奴拉賽銅礦充填采礦法工藝研究論文
1研究的目的和意義
當(dāng)前，我國的資源開發(fā)建設(shè)面臨著發(fā)展和保護(hù)的兩大難題，如何通過節(jié)約資源和減少對環(huán)境負(fù)面影響，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，是我國經(jīng)濟(jì)面臨的緊迫而艱巨的任務(wù)。我國提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的奮斗目標(biāo)，堅(jiān)持節(jié)約型資源和保護(hù)環(huán)境已是我們的基本國策。在我國環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益加強(qiáng)、對環(huán)境治理日益嚴(yán)格的生產(chǎn)環(huán)境下，使得傳統(tǒng)粗放型的礦業(yè)開發(fā)與我國資源日益短缺的矛盾更加突出。而大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加大對“三廢”的綜合利用，提高資源利用率，是解決礦山資源與環(huán)境對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必有道理。在奴拉賽銅礦地下開采過程中，一方面隨著開采空區(qū)的增加和開采深度的加大，礦石及圍巖節(jié)理、破碎加劇，上下盤圍巖呈現(xiàn)極不穩(wěn)固狀態(tài)，對礦體開采造成很大困難和開采安全隱患;另一方面，經(jīng)過多年生產(chǎn)，目前礦山選廠尾礦庫庫容已接近庫滿，受地形限制和環(huán)保要求，該尾礦庫已列為“頭頂庫”，成為要求必須進(jìn)行治理的對象，而另外就地新建或擴(kuò)建尾礦庫已不可能。因此，如何處理選礦尾砂排放，就成為礦山又一當(dāng)務(wù)之急的重要問題。通過分析該礦山采、選生產(chǎn)中存在的兩難問題，提出對奴拉賽銅礦充填采礦工藝進(jìn)行研究，探討和分析充填生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，提出對策，并就充填質(zhì)量進(jìn)行了分析評價(jià)。指出完善質(zhì)量管理體制、控制充填工藝是保證充填體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。綜合利用“三廢”難度大、牽涉面廣，既關(guān)系到企業(yè)的生存與發(fā)展，又影響到環(huán)境與安全，是社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，研究并解決好綜合利用與開采安全和環(huán)境保護(hù)的相互關(guān)系意義重大。
2研究的背景
2.1礦山基本情況
新疆尼勒克縣奴拉賽古銅礦古時(shí)地表就有零星開采，該遺址位于現(xiàn)采空區(qū)的北西端。在近年來的開采活動(dòng)中，所有開采活動(dòng)均在古采坑以下安全隔離保護(hù)礦柱厚度以下進(jìn)行的，均未對古采坑進(jìn)行改造和破壞，保持了古采坑遺址的原貌。奴拉賽銅礦為小型銅礦。目前礦山采用平硐-盲豎井聯(lián)合開拓，地下開采。主要開拓生產(chǎn)中段有3個(gè)平硐中段，3個(gè)盲豎井為進(jìn)風(fēng)井。盲豎井產(chǎn)出的礦、廢石至1250m主運(yùn)輸中段平硐，再由1250m平硐中段（7號平硐）直接運(yùn)出地表。礦山采用淺孔留礦采礦法。目前I~1和I~2號礦體1200m中段以上為采空區(qū)，I~3號礦體為一個(gè)隱伏的小礦體，位于11號勘探線附近由1250m中段控制，現(xiàn)已基本開采完。
2.2工程地質(zhì)條件
2.2.1構(gòu)造帶工程地質(zhì)特征
礦區(qū)地質(zhì)容礦、控礦構(gòu)造為礦區(qū)發(fā)育的兩條北西向延伸的斷裂，兩斷裂區(qū)內(nèi)可見長均大于1200m，總體走向315°~340°，傾向南西，傾角72°~85°。斷層一般寬3~20cm，斷層內(nèi)充填有構(gòu)造角礫巖、巖石硅化、碳酸鹽化。成礦部位在斷層上下盤巖石形成破碎帶。目前已發(fā)現(xiàn)的銅礦體均賦存于斷裂構(gòu)造破碎帶內(nèi)。2.2.2礦區(qū)工程地質(zhì)巖組特征礦區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)特征，可分為風(fēng)積松散巖組、堅(jiān)硬的侵入巖、半堅(jiān)硬的構(gòu)造蝕變巖和沉積巖組三類。⑴洪積松散巖組∶土體主要為黃土，松散賦存于地表。⑵半堅(jiān)硬沉積巖石組∶巖性為砂巖、砂礫巖、構(gòu)造蝕變巖等，硬度5~6左右，含水性差；⑶堅(jiān)硬的侵入巖及塊狀動(dòng)力變質(zhì)巖組：巖性為花崗斑巖，硅化構(gòu)造角礫巖等，硬度7~8左右，巖石堅(jiān)硬、含水性差。
2.2.3礦床工程地質(zhì)評價(jià)
2.2.3.1巖組工程地質(zhì)評價(jià)
散體巖組∶砂礫巖、花崗斑巖在地表因遭地表風(fēng)化等破壞，巖層（體）完整性破壞較大，巖石質(zhì)量低劣，穩(wěn)定性差。此種風(fēng)化巖石分布于地表或近地表部位，且厚度不大，開采時(shí)可以剝離。塊體巖組∶砂礫巖層和花崗巖巖體整體強(qiáng)度中-較好，完整性好，空間形態(tài)穩(wěn)定，厚度大，屬較穩(wěn)定性巖石，但在開采時(shí)可能會(huì)造成局部垮塌。
2.2.3.2礦體及其頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)固性
�、诺V體的穩(wěn)固性礦體傾角72°~85°，礦石為致密塊狀，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，屬堅(jiān)硬~半堅(jiān)硬巖石，礦體大部分穩(wěn)固性一般，在以往的探采巷道施工過程中有發(fā)生冒頂、塌方現(xiàn)象，要求在造成局部垮塌部位做穩(wěn)定支護(hù)工作。⑵礦體頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)固性礦體頂?shù)装鍑鷰r有砂礫巖、砂巖或花崗斑巖等。花崗斑巖巖石致密；砂礫巖、砂巖層理與礦體傾向一致，穩(wěn)定性一般，礦體頂?shù)装鍘r石較為堅(jiān)硬，牢固性一般，采場底板和頂板有產(chǎn)生崩落或塌陷的可能性。
3采礦充填工藝及相關(guān)參數(shù)
3.1充填系統(tǒng)
充填骨料為戈壁集料和分級尾砂，戈壁集料是用自卸卡車運(yùn)至制備站，鏟運(yùn)機(jī)倒運(yùn)到臥式戈壁料倉，經(jīng)斜面振動(dòng)格篩由皮帶機(jī)運(yùn)送至臥式攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌；分級尾砂則由尾砂料倉，通過料倉底部造漿放砂管，送至攪拌機(jī)中；水泥由水泥料倉經(jīng)葉輪給料機(jī)下放至灰漿制備桶中，水經(jīng)高位水倉流入灰漿制備桶中，經(jīng)過攪拌制備，自溜入攪拌機(jī)中，與戈壁集料攪拌，制成流動(dòng)性較好的`混凝土充填料，經(jīng)充填鉆孔下放到井下充填輸送站，再由混凝土輸送泵，由充填輸送管沿巷道輸送至充填采場，充填能力15~20m3/h。戈壁集料由皮帶稱計(jì)量，由下料口的電磁振動(dòng)給料機(jī)控制給料，水泥由沖板流量計(jì)計(jì)量，葉輪給料機(jī)控制給料，水由高位水倉恒位液面控制給水，所有計(jì)量由儀控室進(jìn)行監(jiān)控及配比調(diào)控。
3.2充填骨料及充填料漿參數(shù)
充填戈壁骨料來自附近戈壁集料場區(qū)，其粒度組成平均為10.93mm,見表1�；炷粮瓯谖采俺涮钆浔纫姳�2。在礦體與充填體共同變形中，由于充填體彈性模量較小，礦體受力向充填體擠壓變形，充填體則呈高壓狀態(tài)，同時(shí)給礦體一個(gè)支撐應(yīng)力，使其變形過大而發(fā)生破壞，支承力的大小取決于充填體的強(qiáng)度。對兩者采礦方法的評價(jià)∶礦山目前所采用的淺孔留礦采礦法，能較好地適應(yīng)該礦山淺部開采的需要，但為了解決深部礦體穩(wěn)定性的要求及尾砂的綜合利用。若采用的下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，采用混凝土人工假頂下作業(yè)，可以有效的避免采用淺孔留礦法回采時(shí)，回采人員在礦體頂板下作業(yè)時(shí)所面臨的危險(xiǎn)性，同時(shí)尾砂充填的應(yīng)用，可以有效的解決尾砂堆放的問題，有利于環(huán)境保護(hù)和廢物利用，綜合經(jīng)濟(jì)效果較好，同時(shí)對地表古跡也進(jìn)行了有效保護(hù)。所以，采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，可以有效的解決礦山面臨的實(shí)際問題。使用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法開采，其主要工序包括落礦、出礦、平底、鋪設(shè)假底、架設(shè)擋墻、分層充填等。盤區(qū)分層巷道垂直礦體走向布置，回采進(jìn)路沿走向布置，礦塊長50m，寬為礦體厚度，采場端部預(yù)留穿脈充填道�；夭蛇M(jìn)路長25m，轉(zhuǎn)層后進(jìn)路斷面為3m×3m的正方型，擋墻為木板擋墻和礦渣砌塊，100mm充填管充填。正常情況下盤區(qū)內(nèi)只有1~2條進(jìn)路回采，進(jìn)路回采結(jié)束后，應(yīng)立即準(zhǔn)備充填。采用的下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，對開采礦、巖節(jié)理發(fā)育、破碎，上下盤圍巖不穩(wěn)固的采場來說是安全有效的。它的最大特點(diǎn)是用膠結(jié)充填體做人工假頂，并在人工假頂下采礦。生產(chǎn)中保證充填體暴露部分頂板的穩(wěn)定性，是決定作業(yè)安全、回采參數(shù)和開采經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要因素。因此充填質(zhì)量的好壞，直接影響人工充填體頂板的穩(wěn)固性。
4充填體穩(wěn)定性分析
4.1充填體強(qiáng)度特性及其在人工假頂中的作用
大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明∶采空區(qū)的充填體具有較小的承載能力，充填體的主要作用在于預(yù)防兩幫碎裂巖體的位移和提高其穩(wěn)定性，防止地壓的集中。充填體是人工假頂?shù)闹饕Y(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能主要取決于充填材料質(zhì)量、濃度及配合比，如骨料配比、水灰比等，同時(shí)與充填工藝、充填體結(jié)構(gòu)特征、分布狀態(tài)有直接關(guān)系。圖1進(jìn)路充填鋪底準(zhǔn)備工作示意圖1.鋪底鋼筋焊網(wǎng)；2.吊筋；3.錨桿；4.木板（空心磚）擋墻；5.充填管.金川有色金屬公司是采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法的典型礦山。由于礦巖破碎、地壓大，經(jīng)常發(fā)生采場冒落塌方，巷道變形破壞，所以要求充填體有較高的強(qiáng)度質(zhì)量保證。充填骨料選用3mm的棒磨砂加粉煤灰和42.5水泥，按灰砂比1∶4（承載層）、1∶8（進(jìn)路上部）的配比攪拌均勻，經(jīng)過鉆孔、充填管輸送到進(jìn)路采場內(nèi)。料漿重量濃度為76%～78%，水泥單位用量200～320kg/m3，充填體單軸抗壓強(qiáng)度R28=3～5MPa。該礦三十年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，充填體能較好的承載地壓層破壞，確�；夭勺鳂I(yè)面的安全，并使二礦區(qū)生產(chǎn)能力達(dá)240萬噸/年以上。若該礦采用的分級尾砂和部分戈壁集料為充填骨料，42.5水泥為膠結(jié)劑，管道自流充填。對回采進(jìn)路底部1.0m厚的充填體，灰砂比1∶4，充填體承載層單軸抗壓強(qiáng)度要求R28=4～5MPa，而回采進(jìn)路上部充填體，灰砂比1∶8，充填體單軸抗壓強(qiáng)度R28=2MPa，充填料漿濃度為70%～75%。從國內(nèi)下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法的研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，我礦充填工藝參數(shù)的選擇，是比較符合該礦實(shí)際情況，能夠保證礦山生產(chǎn)需要。
4.2充填體暴露面積和進(jìn)路斷面形狀
該礦進(jìn)路斷面形狀為正方形，進(jìn)路斷面3m×3m。進(jìn)路采場頂板受力條件不好。據(jù)巖石力學(xué)研究表明，在三向受壓狀態(tài)下，正方形進(jìn)路應(yīng)力集中系數(shù)是六角形進(jìn)路的4.3倍，地應(yīng)力容易集中拱角及拱頂，造成拱頂塌落，層狀脫層。而六角形進(jìn)路周邊受壓，易形成一個(gè)承載環(huán)，可充分利用進(jìn)路間柱自身承載能力，改善頂板受力狀況。這是因?yàn)殚g柱形狀為正梯形，寬度遠(yuǎn)大于高度，當(dāng)頂板作用力作用間柱時(shí)，會(huì)使間柱產(chǎn)生向內(nèi)約束力，使間柱承載能力提高。針對該礦進(jìn)路斷面形狀，極有必要對該礦進(jìn)路斷面形狀加以改進(jìn)，可試驗(yàn)六角形進(jìn)路回采。
5提高膠結(jié)充填體穩(wěn)定性的工藝措施
膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性取決于對充填攪拌制備的管理，主要是保證充填生產(chǎn)正常運(yùn)行和對充填制備料漿質(zhì)量的控制。要依據(jù)充填指令和質(zhì)量要求對充填材料質(zhì)量、物料配比、漿體制備及各類設(shè)備進(jìn)行調(diào)控、計(jì)量、聯(lián)絡(luò)、檢驗(yàn)等全面控制，按照采場準(zhǔn)備、設(shè)備檢查與檢修、料漿制備、順序充填等充填作業(yè)程序進(jìn)行充填作業(yè)，確保料漿質(zhì)量滿足井下回采作業(yè)的安全要求。提高膠結(jié)充填體穩(wěn)定性是決定下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法成敗的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，需要在相關(guān)的工藝環(huán)節(jié)上采取措施，以提高充填混凝土整體性質(zhì)量，而獲得保證。
6結(jié)束語
膠結(jié)充填體的穩(wěn)定性對下向進(jìn)路膠結(jié)采礦法的使用至關(guān)重要。而影響這方面的因素很多，如充填計(jì)量儀控設(shè)備的準(zhǔn)確性、充填骨料選擇及配比等，都需要我們結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，探討合理的工藝改進(jìn)措施，為提高采場作業(yè)安全條件，尋求一條經(jīng)濟(jì)、可行、高效的采礦生產(chǎn)之路。新疆尼勒克縣奴拉賽銅礦充填采礦法的研究表明，充填技術(shù)是充填采礦法的核心，保證充填質(zhì)量、搞好尾砂等“三廢”的綜合利用，不僅能有效地解決采礦生產(chǎn)中的難題，而且可以有效的保護(hù)礦山環(huán)境，提高資源利用率，真正達(dá)到綠色采礦的目的。
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