某地下矿山上下矿体同时开采的安全性协调.pdf

第 51 卷 第 1 期有色金属设计Vol.51 No.12024 年 3 月Nonferrous Metals DesignMar.2024收稿日期:2023-06-06作者简介:韦永刚(1994),男,广西贵港人,助理工程师。主要研究方向:矿山采矿工程设计。某地下矿山上下矿体同时开采的安全性协调韦永刚,费志文,李谢平(昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051)摘要:针对国内某地下金属矿山,通过确定开采范围及对象、开采技术条件分析、采矿方法选择、矿块布置、矿块生产能力分析及矿块生产搭配协调,来保障上下主矿体采用空场法同时开采的安全性。该文的研究对于地下矿山上下矿体采用空场法同时开采时,上下采区安全关系的协调具有一定的指导作用。关键词:地下矿山;上下矿体;空场法;同时开采;生产搭配中图分类号:TD854文献标识码:B文章编号:1004-2660(2024)01-0029-07Safety Coordination of Simultaneous Mining of Upper and Lower Ore Bodies in an Underground MineWEI Yonggang,FEI Zhiwen,LI Xieping(Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650051)Abstract:For a certain underground metal mine in China,the safety of simultaneous stoping for the upper and lower orebodies using the stope method is ensured by determining the mining range and objects,analyzing the mining technical conditions,selecting mining methods,designing ore block layout,analyzing the production capacity of the ore blocks,and coordinating the production matching of the ore blocks.The study in this paper provides guidance for coordinating the safety relationship between the upper and lower mining areas when the stope method is applied simultaneously to the upper and lower orebodies in underground mines.Keywords:Underground mine;Upper and lower orebodies;Open-stope method;Simultaneous mining;Pro-duction collocation0 引 言某地下金属矿山,为保证矿山生产能力,采用空场法对上下 2 个主矿体 2 个中段进行同时开采。下部矿体或下中段开采时对上部区域会产生一定的岩石移动范围,若上部生产区域或生产巷道处于岩石移动范围内,将会造成安全隐患。故研究、分析和保障上下矿体 2 个中段同时开采的安全关系是非常有必要的。1 开采范围及对象某地下金属矿山采矿权范围内保有资源储量分布标高 1 5251 810 m,平面范围 69#95#勘探线;共有矿体37 个,主矿体为 V1和 V3矿体,其他为单工程小矿体;矿种为银铅锌矿、铅锌矿、铅锌铜矿和铜矿。V1矿体保有资源主要分布在 1 760 m 以下,1 760 m 以上仅剩采后的边角矿;V3矿体消耗资源主要分布在东南区,保有资源主要分布在西北区(1 6601 810 m)和东南区未采区域(1 6801 750 m)。根据矿山采空区调查报告分析,矿山现状采空区对地表的影响区域内无任何需要保护的构筑物,设计开采引起的采空区地表影响范围内构筑物也已完成搬迁,故无需留设地表设施保安有色金属设计第 51 卷矿柱。从资源控制程度考虑,补充勘探工程对 V3矿体西北区进行了加密控制,故该区域为主要开采对象;其次,从开采安全关系角度考虑,虽 V1矿体控制程度不高,但和 V3矿体西北区空间上存在上下重叠关系,而采矿方法主要为空场类,若 V3矿体西北区先于 V1矿体开采,势必会影响到 V1矿体部分区域的开采安全,故在开采 V3矿体西北区的同时,V1矿体受影响部分也需同步开采。经研究,开采范围主要集中在 V3矿体西北区(1 6601 810 m、72#82#勘探线间)和部分V1矿体(1 6601 760 m,69#73#勘探线间)。V1矿体除设计开采区域外,剩余资源主要为1 760 m 以上采后遗留边角矿,1 660 m 以下铜矿体和 73#95#勘探线保有资源。遗留边角矿矿量小、开采风险大,设计不进行开采,靠近该次开采区域的遗留边角矿考虑作为本次 V1矿体开采的采空 区 保 安 矿 柱;矿 山 采 矿 证 无 铜 矿 种,1 660 m 以下铜矿体暂不进行设计开采;73#95#勘探线间保有资源均为推断,设计对其仅进行规划。V3矿体除设计开采区域外,剩余资源主要为东南区未采部分资源(1 6801 750 m),该部分资源绝大部分为推断,设计纳入后期规划。其它单工程小矿体因资源均为推断,控制程度低,该次设计采动区域亦对其不会造成影响和破坏,故设计暂不进行开采,纳入后期规划。矿山现有采空区主要分布在 71#勘探线以西1 6401 685 m 标高,78#勘探线以东和 V3矿体铜矿区,与设计开采区域较远。对设计开采区域可能造成影响的是 1675-3 采空区(1.5 万 m3),其位于 V3矿体(西北区)下盘,空区当前不具备充填条件,另 V3矿体受空区影响的区域矿体薄(厚度 1 m 左右),同时该区域有 1 760 m 主排水平巷(需保护)通过,设计考虑该区域资源暂不利用,待后期具备条件后再进行设计开采。V3矿体(西北区)局部矿体厚度过薄(厚度小于1 m)区域划为无法利用资源,巷道压覆和采场孤立区域划为保安矿柱。此外,V3矿体东南区未采部分资源(1 6801 750 m)距现有采空区较近,空区影响部分作为暂不利用资源,待后期空区处理具备安全开采条件后进行设计开采。设计对低品位矿开采效益进行分析,矿石价值低于采选成本,且该次开采区域低品位矿体独立存在,不受该次开采影响,加之以往开采亦不开采低品位矿,仅是顺带采出,故设计对低品位矿原地保留暂不开采。综上所述:开采范围及对象为矿山采矿权范围内,V1矿体(1 660 1 760 m、69#73#勘探线)和 V3矿体(西北部分,1 6601 760 m、72#78#勘探线),开采矿种为银铅锌矿和铅锌矿,矿石品级为工业矿。V3矿体(东南部分,1 6801 750 m、79#87#勘探线)、V1矿体(73#95#勘探线)和其它单工程小矿体纳入后期规划(仅布置开拓系统及纳入排产计划),待后期开展探矿工作和相关设计(含安全设施设计)后再进行开采。2 开采技术条件2.1 水文地质条件矿区地形有利益地表水排泄,地表水不发育。矿区处于地下水补给区,地下水主要靠大气降水补给,无其它补给来源。矿体主要赋存于相对隔水的 F3断层下,寒武系中统田蓬组第三段(2tc)是主要含矿层,含溶隙、裂隙水,属中等含水层,为矿坑充水的主要来源,龙哈组(2l)为矿床开采间接充水含水层。矿区水文地质勘查类型属于溶隙、裂隙含水层充水为主的中等类型。2.2 工程地质条件设计开采矿体主要赋存于 F3断层下部及寒武系中统田蓬组第三段2tc地层中。矿体顶板主要为白云岩、灰岩和泥质粉砂岩,白云岩、灰岩属于好岩体,粉砂岩属于一般岩体。矿体底板主要为田蓬组第二段(2tb),为灰色中厚层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩不等厚互层,间夹绢云母粉砂岩,钙质粉砂岩,局部为砂质板岩,岩石较完整,结构较致密,硬度软至半坚硬,岩体力学强度较差,工程地质性能较低。矿床工程地质条件属层状可溶盐岩类为主的中等类型。2.3 环境地质条件根据 中国地震动参数区划图 GB 183062015,矿区地震动峰值加速度为 0.10 g,反应谱特征周期 0.45 s,抗震设防烈度值为 7 度。矿区内无自然保护区、地质遗迹、风景名胜旅游景03韦永刚,费志文,李谢平:某地下矿山上下矿体同时开采的安全性协调点、大中型基础设施和工厂。矿岩中含氟、砷、硫、镉等有害元素,对矿区及周边环境造成一定影响,但经多年开采实践,未出现因有害元素的富集而危害人体健康等情况。矿区内无放射异常存在。矿区现有坑道大多相互连通,坑道温度20.228,深部独头巷局部最高井温可达 35左右。矿区滑坡、崩塌及地面塌陷基本处于稳定状态,影响小。矿区地质环境质量为次生问题为主的中等类型。2.4 矿体赋存特征矿区内矿床主要赋存于 F3断层及寒武系中统田蓬组第三段地层中,与 F3断层产状基本一致,呈层状、似层状波状产出,总体呈北西-南东向展布,矿体走向 303,倾向 213,倾角 026,为缓倾斜矿体。主要成矿元素有铅锌、银、铜、锡,其中铅锌矿为矿区内主矿种。该次设计开采V1号和 V3号矿体,开采区域矿体赋存特征分述如下:V3号矿体:V3矿体分布于矿山矿段 72#82#勘查线间。矿体赋存于 V1主矿体之下,受 F3断层控制,矿体主要赋存于寒武系中统田蓬组第三段地层中,含矿岩石主要有白云岩、灰岩、泥灰岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、绢云母粉砂岩、板岩、碳质板岩等。产状与 F3 断层产状基本一致,呈似层状、透镜状产出。矿体总体走向 311,倾向 221。倾角 20,为缓倾斜矿体。矿体见矿工程 27 个,其中钻孔工程 24 个,坑道工程 3 个,控制矿体走向长 260 m,倾斜延伸 380 m。矿体最高标高 1 760 m,最低标高 1 660 m,大部分位于最低侵蚀基准面之下。矿体局部膨大,局部缩小,矿体形态复杂,后期断层、脉岩对矿体造成了一定的破坏,构造复杂程度中等。该次设计开采区域矿体平均倾角约 20.01,平均厚度约3.95 m。矿体以铅锌矿石为主,有少量银铅锌矿,主要成矿元素为铅锌,铅锌矿为主矿种。矿体银平均品位 9.97 g/t,铅平均品位 1.11%,锌平均品位 1.74%。为形态简单、构造中型、有用组分总体不均匀的缓倾斜铅锌矿体,同体共生有银。本次设计开采区域内保有工业矿石资源量55.65 万 t,银金属量5 551 kg,铅金属量6 153 t,锌金属量 9 672 t。V1号矿体:V1矿体分布于矿山矿段 69#71#勘查线间。受 F3断层控制,主要赋存于寒武系中统田蓬组第三段地层中,含矿岩石主要有白云岩、灰岩、泥灰岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、绢云母粉砂岩、板岩、碳质板岩等。产状与 F3 断层产状基本一致,呈层状、似层状产出。矿体总体倾向 218、倾角 0 26,为缓倾斜矿体。矿体见矿工程 7 个,均为钻孔工程,控制矿体走向长200 m,倾斜延伸 290 m。矿体最高标高 1 760 m,最低标高1 660 m,大部分位于最低侵蚀基准面之下。该次设计开采矿体平均倾角约 13.94,平均厚度约 6.02 m。矿体以铅锌矿石为主,有少量银铅锌矿,主要成矿元素为铅锌,铅锌矿为主矿种。矿 体 银 平 均 品 位 29.37g/t,铅 平 均 品 位1.39%,锌平均品位 1.83%。为形态简单、有用组分总体不均匀的缓倾斜铅锌矿体,同体共生有银。该次设计开采区域保有工业矿石资源量80.32 万 t,银金属量 23 589 kg,铅金属量 11 191 t,锌金属量 14 733 t。2.5 矿围岩强度指标矿体顶板围岩为 2l 为坚硬薄至中厚层状中等岩溶化灰岩、白云岩岩组,稳固性好,力学强度高,工程地质性能良好。底板围岩为 2tb为软硬相间薄至中厚层状砂岩泥岩岩组,工程地质性能较差,易湿化和冒顶垮塌。矿体直接顶板多为构造角砾岩、碎裂岩化白云岩、断层泥、角砾岩化白云岩、碎裂岩等。依据岩石力学试验,矿区白云岩、灰岩、矿体室内物理力学试验在干燥状态下属于较坚固-坚固类型岩体,粉砂岩和炭质粉砂岩属于中等类型岩体;点荷载试验粉砂岩、白云岩、灰岩、矿体属于较坚固-坚固类型岩体,只有炭质粉砂岩属于中等类型岩体。白云岩、灰岩、矿体及炭质粉砂岩室内物理力学试验结果与点荷载结果分级基本一致,粉砂岩分级结果差异较大。除矿体以外,其余岩块在干燥及饱水状态下抗压强度指标差异较大,围岩强度受水的影响较大。白云岩、灰岩、矿体属于好岩体,粉砂岩和炭质粉砂岩属于一般岩体,与现场实际工程地质具有较好的吻合性。3 采矿方法选择与矿块布置3.1 采矿方法选择矿山保有资源距地表约 160330 m,矿体埋藏深,不具备露天开采条件,只能采用地下开13有色金属设计第 51 卷采。设计开采矿体主要赋存于 F3 断层下部及寒武系中统田蓬组第三段地层中,围岩主要岩性为粉砂岩、白云岩、灰岩。粉砂岩属于一般岩体,白云岩、灰岩属于好岩体,结合该次补充生产勘探报告岩芯照片、采空区调查报告岩石物理力学性质试验结果及矿山已揭露采场矿岩稳固性来看,矿山围岩总体稳固较好,设计采用空场法类开采。矿山开采至今,出矿主要通过人员直接进入采场进行人力装矿,现有开拓巷道断面小。若在矿体局部中厚的个别地段采用铲运机等无轨设备进行出矿,势必对原有开拓井巷工程进行扩刷。由于矿山已开采多年,已有井巷工程较多,此次可采范围内保有地质资源量仅有 135.97 万 t,服务年限短,且矿体总体偏薄,分布面广,对已有井巷工程进行扩刷不经济,故采矿方法选择较为常用的电耙出矿方式,虽生产能力低些,但可改变过去矿山胶轮手推车直接进入采场进行人力装矿局面,对矿体适应性较强,生产能力也能满足需要。根据矿体产状,对于厚度5 m 的矿体采用底盘漏斗空场法开采;厚度5 m,倾角20的矿体采用房柱法(设置副中段)开采;厚度20的矿体采用房柱法(不设置副中段)开采。底盘漏斗空场法占比 40.30%,平均倾角13.40,平均厚度 7.88 m;房柱法 占比 48.76%,平均倾角 13.46,平均厚度 3.33 m;房柱法占比 10.94%,平均倾角 25.54,平均厚度 3.27 m。3.2 矿块布置根据前述矿块结构参数,采矿方法按标准矿块 30 m 长度进行各中段矿块布置。(1)1 740 m 中段:V3矿体共布置3 个矿块,均为房柱法;V1矿体共布置 6 个矿块,均为房柱法。(2)1 720 m 中段:V3矿体共布置9 个矿块,其中 8 个矿块为房柱法,1 个矿块为底盘漏斗空场法;V1矿体共布置 7 个矿块,均为房柱法。(3)1 700 m 中段:V3矿体共布置3 个矿块,其中 1 个矿块为房柱法,2 个矿块为房柱法;V1矿体共布置 6 个矿块,其中 3 个矿块为房柱法,3 个矿块为底盘漏斗空场法。(4)1 680 m 中段:V3矿体共布置5 个矿块,其中 3 个矿块为房柱法,2 个矿块为房柱法;V1矿体共布置 6 个矿块,均为底盘漏斗空场法。(5)1 660 m 中段:V3矿体共布置4 个矿块,均为房柱法;V1矿体共布置 6 个矿块,均为底盘漏斗空场法。4 上下主矿体空场法同时开采的安全性协调4.1 首采地段选择(1)开采中段划分矿山为开采多年地下矿山,中段高度一般20 m。结合矿体产状和矿山已有工程布置,在原有中段的基础上进行,保持中段高度及中段水平不变。中段高度 20 m,划分 1 740 m、1 720 m、1 700 m、1 680 m、1 660 m 共 5 个生产中段,设置 1 760 m 回风水平。(2)首采地段采用空场法开采,从安全考虑,中段上自上而下开采,首采地段应为最上部中段,即1 740 m中段。另从达产和稳产考虑,1 740 m 中段3 级矿量、生产能力均能满足要求。故拟定首采中段为1 740 m 中段,基建 V1 矿体 FZF1740-1-6 和 V3矿体 FZF1740-1-3 共 9 个房柱法采场。4.2 开采顺序该次开采范围内矿体厚度薄、走向长度短,2 个主矿体空间上存在上下叠交关系,开采顺序主要从生产能力和安全角度考虑,遵循如下原则:(1)充分利用回采工作线,使其达到较高的开采强度,确保中段生产能力;(2)同一矿体上下同时开采的矿块,考虑安全允许及通风效果;不同矿体间考虑相互间的开采移动范围;(3)回采顺序与通风系统主流方向相协调,以获取较好的通风效果;(4)充分利用已有井巷工程,使得基建工程量小,见效快,利于持续衔接。基于以上原则,开采顺序为:(1)2 个矿体两中段同时生产;(2)同一矿体上中段开采超前下中段至少 2个矿块,下中段废风不经上中段的采切作业工作面;(3)中段内回风侧向进风侧后退式回采。23韦永刚,费志文,李谢平:某地下矿山上下矿体同时开采的安全性协调2 个主矿体各中段各矿块开采年份安排及安全关系具体为:(1)生产第一年单中段生产。V1矿体开采 1 740 m 中段 6 个房柱法采场(FZF-1740-1-6),采场污风经1 760 m 回风联道回到 1 7401 760 m 回风斜巷,再回到 1 760 m 回风平巷进入回风系统;V3矿体开采 1 740 m 中段 2 个房柱法采场(FZF-1740-1-2),采场污风回至1 760 m 中段回风平巷进入回风系统。2 矿体开采区域最近平距112 m,不存在某个矿体当前开采移动范围影响到另一矿体当前生产区域的情况,见图 1。图 1 第一年开采区域图Fig.1 Mining Area Map in the First Year(2)生产第二年2 中段同时生产。V1矿体开采1 720 m 中段4个房柱法采场(FZF-1740-1-4),1720 中段采场污风回到 1740 中段后回到西侧 1 7401 760 m 回风斜巷。V3矿体开采 1 740 m 中段 1 个房柱法采场(FZF-1740-3)和 1 720 m 中段 4 个房柱法采场(FZF-1720-1-4),1 740 m 中段房柱法采场(FZF-1740-3)超前于 1 720 m 中段开采区域 2个采场,1 720 m 中段采场污风回到 1 740 m 中段后直接回到西侧 1 740 1 760 m 回风斜巷,不串入 FZF-1740-3 采场。2 矿体开采区域最近平距63 m,不存在某个矿体当前开采移动范围影响到另一矿体当前生产区域的情况,见图 2。图 2 第二年开采区域图Fig.2 Mining Area Map in the Second Year(3)生产第三年2 中段同时生产。V1矿体开采1 720 m 中段3个房柱法采场(FZF-1720-5-7)和1 700 m 中段3 个房柱法采场(FZF-1740-1-3),1 720 m 中段房柱法采场(FZF-1720-5-7)超前于1 700 m 中段开采区域2 个采场,1 700 m 中段采场污风回到1 720 m 中段后直接回到西侧 1 7201 740 m 回风斜巷,不串入 1 720 m 中段生产采场。V3矿体开采 1 720 m 中段 4 个房柱法采场和 1 个底盘漏斗空场法采场(FZF-1720-5-8 和 DPLD-1720-1)。2 矿体开采区域最近平距 93 m,不存在某个矿体当前开采移动范围影响到另一矿体当前生产区域的情况,见图 3。图 3 第三年开采区域图Fig.3 Mining Area Map in the Third Year33有色金属设计第 51 卷(4)生产第四年2 中段同时生产。V1矿体开采1 700 m 中段3个底盘漏斗空场法采场(DPLD-1700-1-3)和1 680 m 中段 3 个底盘漏斗空场法采场(DPLD-1680-1-3),1 700 m 中段生产采场超前于1 680 m 中段开采区域 2 个采场,1 680 m 中段采场污风回到 1 700 m 中段后直接回到西侧 1 7001 720 m 回风斜巷,不串入 1 700 m 中段生产采场。V3矿体开采 1 700 m 中段 3 个房柱法采场(FZF-1700-1-3)。2 矿体开采区域最近平距51 m,不存在某个矿体当前开采移动范围影响到另一矿体当前生产区域的情况,见图 4。图 4 第四年开采区域图Fig.4 Mining area map in the fourth year(5)生产第五年2 中段同时生产。V1矿体开采1 680 m 中段3个底盘漏斗空场法采场(DPLD-1680-4-6)和1 660 m 中段 3 个底盘漏斗空场法采场(DPLD-1660-1-3),1 680 m 中段生产采场超前于1 660 m 中段开采区域 2 个采场,1 660 m 中段采场污风回到 1 680 m 中段后直接回到西侧 1 6601 700 m 回风斜巷,不串入 1 680 m 中段生产采场。V3矿体开采 1 680 m 中段 5 个房柱法采场(FZF-1680-1-5)。2 矿体开采区域最近平距39 m,不存在某个矿体当前开采移动范围影响到另一矿体当前生产区域的情况,见图 5。图 5 第五年开采区域图Fig.5 Mining area map in the fifth year(6)生产第六年单中段生产。V1矿体开采 1 660 m 中段 3 个房柱法采场(FZF-1660-4-6),采场污风经1 680 m 回风联道回到 1 6601 700 m 回风斜巷,再回到 1 760 m 回风平巷进入回风系统;V3矿体开采 1 660 m 中段 4 个房柱法采场(FZF-1660-1-4),采场污风回至1 680 m 中段回风平巷进入回风系统。2 矿体开采区域最近平距 26 m,不存在某个矿体当前开采移动范围影响到另一矿体当前生产区域的情况,见图 6。图 6 第六年开采区域图Fig.6 Mining area map in the sixth year43韦永刚,费志文,李谢平:某地下矿山上下矿体同时开采的安全性协调5 结 语根据矿山上下主矿体采用空场法两中段同时开采特征,分析矿块生产能力及空间关系,对上下矿体不同年份开采矿块进行搭配协调,以保证矿山生产安全、通风顺畅和生产能力满足需求。这种思路对地下矿山上下多条矿体多中段同时开采时安全关系协调具有一定的借鉴意义。参考文献:1采矿设计手册编委会.采矿设计手册(2)矿床开采卷下册M.北京:中国建筑工业出版社,1987.2中华人民共和国住房与城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50771-2012.有色金属采矿设计规范S.北京:中国计划出版社,2012.3于澜沧.采矿工程师手册M.北京.冶金工业出版社,2009.4解世俊.金属矿床地下开采M.北京.冶金工业出版社,1984.(上接第 24 页)4 结 语基于 FLAC3D 数值模拟研究分析,得到以下结论:(1)针对采场东部、中部、西部等区域矿体特点,结合不同矿体厚度下的采矿方法、不同埋藏深度下采区围压的差异,得到在不同矿体条件下,保障采区安全回采的矿柱宽度推荐值,如表2 所示。表 2 矿柱尺寸推荐表Tab.2 Recommended ore pillar size矿体厚度/m采矿方法推荐矿柱宽度/m6宽进路上向水平充填法826上向水平充填法466 m)采用上向水平充填法相对于宽进路上向水平充填法(两步骤回采充填)安全稳定性大幅降低,不推荐使用。参考文献:1窦林名.深部开采冲击矿压防治研究J.矿山压力与顶板管理,2003(S1):58-60.2郭惟嘉.深部开采覆岩体形变演化规律研究M.深部开采覆岩体形变演化规律研究,2012.3张俊杰.深部开采优化开采技术的探讨J.矿山压力与顶板管理,2005(03):74-75.4谢和平,周宏伟,薛东杰,等.煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考J.煤炭学报,2012,37(4):535-542.5马得钰.上向进路充填采矿法在长田金矿的应用J.世界有色金属,2018(9):62-63.6胡建华,雷涛,周科平,等.基于采矿环境再造的开采顺序时变优化研究J.岩土力学,2011,32(8):2517-2522.7杨海彬,李文超,秦秀合,等.某金矿深部采场结构参数与回采顺序优化研究J.矿业研究与开发,2020,40(12):18-22.8陈明奎,张钰,姚晓励,等.高山地区斜坡地形下波纹钢管明挖隧道力学特性研究J.隧道建设(中英文),2021,41(z2):290-298.9戚幸鑫.斜坡地形顺坡岩层隧道受力特征研究D.西南交通大学建筑与土木工程,2021.53