乔夏梁¹, 任凤玉¹, 曹建立¹, 师宏伟²
1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 首钢矿业公司 杏山铁矿, 河北 迁安 064400
收稿日期：2021-05-06
基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0801600)；国家自然科学基金重点资助项目(51534003)。
作者简介：乔夏梁(1991-)，男，辽宁沈阳人，东北大学博士研究生;
任凤玉(1956-)，男，内蒙古赤峰人，东北大学教授，博士生导师。

摘要：杏山铁矿小杏山采区为层状倾斜厚矿体, 原用垂直走向布置进路的无底柱分段崩落法开采, 存在矿石损失贫化大、上盘侧回采进路地压显现严重、巷道支护工程量大等生产问题.研究提出斜分条分段崩落采矿法, 即沿矿体延深方向, 从上盘到下盘按斜线分条开采, 每一分条在矿体里布置诱导冒落进路, 在崩落本分段矿石的同时, 诱导近上盘矿体自然冒落, 冒落的矿石由设置在下盘围岩里的回收进路回采.该法较好地顺应了倾斜矿体崩落矿石的移动规律, 降低了采切工程总成本.试验采场自2019年5月开始回采, 现已回采两个分段, 矿石回采率由74 % 提高到85.6 %, 贫化率由18 % 降低到15 %, 取得了良好的技术经济指标.
关键词：倾斜厚矿体斜分条分段崩落法矿石回采指标诱导冒落采场结构
Experimental Study of the Inclined Slices Sublevel Caving Method in Xingshan Iron Mine
QIAO Xia-liang¹, REN Feng-yu¹, CAO Jian-li¹, SHI Hong-wei²
1. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Shougang Mining Corporation Xingshan Iron Mine, Qian'an 064400, China
Corresponding author: QIAO Xia-liang, E-mail: 1610338@stu.neu.edu.cn.

Abstract: The orebody in Xiaoxingshan mining area of Xingshan iron mine is layered inclined thick.Originally, the sublevel caving method without sill pillar was used for mining with drift perpendicular to strike, resulting in high ore loss and dilution, serious underground pressure behavior at hanging wall side of drift, large amount of roadway support engineering, and so on.Therefore, the inclined slices sublevel caving method is proposed. Along the deepening direction, orebody is mined according to the inclined line from the hanging wall to the footwall.An induced caving drift was arranged in each orebody slices.Current sublevel ore is caved, meanwhile the orebody near the hanging wall is also induced to cave naturally, and the caved ore is mined by the recovery drift set in the footwall surrounding rock. This method conforms to the movement law of ore caving in the inclined orebody, reduces the total cost of development and cut engineering.The experimental stope has been mined since May 2019, and now two sublevels has been mined, the ore recovery rate increased from 74 % to 85.6 %, and the dilution rate has been reduced from 18 % to 15 %. New method has achieved good technical and economic indexes.
Key words: inclined thick orebodyinclined slices sublevel caving methodore mining indexesinduced cavingstope structure
无底柱分段崩落法因其安全性好、回采工艺简单、机械化程度高、生产强度大、开采成本低等优点, 在金属矿山被广泛使用^[1].瑞典基鲁纳铁矿和玛姆贝尔格特铁矿、加拿大克莱蒙铜矿、澳大利亚芒特-艾萨铜矿等都是世界上应用无底柱分段崩落法开采的典型矿山^[2-4].我国引入无底柱分段崩落法以后, 增大结构参数成为矿山的主要发展方向, 分段高度已从最初的10~13 m发展到目前的20~30 m^[5].由于无底柱分段崩落法在覆岩下放矿, 矿石损失贫化率大是其存在的突出问题之一, 我国许多应用无底柱分段崩落法开采倾斜矿体的矿山回采率不足75 %, 贫化率高达25 % ~35 %, 技术经济指标差^[6].针对损失贫化率大的问题, 国内外研究者从爆破参数^[7-14]、采场结构^[15-21]、放矿方案^[22-30]等方面进行了许多研究.另外, 为了解决不稳岩体采准工程地压破坏问题, 人们也研究了各类围岩的支护技术^[31].在这些研究成果的基础上, 进一步研究倾斜矿体在大结构参数条件下适应散体移动规律的采场结构, 是降低矿石损失贫化的有效途径.
本文针对杏山铁矿小杏山采区倾斜厚矿体回采率低、贫化率大的问题, 研究无底柱分段崩落法沿脉布置进路的采场结构, 提出斜分条分段崩落采矿法.工业试验表明, 该法有效提高了矿石回采率, 降低了贫化率, 并可利用诱导冒落技术开采上盘侧矿体, 大幅度节省采准工程量与降低生产成本.
1 工程背景杏山铁矿为鞍山式沉积变质矿床, 其中小杏山采区的矿体走向长450 m, 倾角44°~65°, 水平厚度50~80 m; 夹石水平厚度18~26 m, 需要在开采中剔除.矿岩稳定性变化大, 从不稳定到极稳定(表 1).应用无底柱分段崩落法开采, 垂直矿体走向布置回采进路, 现用分段高度18.75 m, 进路间距20 m, 分段采准工程布置形式见图 1.
表 1(Table 1)

表 1 小杏山矿岩稳定性分级Table 1 Ore-rock stability classification of Xiaoxingshan 位置 矿岩种类 岩石基本质量 稳定性级别 稳定性特点 上盘围岩 石榴黑云斜长片麻岩 321~450 Ⅳ~Ⅲ 不稳~中稳 矿体 磁铁矿、黄铁矿 277~633 Ⅳ~Ⅰ 不稳~极稳 下盘围岩 混合花岗岩、黑云角闪斜长片麻岩 238~560 Ⅴ~Ⅰ 极不稳~极稳

表 1 小杏山矿岩稳定性分级 Table 1 Ore-rock stability classification of Xiaoxingshan

图 1(Fig. 1)

图 1 小杏山采区相对位置与采准工程布置平面图Fig.1 Plan of Xiaoxingshan relative position and development layout

杏山铁矿是国内应用无底柱分段崩落法开采技术先进的矿山之一, 但小杏山采区的回采指标一直较差, 据-143 m分段统计, 回采率和贫化率分别为74 % 和18 %, 严重影响矿山总体回采指标.究其原因, 主要是小杏山矿体的厚度与倾角较小, 垂直走向布置进路导致下盘开掘岩石量较大, 同时进路之间的脊部残留体不能得到充分回收, 造成近下盘矿石损失贫化过大.
2 采场结构的适应性分析2.1 散体流动参数测定将矿石散体破碎成不大于0.8 cm的块度, 进行矿石散体流动参数测定实验.采用达孔量法, 测得不同方位的放出体剖面形态如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 不同方位放出体形态Fig.2 Shape of isolated extraction zones in different angles (a)—0°方位; (b)—45°方位; (c)—90°方位.

对图 2放出体实验曲线, 按放出体方程^[32]

(1)

进行回归拟合, 得出端部放矿的散体流动参数值: α=1.596 0, β=0.125 1, α₁=1.550 3, β₁=0.120 7, K=0.105 1.其中α，β为沿进路方向散体流动参数; α₁，β₁为垂直进路方向散体流动参数; K为壁面影响系数; x为以出矿口底部中心为原点，垂直进路方向的坐标值；y为沿进路方向的坐标值；z为高度的坐标值；z_H为放出体铅直高度.
2.2 采场结构对散体移动规律的适应性分析对于垂直走向布置进路的无底柱分段崩落法, 上盘影响脊部残留体的形状, 下盘影响脊部残留体的回收(图 3).
图 3(Fig. 3)

图 3 垂直走向布置进路上下盘影响范围Fig.3 Hanging wall and footwall influence range when drift perpendicular to strike

根据几何关系, 上、下盘影响范围为

(2)

式中: H为分段高度; θ为矿体倾角, 对于小杏山采区, θ=44°~65°, 平均52.5°, L=28.77 m, 矿体水平厚度50~80 m, 平均65 m, 上、下盘影响区所占比例: 28.77/65=44.27 %.可见正常回采范围占55.73 %, 仅为影响区的1.26倍, 因此采场结构对上、下盘影响区的适应性在很大程度上决定了矿石回采指标与生产效率.
小杏山采区的矿体厚度与倾角均相对较小, 常规大结构参数开采的进路之间存在较大的脊部残留体, 在下盘影响区得不到充分回收, 造成下盘损失矿量所占比例过大.按测定的散体流动参数计算残留体, 在矿体厚度65 m、分段高度18.75 m、开掘岩石高度8 m(从进路顶板算起)条件下, 采用截止品位放矿, 在进路轴线剖面上, 下盘残留面积约占矿体总面积的8.31 %, 在上下分段进路轴线投影线的中间剖面上, 下盘残留面积约占矿体总面积的26.84 % (图 4).根据残留体空间形态估算, 图 4下盘残留量约占19.43 %.加上落矿损失与端部残留等, 垂直走向布置进路的矿石损失率一般不小于25 %.而且在图 1所示的垂直走向布置进路的采场结构中, 按巷道长度统计得出, 不足60 % 的回采进路用于崩落与放出矿石, 超过40 % 的回采进路仅为“通道”功能, 从而导致采准系数大, 由此降低了生产效率.
图 4(Fig. 4)

图 4 垂直走向布置进路的下盘主体残留剖面形态Fig.4 Sectional shape of footwall main residual body while drift perpendicular to strike (a)—上下分段进路轴线投影线的中间剖面图；(b)—进路轴线剖面图.

3 斜分条分段崩落法构建根据矿石散体流动参数与散体重力流轴形状, 结合小杏山采区矿体赋存条件和低贫损高效开采要求, 研究提出斜分条分段崩落法(图 5).该方法的要点: 一是为适应上盘边壁的导流特性, 采用倾斜分条的采场结构, 将矿体从上盘到下盘按斜线划分采场, 斜分条的轴线大体上与斜壁放矿的散体流动轴线相符, 由此延长覆盖层废石到达出矿口的时间, 提高崩落矿石的流动性, 保障下盘侧矿石的充分回收; 二是利用上盘侧矿体受采动应力集中作用造成可冒性较好的条件, 应用诱导冒落技术开采上盘侧矿体, 由此大量节省采准工程量, 并使上分段进路回采为下盘回采进路卸压, 增大下盘回采进路的稳定性; 三是采场之间协同开采, 回采工作面按分段下降, 先回采上盘侧诱导冒落进路, 滞后15~20 m回采下盘侧回收进路, 保持各分段自上而下逐一回采的无底柱分段崩落法开采工艺.
图 5(Fig. 5)

图 5 斜分条分段崩落法采场结构示意图Fig.5 Schematic diagram of inclined slices sublevel caving method stope structure

图 5中, 划分采场的斜线的倾角是一个重要参数, 过大或过小都会使分条的轴线偏离散体流动轴线.根据散体流动特性与斜壁放矿漏斗实验, 确定小杏山采区斜分条的倾角为72°.
新方案与原无底柱分段崩落法相比, 一是将回采进路由原来的垂直走向布置改为沿走向布置, 二是分段之间进路的布置形式由原来的菱形布置改为几乎重叠布置, 三是利用靠近上盘的回采进路的回采空间与相邻采场回采爆破的协同作用, 诱导上盘侧矿石自然冒落, 冒落的矿石从下分段回采进路回收.
在矿体厚度65 m、分段高度18.75 m条件下, 采用截止品位放矿, 按测定的散体流动参数计算的新方案的下盘残留体形态见图 6, 下盘残留面积比例为11.17 %, 比图 4所示的垂直走向布置进路的19.43 % 降低了8.26 %.
图 6(Fig. 6)

图 6 新方案下盘残留体剖面形态Fig.6 Sectional shape of new scheme footwall residual body

4 斜分条分段崩落法试验研究4.1 采准工程布置形式从-236 m分段开始, 在小杏山采区东翼矿体试验斜分条分段崩落法.因东翼夹层将矿体分隔成上、下盘两层, 试验采区每一分段布置3条进路: 上层矿体布置2条沿脉进路, 下盘侧小矿体布置1条沿脉进路, 分段采准工程的布置形式如图 7所示.回采进路从下盘侧到上盘侧依次编号为1#~3#进路, 其中3#进路为诱导工程, 回采时强制崩落本分段矿量, 形成连续采空区, 诱导上部三角柱矿量自然冒落; 2#进路为高强度回采进路, 不仅采出本分段崩落矿石, 而且要回收上分段诱导冒落的矿石; 1#进路回采下盘小矿体.与图 1所示的垂直走向布置进路形式相比, 图 7沿脉布置进路的采准工程量降低了22.6 %, 大幅度提高了单位采准工程的采出矿石量.
图 7(Fig. 7)

图 7 采准工程平面图Fig.7 Plan of development engineering (a)—-236 m分段; (b)—-255 m分段.

图 7中1#进路的围岩稳定性较差, 特别是2#联巷以东的端部矿体节理裂隙发育, 属于破碎矿体, 采准工程容易塌冒.为提高采准工程的稳定性, 采取如下三项措施: ①减小巷道断面尺寸, 出矿时进路不允许进人, 只按斗容4 m³铲运机安全运行要求采用宽4.0 m、高4.0 m的半圆拱小断面; ②卸压开掘, 等到上方回采卸压后, 再开掘该沿脉进路; ③采用喷锚网联合支护形式, 及时支护确保巷道稳定性.
卸压开采的具体方法是, 保持在其上第二个分段回采后再进行本分段的采准, 即在-236 m分段矿体里沿脉进路回采之后, 再施工-274 m分段的下盘1#进路.对于高应力破碎围岩的回采进路, 采用卸压措施晚掘快采, 容易保证回采的可靠性.如果在施工安排上不便于卸压回采, 则需要采用喷锚网加锚索的增强支护措施.
4.2 切割工作切割巷尺寸为宽×高=4.1 m×3.85 m, 在切割巷内矿体上盘回采边界处向上打垂直切割井, 断面尺寸为3 m×3 m.切割井的高度以高出本分段崩矿高度0.5 m左右为宜.-236 m分段的切割井顶部为回采边界, 切割井位于脊部残留体部位, 适宜的崩矿高度为23.6 m; 到-255 m分段, 切割井顶部为实体边界, 适宜的崩矿高度为23.9 m.为便于施工组织, 切割井的高度统一取为高出切割巷道顶板24 m.对于西翼独立小矿体, 切割井的高度均为高出切割巷道顶板16 m.
4.3 回采方案-236 m分段为过渡分段, 为改善回采指标, 该分段的2#进路与1#进路, 按截止品位控制出矿, 而3#进路松动出矿, 只放出崩落矿量的30 %, 留于采场的矿石由-255 m分段2#进路放出(图 8), 以此迟滞覆盖层废石沿上盘边壁的快速移动, 为下分段下盘进路形成良好的斜分条放矿条件.
图 8(Fig. 8)

图 8 试验采场回采方案示意图Fig.8 Schematic diagram of experimental stope mining scheme

在-255 m分段, 需要先回采3#进路, 再同步回采2#进路与1#进路.3#进路超前2#进路的回采距离, 保持15~20 m为宜.此时, 3#进路回采时留下的顶部三角矿, 在2#进路回采时, 由于受到上、下两个分段爆破的共同作用, 快速失稳冒落, 堆积于采场内残留体之上, 形成冒落矿石层.同时, 2#进路与3#进路交界部位的矿量, 也将有少许崩落至3#进路的空区, 增大3#进路的矿石层高度, 改善下分段2#进路的放矿条件(图 8).
4.4 试验结果-236 m分段从2019年5月开始回采, 三条进路从切割巷向进路联巷同时退采, 其中1#进路与2#进路放矿到截止品位, 3#进路放出崩矿量的30 % 左右.该分段于2020年4月底回采结束, 共采出矿石89.79万t, 采出矿石平均品位27.36 %, 矿石回采率75.13 %, 贫化率14.5 %.
-255 m分段从2020年7月开始回采, 截至2020年12月底, 回采范围见图 9, 共采出矿石68.03万t, 采出矿石品位27.13 %, 矿石回采率85.6 %, 贫化率15 %.
图 9(Fig. 9)

图 9 截止2020年12月底-255 m分段回采范围Fig.9 Mining range of -255 m sublevel until December of 2020

在-236 m与-255 m两个分段, 矿体水平厚度48~70 m, 矿体倾角49°~52°.由于-236 m分段为过渡分段, -255 m分段的回采指标具有代表性.可见在矿体水平厚度48~70 m, 矿体倾角49°~52°条件下, 采用18.75 m的分段高度, 斜分条分段崩落法的矿石回采率可达85.6 %, 贫化率可控制到15 %, 与垂直走向布置回采进路的采场结构相比, 矿石回采率提高11.27 %, 矿石贫化率降低2.73 %.
5 结论1) 对于倾斜厚矿体, 应用无底柱分段崩落法开采时, 回采进路的布置方向对矿石损失贫化影响重大, 根据散体重力流特性构建斜分条采场结构, 是降低矿石损失贫化的有效方法.
2) 工业试验得出, 本文提出的斜分条分段崩落法可高度适应小杏山采区的倾斜矿体条件, 减少了采准工程量, 矿石回采率由原来的74 % 提高到85.6 %, 贫化率由原来的18 % 下降到15 %, 大幅度改善了回采指标.
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