鳳凰山銀礦急傾斜薄礦體安全高效開采技術(shù)研究

李朝軍

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鳳凰山銀礦急傾斜薄礦體安全高效開采技術(shù)研究

李朝軍

(廣西桂物爆破工程有限公司，廣西 南寧 530200)

廣西大部分金屬礦山采用淺孔留礦法回采，已無法滿足礦山生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)低、安全可靠的可持續(xù)發(fā)展要求，迫切需要對淺孔留礦法進(jìn)行技術(shù)改造，以提高礦山機(jī)械化裝備水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率。根據(jù)鳳凰山銀礦急傾斜薄礦體的儲存條件和礦山生產(chǎn)實(shí)際，提出適合急傾斜薄礦體的安全、高效率、低成本的開采技術(shù)—分段空場嗣后充填采礦法，結(jié)合3Dmine、ANSYS建立FLAC3D數(shù)值模型，采用FLAC3D對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并開展了工業(yè)試驗(yàn)，取得采場生產(chǎn)能力180 t/d、損失率7.40%、貧化率14.96%的預(yù)期效果。

急傾斜薄礦體；分段空場嗣后充填采礦法；結(jié)構(gòu)參數(shù)；數(shù)值模擬；工業(yè)試驗(yàn)

1 采礦方法改造方案

分段空場嗣后充填采礦法沿走向布置礦塊，礦塊長為50 m，寬為礦體厚度，高為50 m，一般劃分為2～3個(gè)分段，高度為14～20 m。采準(zhǔn)工程在階段運(yùn)輸巷道完成后，向礦體掘進(jìn)裝礦進(jìn)路、天井聯(lián)絡(luò)道、天井；在礦體底部布置拉底巷道，沿礦體走向布置分段鑿巖平巷，切割天井布置在礦塊中央，出礦采用鏟運(yùn)機(jī)，二次破碎在出礦進(jìn)路。礦房回采后，根據(jù)情況回收礦柱，并采用廢石充填采空區(qū)。典型方案如圖1所示。

2 回采順序及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 圍巖和礦體的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山實(shí)測和地質(zhì)資料得到的圍巖和礦體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 幾何模型尺寸

為完全模擬開采過程，以礦山提供的地質(zhì)地形圖、各階段實(shí)測平面圖經(jīng)3DMine、ANSYS處理后得到如圖2所示的FLAC3D模擬分析模型。采場內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型單元為226200個(gè)，節(jié)點(diǎn)為924001個(gè)。

試驗(yàn)采場選取在180 m中段，本計(jì)算模型邊界應(yīng)力取值[1-3]：

式中，為水平方向的邊界應(yīng)力，為自重應(yīng)力，為側(cè)壓系數(shù)，為容重，H為深度。

采場內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算模型范圍=500 m(垂直礦體走向方向)，=0 m水平到地面高度(FLAC3D)，= 1260 m(沿礦體走向方向)(FLAC3D)。

2.3 模擬結(jié)果及分析

礦體開采后形成的空間破壞了原來平衡狀態(tài)導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，在二次平衡過程中原巖對采場或采空區(qū)圍巖及礦柱施加的載荷引起了采場上盤、間柱變形、移動(dòng)或破壞。嚴(yán)重的地壓顯現(xiàn)不僅會(huì)惡化采礦活動(dòng)的條件，影響生產(chǎn)，甚至還會(huì)危及安全[4-10]。

為研究鳳凰山銀礦地下開采過程中采場地壓的分布及其顯現(xiàn)規(guī)律而開展本次模擬，模型方案與模擬步驟見表2。一方面以礦山具體開采條件為依據(jù)，探索出一些措施控制采場上盤巖層穩(wěn)定、礦柱穩(wěn)定，避免大規(guī)模劇烈地壓顯現(xiàn)，將采場地壓對安生生產(chǎn)的影響控制在容許范圍內(nèi)；另一方面根據(jù)采場地壓的分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律，研究出一種高效、低成本、損失和貧化小、經(jīng)濟(jì)效益好的開采方案[11-14]。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

圖2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化FLAC3D模擬分析模型

表2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模擬方案與模擬步驟

(1) 間柱應(yīng)力分析。各個(gè)方案回采完成之后間柱最大主應(yīng)力值如表3所示。

從表3可知，隨著間柱寬度的減小，間柱中的最大應(yīng)力值隨之增加。但在間柱參數(shù)相同，改變頂柱參數(shù)時(shí)應(yīng)力變化較小，說明頂柱參數(shù)對間柱應(yīng)力影響較??；10 m與8 m間柱的最大主應(yīng)力值較為接近，6 m間柱最大主應(yīng)力極值最高達(dá)22.21 MPa，比10 m與8 m間柱中的最大主應(yīng)力極值大17%~27%。故從最大主應(yīng)力值應(yīng)力考慮，應(yīng)在10 m與8 m之間選取一最佳間柱參數(shù)。

(2) 間柱塑性區(qū)分析?？估茐氖情g柱和頂柱出現(xiàn)塑性破壞的主要形式，而拉伸破壞和剪切破壞是礦柱兩壁出現(xiàn)塑性破壞的兩種主要形式；隨間柱參數(shù)減小，間柱塑性破壞區(qū)域有不斷增大甚至出現(xiàn)完全破壞的趨勢，判斷礦柱完全失穩(wěn)不能只看塑性區(qū)分布狀況，殘余應(yīng)力也有可能來自存在塑性區(qū)的礦柱，此時(shí)存在塑性區(qū)的礦柱并沒有完全失去承載作用。為增加礦柱的側(cè)壓、改善間柱受力狀態(tài)，可以采用廢石充填從而增加礦柱承載能力。

表4可以看出，塑性區(qū)體積值較為接近的間柱參數(shù)值為10 m和8 m，而塑性破壞區(qū)偏高的間柱參數(shù)值為6 m，為保證采場與礦區(qū)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)在10 m與8 m間柱之間選取合適的參數(shù)。

(3) 頂柱應(yīng)力分析。從表5可知，間柱的寬度對頂柱應(yīng)力影響很大，隨著間柱寬度的減小頂柱上最大主應(yīng)力激增，10 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱最大主應(yīng)力值為11.91 MPa，而6 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱最大主應(yīng)力值為13.15 MPa，后者比前者高10.4%；而間柱寬度相同時(shí)，頂柱寬度的減小也使頂柱的最大主應(yīng)力增大，但增幅相對較小。這說明在采場中上盤巖層轉(zhuǎn)移的大部分壓力由間柱承受，而頂柱承受的壓力較小；頂柱承受的壓力與間柱參數(shù)的關(guān)系較大，在選取頂柱的過程中應(yīng)充分考間柱參數(shù)。

頂柱拉應(yīng)力主要分布在頂柱的中間部位，從表6可知，相同頂柱條件下，隨著間柱寬度的減少頂柱拉應(yīng)力激增，如10 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱拉應(yīng)力值為0.021 MPa，而8 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱拉應(yīng)力值增大到0.203 MPa，而6 m間柱6 m頂柱方案中，頂柱拉應(yīng)力值高達(dá)0.346 MPa，8 m方案的拉應(yīng)力為10 m方案的10倍，6 m方案的拉應(yīng)力為10 m方案的15倍。頂柱應(yīng)力分布大小受到間柱大小的影響，隨著間柱參數(shù)減小頂柱拉應(yīng)力會(huì)有大幅升高，由此可知，在采場上盤巖層轉(zhuǎn)移的大部分應(yīng)力都由間柱承受，而頂柱只承受了小部分的應(yīng)力，在選取頂柱參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮到間柱參數(shù)的影響。根據(jù)分析結(jié)果，選取8 m間柱6 m頂柱為試驗(yàn)采場的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表3 各個(gè)方案回采完成之后間柱最大主應(yīng)力值/MPa

表4 回采完成之后的塑性區(qū)/102 m3

表5 頂柱最大主應(yīng)力值/MPa

表6 頂柱拉應(yīng)力值/MPa

3 采場工業(yè)試驗(yàn)

3.1 采場概況

0-1試驗(yàn)采場位于180中段西部0線與1線之間。礦體儲存于F1斷裂破碎帶靠下斷面內(nèi)側(cè)，單體大脈狀，走向332°，傾向南南西，傾角75°，塊段面積1816.77 m2。礦體平均真厚度3.82 m，平均水平厚度4.88 m，平均銀品位672 g/t。礦石主要呈灰黑色，碎裂結(jié)構(gòu)，角礫狀、脈狀穿插構(gòu)造。礦層及其頂?shù)装鍘r體質(zhì)量一般，穩(wěn)固中等，巖石強(qiáng)度較弱，穩(wěn)定性中等。局部地段節(jié)理、次級斷層發(fā)育，局部沿結(jié)構(gòu)面充填大量泥質(zhì)，在開采過程中易發(fā)生崩塌、片幫現(xiàn)象，應(yīng)予以注意，采場水文地質(zhì)條件簡單。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程歷時(shí)4個(gè)月，完成采切工程量386 m，采出礦石21683 t。整個(gè)試驗(yàn)各項(xiàng)工作都能順利開展，新采礦工藝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 試驗(yàn)采場主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)

(1) 通過工業(yè)試驗(yàn)，提升了生產(chǎn)能力，增大了安全可靠性，降低了采礦成本，礦石損失貧化低等。

(2) 整個(gè)回采過程中采場無大規(guī)模地壓突變現(xiàn)象發(fā)生，但需要注意的是對礦體頂板不穩(wěn)固區(qū)域進(jìn)行 錨固。

(3) 試驗(yàn)過程歷時(shí)4個(gè)月，完成采切工程量386 m，采出礦石21683 t，回采平均生產(chǎn)能力為180 t/d，礦石損失率為7.40%，貧化率為14.96%，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期要求。

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(2018?10?20)

李朝軍(1990—)，男，廣西百色人，研究生，主要從事礦山采礦、爆破、安全等工作，Email: 632726012@qq. com。