開(kāi)采，礦房開(kāi)采完后采用膏體微膠結(jié)的方式進(jìn)行嗣后充填[1￣3]，以控制地壓。沿礦體走向每隔200～300 m保留一個(gè)寬20 m的保安礦柱(如圖1所示)，此礦柱作為釩礦的回采通道，待釩礦回采完后，再根據(jù)實(shí)際情況決定是否回收20 m保安礦柱。

中區(qū)以鐵礦開(kāi)采為主，并且鐵礦優(yōu)先開(kāi)采。鐵礦采取分步開(kāi)采的方式，每個(gè)礦塊采取采30 m礦房留30 m礦柱的方式。待30 m礦房開(kāi)采完后，利用30 m礦柱作為通道對(duì)上盤(pán)釩礦進(jìn)行強(qiáng)采強(qiáng)出，以最短的時(shí)間、最高的效率，盡可能采出更多的釩礦。上盤(pán)釩礦回采完后，再對(duì)鐵礦的剩余30 m礦柱進(jìn)行分2步驟回收，第1步先對(duì)礦柱兩側(cè)各削7.5 m，第2步采用崩落法回收剩余15 m礦柱，同時(shí)利用崩落圍巖處理采空區(qū)[4]。

圖1　釩礦回采通道

2.2開(kāi)采順序

采用“采鐵保釩”的開(kāi)采方案，需對(duì)原鐵礦開(kāi)采順序進(jìn)行調(diào)整，東、西區(qū)由原來(lái)的從上往下的順序變?yōu)閺南峦希恢袇^(qū)采用分步驟開(kāi)采，每步驟均是從上往下的開(kāi)采順序。鐵礦體從2215～2020 m中段的開(kāi)采順序如圖2所示，開(kāi)采效果如圖3所示。

圖2各分區(qū)鐵礦開(kāi)采順序

圖3　各分區(qū)鐵礦開(kāi)采效果

3　礦柱穩(wěn)定性分析

針對(duì)不同分區(qū)鐵礦體開(kāi)采方案，采用理論分析的方法分別對(duì)東、西區(qū)和中區(qū)礦柱進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。東、西區(qū)礦塊沿走向?yàn)?0 m，其中礦房42 m，礦柱8 m；中區(qū)礦塊沿走向?yàn)?0 m，其中礦房30 m、礦柱為30 m(分2步驟開(kāi)采)。

規(guī)劃開(kāi)采中段為2020，2085，2150 m三個(gè)中段，中段高65 m。

3.1中區(qū)礦柱穩(wěn)定性

中區(qū)鐵礦體礦柱1步驟開(kāi)采后，留下沿走向長(zhǎng)L=15 m、寬(礦體厚度)b=15～30 m、高H=195 m的礦柱。此礦柱需在中區(qū)3個(gè)中段均回采完后方能回收，因此，此礦柱的穩(wěn)定性決定了采場(chǎng)的安全生產(chǎn)。礦柱穩(wěn)定性主要是由礦柱強(qiáng)度以及礦柱承受的荷載兩個(gè)因素決定的[5]。

3.1.1礦柱強(qiáng)度

礦柱的強(qiáng)度受礦柱的長(zhǎng)寬比影響很大，該區(qū)域礦柱的強(qiáng)度可由式(1)確定。

(1)

式中：σu——礦柱的實(shí)際強(qiáng)度，MPa；

σc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，磁鐵礦巖石抗壓強(qiáng)度為185.39 MPa，采用折減后巖體強(qiáng)度55.6 MPa。

從式(1)可以看出，由于礦柱長(zhǎng)度為15 m保持不變，則礦柱強(qiáng)度隨礦柱寬度的變化而變化，將礦柱強(qiáng)度與礦柱寬度的變化繪制成曲線(如圖4所示)。

圖4　礦柱強(qiáng)度與礦柱寬度關(guān)系曲線

3.1.2礦柱荷載

3.1.2.1礦柱承受荷載面積

礦柱承受載荷的面積要分兩種情況來(lái)討論，一種是礦柱長(zhǎng)軸垂直走向布置，另一種是礦柱長(zhǎng)軸沿走向布置。不同的布置方式，其所承受的載荷面積也不相同。中區(qū)鐵礦體開(kāi)采，礦柱長(zhǎng)軸垂直礦體走向布置，其承受載荷面積如圖5所示。礦柱承受的載荷面積為圖5中虛線所示，其可按式(2)來(lái)計(jì)算。

(2)

式中：S——單根礦柱承受載荷面積，m2；

B——礦房跨度，45 m。

計(jì)算得到礦柱承受荷載面積S為900～1800 m2。

盛慶余平時(shí)還特別注重對(duì)年輕教師的培養(yǎng)，在教學(xué)中，常常指導(dǎo)年輕教師編寫(xiě)講義、制作課件、命制試卷、規(guī)范書(shū)寫(xiě)教案等，很多年輕教師進(jìn)步非常明顯，并在教學(xué)工作中慢慢嶄露頭角。

圖5　礦柱垂直走向布置的承載面積平面圖

3.1.2.2礦柱承受荷載

礦柱的支撐應(yīng)力可按式(3)來(lái)計(jì)算。

(3)

式中：σp——礦柱承受的壓應(yīng)力，MPa；

ρ——上覆巖層的平均密度，2.9×103kg/m3；

h——上覆巖層的厚度，245 m。

計(jì)算得到σp為26.1 MPa。

3.1.3穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)?shù)V柱的截面尺寸增大時(shí)，礦柱的強(qiáng)度也必然增大，但是同時(shí)礦柱承受的荷載也隨之增大。因此，單憑兩者中的一個(gè)難以正確評(píng)價(jià)礦柱的穩(wěn)定性。為了更好的評(píng)價(jià)礦柱的穩(wěn)定性，將礦柱的實(shí)際強(qiáng)度與礦柱承受的垂直應(yīng)力相比，從而得到礦柱的安全系數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式(4)。

(4)

式中：k——礦柱的安全系數(shù)。

礦柱長(zhǎng)度l為15 m保持不變，寬度b分別取15，20，25，30，35，40，45，50 m，求出各安全系數(shù)見(jiàn)表1。

表1　中區(qū)不同礦柱寬度對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

從表1可知，礦柱寬度達(dá)到50 m時(shí)，即礦房跨度達(dá)到50 m時(shí)，礦柱的安全系數(shù)k=1.3。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的要求，當(dāng)安全系數(shù)k>1.1時(shí)，礦柱即可基本滿足穩(wěn)定。由此可知，中區(qū)鐵礦體開(kāi)采，留礦柱長(zhǎng)15 m、寬15～30 m時(shí)，可維持礦柱的穩(wěn)定。

3.2東、西區(qū)礦柱穩(wěn)定性

東區(qū)和西區(qū)采用一樣的開(kāi)采方案，每次開(kāi)采一個(gè)中段，膏體微膠結(jié)充填后再進(jìn)行下一中段的開(kāi)采，因此，計(jì)算礦柱穩(wěn)定性時(shí)只按一個(gè)中段高進(jìn)行計(jì)算。鐵礦開(kāi)采后，均留下自上而下沿礦體走向8 m長(zhǎng)的條形礦柱，礦柱寬為礦體厚度10～20 m，高度為65 m。

礦柱穩(wěn)定性計(jì)算方法參照中區(qū)的計(jì)算方法。礦柱長(zhǎng)度l為8 m保持不變，當(dāng)?shù)V柱寬度b為10～20 m時(shí)，仍滿足l≤b≤0.3H，礦柱強(qiáng)度采用式(1)計(jì)算，安全系數(shù)采用式(4)計(jì)算。

計(jì)算礦柱長(zhǎng)度l為8 m保持不變，寬度b分別取10，12，14，16，18，20 m，求出各安全系數(shù)見(jiàn)表2。

表2　東、西區(qū)不同礦柱寬度對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

從表2可知，當(dāng)?shù)V柱寬度達(dá)到20 m時(shí)，即礦房跨度達(dá)到20 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)最小為1.2，因此，留8 m礦柱可維持穩(wěn)定。

4　回采效益

鐵礦新開(kāi)采方案與原方案相比，東、西區(qū)各中段間將不保留水平礦柱，中區(qū)水平礦柱和間柱則是全部進(jìn)行回收，從而極大的增加了礦石回采率。其中東、西區(qū)回采率由原來(lái)的70%增加到82%，增加了12%；中區(qū)回采率由原來(lái)的70%增加到91%，增加了21%。

從7#～21#線2020～2150 m三個(gè)中段整體來(lái)看，東、西區(qū)增加回采鐵礦石量為323萬(wàn)t，中區(qū)增加回采鐵礦石量為232萬(wàn)t，共計(jì)增加回采鐵礦石量為555萬(wàn)t。按450元/t計(jì)算，回采鐵礦石的經(jīng)濟(jì)效益可增加24.975億元。

5　結(jié)　論

(1) 根據(jù)甘肅某釩鐵礦山釩礦和鐵礦的開(kāi)采現(xiàn)狀，釩礦暫時(shí)未開(kāi)采并處于下盤(pán)鐵礦開(kāi)采的地表移動(dòng)帶范圍內(nèi)，鐵礦體2280 m以上中段已形成采空區(qū)體積達(dá)278.91萬(wàn)m3，提出了“采鐵保釩”的開(kāi)采方案。鐵礦采用分區(qū)不同開(kāi)采方案，東、西區(qū)采用分段空?qǐng)鏊煤蟾囿w微膠結(jié)充填采礦法，并且沿走向每隔200～300 m保留20 m礦柱作為釩礦回采通道；中區(qū)采取分段空?qǐng)龇ㄞD(zhuǎn)崩落法的分步開(kāi)采方式，每個(gè)礦塊采取采30 m礦房留30 m礦柱的方式，30 m礦柱作為釩礦回采通道。

(2) 通過(guò)對(duì)各分區(qū)不同開(kāi)采方案礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析得到，中區(qū)礦柱寬度達(dá)到50 m時(shí)，即礦房跨度達(dá)到50 m時(shí)，礦柱的安全系數(shù)為1.3；東、西區(qū)礦柱寬度達(dá)到20 m時(shí)，即礦房跨度達(dá)到20 m時(shí)，礦柱安全系數(shù)最小為1.2。根據(jù)礦體厚度為4.6～29.4 m可知，礦柱可達(dá)到穩(wěn)定性要求。

(3) 鐵礦優(yōu)化后開(kāi)采方案與原方案相比，東、西區(qū)回采率增加了12%；中區(qū)回采率增加了21%，預(yù)計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)24.975億元。

[1]汪海萍，宋衛(wèi)東，張興才，等.大冶鐵礦分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法工程實(shí)踐[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2015，35(5)：26￣29.

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2016￣06￣03)

譚偉(1986-)，男，江西贛州人，碩士，主要從事巖石力學(xué)測(cè)試與工程穩(wěn)定性分析方面的研究，Email:tanweitw86@sina.com。