任鳳玉,賈海波,何榮興,丁航行

(東北大學 資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110004)

0 引 言

我國石膏礦多采用房柱法回采,許多石膏礦由于暴露空氣中的石膏礦柱強度逐漸弱化或大面積開采上覆巖體變形引起采動應力高度集中等因素,空區(qū)冒落災害事故接連發(fā)生。

誘導冒落法是將頂板巖體冒落規(guī)律與無底柱分段崩落法有機結合而構建的采礦方法,利用礦巖本身所固有的節(jié)理裂隙分布特征和低強度特性,利用下分段的回采或布置誘導工程來擴展空區(qū)面積,促使巖體按要求逐漸破壞、失穩(wěn),達到最終落礦的目的。將誘導冒落法用于開采石膏礦床,消除了礦柱影響,有利于避免采空區(qū)冒落災害,但由于礦體頂板中多賦存泥巖廢石,流動性強于礦石散體,影響出礦礦石品位。由此導致誘導冒落法開采的礦石損失率與貧化率過大。本文結合山東蘭陵石膏礦賦存特點,利用回歸正交方法,通過物理模擬實驗優(yōu)化采場底部結構,控制礦石貧化損失,提高礦山效益。

1 石膏礦誘導冒落工藝特點

山東蘭陵石膏礦床礦層厚大(10．69~24．90 m)、傾角較緩(總體3°~9°)、品質優(yōu)良、儲量豐富。多年來,礦山一直采用房柱法開采,礦柱所占比例大,造成礦石損失大,同時石膏礦柱經風化后易失穩(wěn),引起空區(qū)頂板大規(guī)模冒落。

為避免采空區(qū)冒落危害,對礦層厚度較大的礦體,研究提出采用平底塹溝誘導冒落采礦法。如圖1所示,通過塹溝落礦拉開誘導空間,誘導上部礦體自然冒落,崩落礦石和誘導冒落的礦石隨塹溝崩礦時回收一部分,其余主要從出礦橫穿回收。塹溝出礦結束后,自然冒落的頂板圍巖能夠形成足夠厚度的覆蓋層,再回收塹溝之間脊部殘留礦量。

圖1 平底塹溝聯合誘導冒落法

蘭陵石膏礦的礦層頂板中含多層泥質軟巖,極易冒落成碎粉,鉆入礦石堆中。冒落廢石的塊度小于礦石的塊度,粒徑較小的廢石在大放礦過程中超前運動,將引起較大貧化率。因此,應用誘導冒落法開采時,需要重點控制礦石貧化率,提高回收率。

2 低貧損結構參數確定

為了控制放礦過程中的礦石貧化,提高回收率,結合礦體賦存條件,采用放礦模擬實驗,模擬采場實際的放礦過程,尋求最優(yōu)采場底部結構。

2．1 實驗目的

實驗采用回歸正交方法分析采場底部結構參數對礦石回收率的影響。結構參數主要包括礦石散體厚度、塹溝巷道間距和出礦巷道間距,設計三因素兩水平正交實驗,在放出礦石品位達到80%~85%時截止,利用出礦巷道放出礦石量的多少計算礦石回收率。

2．2 實驗設備和材料

根據采場結構,按照1∶100的相似比,用有機透明玻璃和方木制作放礦物理模型。采用礦山7號井田石膏礦石和泥巖廢石,礦石散體篩選塊度不大于8 mm的顆粒。上部泥巖廢石噴涂白色涂料形成顏色對比,試驗模型見圖2。

2．3 回歸正交設計及計算

礦體厚為10．69~24．90 m,選取礦石散體厚度為15,30 m。根據前面分析,塹溝間距值應在10~18 m之間,塹溝間距為10,18 m。根據經驗,出礦橫穿間距選擇8,12 m。用X1代表礦石散體厚度,X2代表塹溝巷道間距,X3代表出礦橫穿間距,對各因素進行編碼見表1。

根據因素數量,選用正交表L8(27),編碼轉換,將Z1、Z2、Z3分別安排在第1,2,4列,考慮礦體厚度與塹溝間距交互項、塹溝間距與出礦穿間距交互項。安排3組零水平實驗,總實驗次數為11。實驗方案及結果計算見表2。

圖2 實驗模型

表1 因素水平編碼

表2 回歸正交設計計算

續(xù)表2

由表2可知,回歸系數b0＝0．311,b1＝0．085,b2＝ -0．026,b12＝0．037,b3＝ -0．021,b23＝0．00375,對回歸方程進行顯著性檢驗,方差分析結果見表3。

表3 方程分析

去掉不顯著項,回歸方程為:

系數的絕對值大小可判斷因素作用的大小,因素作用大小排序為Z1＞Z1Z2＞Z2＞Z3。即影響大小排序為礦石散體厚度＞塹溝巷道間距＞出礦穿巷道間距。

整理得:

由式(3)可以看出,各因素在考慮范圍內,礦床回收率隨礦石散體厚度的增大而增大,隨出礦穿間距增大而減小。當礦石厚度大于20 m時,礦床回收率隨塹溝間距增大而增大,當礦石厚度小于20 m時,礦床回收率隨塹溝間距增大而減小。

綜上,蘭陵石膏礦層宜采用單中段回采。當礦石厚度大于20 m時,塹溝間距在10~18 m之間取18 m;當礦石厚度小于20 m時,塹溝間距取10 m。出礦穿間距在8~12 m之間取8 m。

3 結 論

厚層石膏礦中引入誘導冒落采礦法,消除了房柱法中礦柱的影響,有利于避免采空區(qū)冒落災害。本文利用回歸正交方法,通過物理模擬實驗優(yōu)化采場底部結構參數,控制放礦過程中礦石貧化損失,利于誘導冒落法在厚層礦體中的推廣。

采用物理模擬實驗研究采場底部結構,能夠比較直觀地分析礦石散體厚度、塹溝巷道間距和出礦橫穿間距對礦石回收率的影響,根據正交實驗回歸得到的回收率方程,各因素對回收率大小影響的主次順序為礦石散體厚度＞塹溝巷道間距＞出礦穿巷道間距。

對蘭陵石膏礦床,礦床回收率隨礦石散體厚度的增大而增大,隨出礦穿間距增大而減小。礦床宜采用單中段回采。礦石厚度大于20 m時,回收率隨塹溝間距增大而增大,塹溝間距宜取18 m;礦石厚度小于20 m時,回收率隨塹溝間距增大而減小,塹溝間距宜取10 m。出礦穿間距宜取8 m。