缓倾斜厚矿体盘区二步骤采场底部结构优化研究

刘晓华，江飞飞，万 兵

(1.江西铜业集团公司永平铜矿, 江西上饶市 334506；2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心, 湖南长沙 410012)

缓倾斜厚矿体盘区二步骤采场底部结构优化研究

刘晓华1，江飞飞2，3，万 兵2，3

(1.江西铜业集团公司永平铜矿, 江西上饶市 334506；2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心, 湖南长沙 410012)

针对永平铜矿东部缓倾斜厚矿体盘区二步骤采场底部结构出矿困难的问题，结合矿山开采现状，提出了3种技术上可行的二步骤采场底部结构方案，并采用定性与定量相结合的方法对3种方案进行了比较分析，模糊综合评判结果表明:方案三(斗颈斗穿底部结构)为最优底部结构方案。矿山开采实践证明，此种底部结构能够很好的满足安全出矿需要，在矿区范围内具有推广价值。

缓倾斜厚矿体；盘区二步骤采场；模糊综合评判；底部结构

0 前 言

缓倾斜中厚至厚大矿体开采过程中的出矿问题历来是此类型矿体开采研究和优化的重点,合理的采场底部结构对于安全高效出矿和取得良好的技术经济指标具有十分重要的意义。

永平铜矿东部矿体平均厚度42 m,矿体平均倾角30°,属缓倾斜厚矿体,矿石的坚固性系数f＝8～10,矿石体重为3.12 t/m3,围岩和矿石松散系数为1.46,自然安息角为38°,矿岩总体稳固。针对此类型矿体,经过采矿方法的不断优化,矿山最终确定采用分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法进行开采,沿矿体走向每90 m划分为一个盘区,盘区内垂直矿体走向布置采场,分两步骤进行回采,其中一步骤采场宽度12 m,二步骤采场宽度18 m,采场长度为矿体水平厚度。

随着开采的不断推进,盘区一步骤采场采用平底结构出矿已经回采完毕,并进行了嗣后胶结充填,在进行盘区二步骤采场回采时,原设计方案为充填体内掘进巷道,但由于部分一步骤采场实际充填体强度没有达到设计要求,在充填体内掘进巷道存在一定问题,而且支护成本较高,因此需要对二步骤采场底部结构进行优化。

1 采场底部结构方案

针对盘区二步骤采场底部结构出矿所存在的问题,结合矿山开采现状,同时满足矿山大型铲运机、矿用卡车等装备的需要,现提出了3种技术可行的底部结构方案:方案一:充填体内掘进巷道的堑沟底部结构方案；方案二:偏侧堑沟底部结构方案；方案三:斗颈斗穿底部结构方案。

在各个方案图中,矿体水平厚度均为42 m,平均倾角均为30°,所有采切工程巷道均按设计断面积来计算。各方案均沿矿体走向每90 m划分为一个盘区,盘区内垂直矿体走向布置采场,采场长度为矿体水平厚度,每个盘区包含3个已回采完毕的一步骤采场和3个即将回采的二步骤采场,一、二步骤采场宽度分别为12,18 m。中段高度为37 m,将中段划分为2个分段,分段高度自下向上依次为17, 20 m。盘区总矿量为51.9万t,其中盘区二步骤采场矿量共31.1万t。本次工程量和损失贫化指标只对比底部结构部分的内容。

1.1 充填体内掘进巷道堑沟底部结构方案(方案一)

本方案在一步骤采场充填体强度达到要求后,沿原一步骤采场凿岩巷道在充填体内掘进出矿穿脉巷道,由出矿穿脉巷道向二步骤凿岩巷道施工装矿进路,装矿进路间距10 m,与出矿巷道交角60°。

二步骤采场回采时,在各分段巷道凿岩爆破,崩落矿石主要在-87 m分段出矿,-70 m分段出部分矿石,待回采完毕后,即可进行充填。本底部结构方案如图1所示。

1.2 偏侧堑沟底部结构方案(方案二)

该盘区一步骤采场采用分段空场法回采,平底底部结构,嗣后胶结充填。本方案在二步骤采场矿体内掘进出矿巷道、装矿进路和凿岩巷道。即在采场内原出矿巷道两侧各掘进一条穿脉巷道,一条作为凿岩巷道,另一条作为出矿巷道,两巷道之间用装矿进路连接。

图1 充填体内掘进巷道堑沟底部结构

二步骤采场采用分段中深孔回采,崩落矿石主要在-87 m分段出矿,-70 m分段出部分矿石。二步骤采场回采完成后进行充填。底部结构巷道较多,所留点柱较小,建议巷道采用喷锚网支护。另外,考虑到-87 m水平三角矿柱损失较大,可采用中深孔后退式回收部分矿柱。本底部结构方案如图2所示。

图2 偏侧堑沟底部结构

1.3 斗颈斗穿底部结构方案(方案三)

本方案出矿水平为-95 m水平,巷道高度3 m,应保障巷道顶板至-87 m充填体底板的绝对高度大于5 m。先从-100 m中段掘进斜坡道至-95 m水平,再在-95 m水平掘进下盘脉外沿脉巷道,然后从该沿脉巷掘出矿穿脉巷道和装矿进路(斗颈)至第二步骤采场中部,从装矿进路端部掘斗颈与-87 m凿岩巷贯通,同时斗颈上部适当扩漏,以降低卡漏几率。

崩下矿石大部分通过斗颈下溜至-95 m水平,在-95m水平采用2m3铲运机出矿至矿石溜井。本方案如图3所示。

2 各方案定性与定量比较分析

2.1 方案优缺点及指标初步比较

通过对上述3个盘区二步骤采场底部结构方案的详细叙述,各方案的优缺点如下:

(1)充填体内掘进巷道堑沟底部结构方案(方案一)双侧出矿盘区生产能力大,回采强度高,损失较小；可以充分利用原有工程,工程量相对较低。但需要在充填体内掘进巷道,施工困难,充填体强度达不到要求是支护成本较高。

图3 斗颈斗穿底部结构

(2)偏侧堑沟底部结构方案(方案二)底部结构工程全部在矿体内,可以作为副产矿。但不能利用原有工程,工程量较大；单侧出矿损失较多；底部结构工程较多,支护成本较高。

(3)斗颈斗穿底部结构方案(方案三)底部结构全部在矿体内部,稳固性好；双侧出矿生产能力大,损失较小；不受一步骤充填体质量影响,巷道维护成本低,安全性好。但工程量较大。

各方案的主要技术经济指标见表1。

表1 各方案主要技术经济指标对比

2.2 基于Fuzzy理论的综合评判

通过对上述3个方案优缺点及具体技术经济指标对比分析可知,各方案比较的重点主要包括安全性、生产能力、巷道支护成本、工程量、损失率及贫化率等6个方面,3个方案各有优劣,难以直接分析得出最优底部结构方案,因此可借助具有良好决策功能的模糊综合评判对各方案的优劣进行进一步的定量比较分析。

根据底部结构方案对上述各方面的敏感程度和各因素的权重矩阵,计算矩阵的最大特征根λmax对应的特征向量ξ作为权重向量,并对计算结果进行归一化处理便可得到本次模糊综合评判的权重一维行向量:

对上述因素中没有明确参数的定性指标采用等级评定法分别进行评值(0～1之间),对各方案的定量指标进行无量纲化处理,以使各因素具有可比性。其中,定量指标的无量纲化处理方法如下:

式中,fjmax为j因素指标的最大值；fjmin为j因素指标的最小值；d为级差且d＝(fjmax-fjmin)/(1-0.1)；fij为i方案的j因素的指标值。

对上述3个底部结构方案的各因素进行评值、无量纲化及归一化处理之后便可得到最终的模糊综合评判矩阵R为:

运用加权平均模型对各方案进行评价,计算所得到的最终结果为:

基于上述多因素模糊综合评判结果可知,3种底部结构方案中方案3(斗颈斗穿底部结构方案)对所需的目标隶属度最大,综合定性与定量最终分析结果可知,方案3即为永平铜矿东部缓倾斜厚矿体盘区二步骤采场底部结构最优方案。

3 结 论

(1)分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法的出矿全部在采场底部结构中进行,采场的底部结构在很大程度上影响着采矿方法的效率、劳动生产率、采准工程量、矿石的贫化与损失以及出矿生产安全等,结合矿体的赋存条件对底部结构的布置方式进行优化很有必要。

(2)针对永平铜矿东部厚大矿体二步骤采场回采底部结构存在的问题,提出了3个技术上可行的方案,并对方案进行了定性和定量的比较分析,根据模糊综合评判结果分析可知,方案3(斗颈斗穿底部结构方案)作为首选底部结构方案。此底部结构在永平铜矿东部E3-6采场进行了为期半年多的现场工业试验,实践证明该方案能够很好的满足盘区二步骤采场出矿需求,根据现场出矿统计,二步骤采场实际损失率约为12%,贫化率约为17%,达到了预期技术经济指标,因而此出矿底部结构方案可在矿区范围内进行推广应用。

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2015-08-01)

刘晓华(1977-)，男，江西广丰人，大学本科，主要从事采矿技术及现场管理工作，Email:464313433＠qq.com。