金川三矿区开采设计中的关键技术与研究途径

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采矿方法的选择与前期研究工作
三矿区的贫矿开采， 归根到底， 关键问题是开采
成本和效益问题。采矿方法决定了矿山开拓方式、 矿块回采工艺、 矿山基建投资以及采矿的经济效益。 可以说， 它决定矿山企业的生存和发展， 是矿山开采 设计中最关键也最难以决策的问题。 !#! 拟选采矿方法的初步分析 金川矿区现生产的两个矿山全部采用充填采矿 法。现采矿方法和回采工艺是经过几十年的不断改 进、 发展才形成的。充填法的采矿成本较高， 对于品 位高的富矿体开采， 受市场价格的影响， 有时企业也 面临巨大的经济压力， 对于贫矿开采， 充填采矿法采 矿成本对企业的压力将更加突出。 基于选择采矿方法的基本要求和影响因素， 金 川三矿区应首先进行露天开采和地下开采方法评 价； 然后， 分别就露天开采方法和地下开采进行因素 分析、 可行性评价以及技术与经济指标研究与预测， 在此基础上合理选择采矿方案。 ! # ! # ! 露天开采的有利和不利因素 万方数据 目前我国有色金属矿石产量的 *"- 是用露天
采用崩落采矿法后， 进行采场结构参数优化， 揭示随 采场结构参数变化而变化的地压显现规律， 从而有 效地控制采场地压显现； 根据优化决策的采场结构 参数， 研究不同回采顺序和开采工艺情况下的采场 地压显现规律， 从而确定合理的采矿顺序和回采工 艺， 同时开展采场进路稳定性评价与最优控制技术 研究工作， 改善采场围岩中巷道或进路的应力环境， 从而提高巷道的稳定性。 ! " # " $ 崩落开采岩层移动机理与移动规律 目前对于沉积岩类的层状结构 （多为煤系岩层） 的崩落法采矿的岩层移动规律与参数预测研究较为 深入和可靠， 而复杂的金属矿山的移动研究还在探 索阶段， 针对三矿区的开采设计需要， 该研究将揭示 围岩物理力学条件及开采状况等因素对岩层移动的 影响程度和变化规律。提出可供采矿设计的岩层移 动参数， 即移动角和崩落角。探索出有效地控制岩 层移动的采场结构参数、 回采工艺以及必要的工程 处理措施。 !"#"% 矿岩崩落一般有两种方式： 强制崩落和自然崩 落。两者都有必要对崩落的矿岩破坏机理进行研 究， 基于节理统计分析和力学试验， 采用模糊综合评 判法进行矿石可崩性预测， 以揭示矿岩的可崩性， 并 进而进行矿石崩落块度预测， 为采矿崩落方式选择 提供依据。 ! " # " & 开采损失与贫化预测 崩落法采矿的放矿与采场结构参数以及矿石的 静止摩擦角、 湿度、 温度等直接相关， 并决定矿石的 损失与贫化。为此， 应利用室内放矿物理模型试验， 研究放出体形状、 速率、 影响因素与变化规律； 同时， 利用随机介质理论， 采用放矿模拟程序进行放矿计 算机模拟， 并与物理模拟相互对照、 对比分析。研究 不同因素对放出速率与放出体形状的影响， 揭示影 响放矿的主要因素， 建立放出体形态函数， 进行放出 规律的定量分析和损失贫化预测。 ! " # " ’ 露天开采可行性评价 基于建立的矿区地质模型， 研究露天开采的可 行性方案： 坡角、 坡高、 开采境界、 采剥比、 基建投资、 投产时间、 边坡稳定性与失稳风险、 开采成本与投入 产出比等。 矿石可崩性预测
矿石放出体形态、 矿石损失与贫化指标以及采矿的 技术经济指标， 是采矿设计的重要依据， 也是矿山研 究所要回答的问题。同时， 为控制采场地压、 巷道稳 定性维护和回采工艺优化， 应提出关键性技术措施、 工艺、 实施方案和具体参数。针对上述目的， 应当重 视以下前期工作。 ! # " # ! 矿床地质模型 （!）矿区水文地质研究。金川三矿区地表为第 四纪沉积物所覆盖， 由于三矿区最为发育的第四纪 裂隙水直接与矿体接触， 虽然在自然降雨与矿床地 下水之间关系不密切， 但随着矿床开采崩落带的形 成， 凹槽中地下水将通过崩落裂隙流入矿坑内， 影响 矿体开采及岩体的稳定， 所以有必要进行矿区水文 地质研究。通过研究， 查明地下水来源、 分布以及与 矿床开采的关系， 以便采取疏干等处理措施； 并研究 大气降雨规律、 降雨量对矿床开采的影响， 以考虑自 然降水对开采带来的危害。 （"）矿区断裂结构揭示和节理裂隙调查。通过 钻孔或露头查明矿区断层、 剪切带主要构造断裂的 位置、 产状以及断层充填物的物理力学性质等， 进而 评价断层对工程围岩的影响范围和影响程度； 同时 开展矿区主要近矿围岩和矿体内的节理、 裂隙调查， 并进行统计分析， 确定节理密度、 产状、 间距、 长度、 闭合度、 张开度、 粗糙度、 水理性质、 胶结情况、 胶结 物成分等统计特征， 进而评价矿岩的稳定性和矿石 的可崩性。 （$）主要 岩 石 物 理 力 学 与 变 形 性 质 参 数 的 测 定。通过常规和非常规的物理力学试验， 确定三矿 区主要岩种的物理力学与变形性质参数。 （%）矿区地应力测试与变化规律预测。由于矿 区地应力受多种因素影响， 须对三矿区进行一定数 量的地应力补充测试研究。根据测试结果， 并结合 金川矿区已经进行的地应力测试结果进行全面分 析， 综合研究三矿区的地应力大小和方向以及随深 度的变化规律。 基于上述研究工作， 进行矿区工程地质综合评 价、 稳定性分类和工程地质分区， 在此基础上， 进行 地质与力学模型的建立， 并将建立的模型采用地理 信息系统进行图形显示， 建立可供三矿区工程地质 评价和数值分析的数据与图件， 为矿区开采设计和 稳定性分析提供必要的基础资料。 ! # " # " 采场结构参数和回采工艺优化 在上述研究的基础上进行采矿方法的决策。当
开采的。与地下开采比较， 露天开采具有如下的突 出优点： （!）受开采空间限制较小， 可采用大型机械设 备， 从而可大大地提高开采强度和矿石产量； （"） 劳动生产率高， 为地下开采的 * + !& 倍； （%） 开采成本低， 为地下开采的 ! . ’ + ! . %； （’） 矿石损失贫化小， 损失率和贫化率一般不超 过 %- + *- ； （*） 劳动条件好， 作业比较安全。 但金川三矿区采用露天开采可能存在以下几个 方面的问题： （!） 矿体埋藏的深度大 （约 "&&/） ， 剥离废石量 太大， 会增加剥离成本和延缓出矿时间； （"） 矿体下延深度大， 后期开采所形成的高陡边 坡维护困难， 并潜伏边坡失稳的事故隐患； （%） 三矿区北部矿体北部边缘受矿区 0! 大断裂 带影响严重， 0! 断层将影响和控制露天总体边坡的 稳定， 使得边坡角变缓， 从而增加边坡废石剥离量； （’） 尽管金川矿区曾采用过露天开采， 具有一定 的设备和经验， 但闭坑时间较久 （约 !& 年） ， 现有的 设备、 技术人员以及管理水平很难及时适应露天开 采的要求； （*） 由于露天开采的开拓需要全部建设， 而地下 开采可以考虑利用一矿区的工程， 相比之下， 露采基 建投资可能比地采还高。 尽管露天开采具有很多优点， 但是能否在三矿 区采用， 仍需要与地下开采进行详细的比较、 分析和 研究， 再作出决策。 ! # ! # " 地下开采方法拟采用的方案 基于初步分析， 三矿区如果采用地下开采， 最好 考虑采用传统的低成本崩落采矿法。尽管崩落法有
金川矿区所赋存的 " # $ 亿 ) 贫矿资源的有效开 发和利用， 不仅是扩大金川生产规模的重要举措， 而 且也是企业可持续发展的战略决策。根据金川集团 公司的发展规划， "&&" 年中澳生物浸出工艺将试投 产， 矿石主要来源于金川三矿区。因此， 三矿区贫矿 开采已提到议事日程。根据金川公司对三矿区的规 划， "&&% 年进行基建， "&&* + "&&, 年将试投产。因 此， 三矿区工程地质评价、 采矿方法选择与可行性研 究以及采矿设计所涉及的结构参数、 岩层移动规律 和放矿规律等都亟待解决。
采 矿 技 术 "’’" 年 ( 月 !& ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
多种形式， 但使用最多的仍是有底柱分段崩落法和 无底柱分段崩落法。不同的采矿方法对开采成本、 回采工艺和技术要求有显著的差异。生产系统一旦 形成， 发现不合适再进行改造， 必将给采矿带来诸多 问题， 因而需要在设计前进行深入细致的研究论证 工作， 根据全国其它矿山崩落法应用的经验， 结合金 川三矿区的具体条件， 采用崩落采矿法应注意以下 关键问题： （!）采场地压控制和巷道稳定性维护技术。国 内外很多崩落法矿山的采矿经验与教训表明， 崩落 采矿法关键问题之一是采场地压控制和巷道支护技 术。对于矿区地应力高、 围岩不稳固的矿山尤为重 要， 对此， 小官庄铁矿的采矿实践是有力的证明。不 仅围岩不稳固的崩落法采场存在地压控制和巷道变 形破坏问题， 就是对于较稳固的围岩， 在深部开采也 同样存在地压和巷道控制问题， 上海宝钢梅山铁矿 就是其中一例； （"）岩层 移 动 对 井 巷 工 程 与 地 表 建 筑 物 的 影 响。采用崩落法的一个条件就是使顶板围岩自然或 强制崩落， 形成废石层， 出矿是在该废石层下进行 的。当开采发展到一临界范围后， 崩落发展到地表， 在地表形成陷落坑。由此可见， 崩落法采矿中， 由于 人工强制 （爆破） 或自然地 （应力解除） 使围岩崩落， 采矿的井巷工程与地表建筑物应设计在影响区以 外。但采矿设计往往是在没有进行科研工作的情况 下， 根据工程类比和设计规范给出的设计参数， 很难 适应复杂多变的矿山条件。所以对很多矿山给出的 设计参数不尽合理， 致使矿山在投产运营后， 才发现 所选采矿方法难以应用， 武钢程潮铁矿便是典型实 例。此外， 鲁中小官庄铁矿也存在地表移动对井巷 工程的影响。武钢的金山店铁矿、 新疆的喀拉通克 铜镍矿也都不同程度存在岩层移动的影响。 综上所述， 崩落采矿法的特点以及所潜在的岩 层移动问题， 已经给国内外不少矿山带来很多麻烦 和难以解决的问题， 致使企业陷入困境。所以， 金川 三矿区的开采设计必须引起我们的高度重视、 应尽 早针对设计决策遇到的地表岩层移动等问题开展前 期研究工作。 !#" 前期研究工作 三矿区为尚待设计开采的矿山， 进行采矿方法 的优化选择， 使得技术更合理、 经济效益最显著、 生 产安全较可靠， 是矿山研究的主要目的。其次， 揭示 万方数据 崩落法采场的地压显现规律、 预测岩层移动参数和
第 # 卷第 $ 期王福玉 高 谦 ! ( 金川 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
第"卷 第%期 123# " 42# %
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! " # " ( 经济技术指标优化与成本预测 三矿区开采的主要问题在于开采技术经济指标 和采矿的经济效益。因此， 对所选择的采矿方法、 回 采工艺和采矿成本进行经济技术指标评价预测， 以 便对三矿区的开采投入与产出有一个初步认识， 并 在此基础上作出最后决策。
金川三矿区开采设计中的关键技术与研究途径
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要： 对金川三矿区开采设计中的采矿方法选择、 采矿方案决策以及采矿设计中所涉及
的关键技术问题进行探讨， 提出了开展此项研究的必要性、 研究内容、 技术路线和实施方 案， 供即将进行的金川三矿区开采设计参考。 关键词： 采矿方法； 方案选择； 崩落采矿法； 采场地压控制