8-新城金矿厚大破碎矿体安全高效回采技术研究

新城金矿厚大破碎矿体安全高效回采

技术研究

一、研究背景

新城金矿经过多年的开采，中浅部主矿体已经回采结束，生产重心向深部V#矿体转移。受“三高一扰动”影响，深部岩石破碎，节理裂隙发育，整体性差；另外二步采场受多种因素影响，岩石愈加破碎，极易出现冒顶、片帮，严重制约生产效率，也带来更大的安全隐患。具体表现为：

(1) 深部资源量不足，品位负变严重，开采难度增大。随着-680m中段采场陆续回采结束，-730m及以下中段矿体厚度变小，夹石增多，矿体不连续且品位较低，可采矿量较少。V#矿体自露头延深至深部中段矿体厚度变小，夹石增多，矿体不连续且品位较低，可采矿量较少，矿山现有的采掘铲运设备不具备使用条件，极大地制约了回采工作的顺利进行，回采难度增加，生产效率降低。

(2) 受断裂带构造影响，顶板稳定性渐差，支护工作繁重。V#矿体上盘距离焦家断裂带距离较近，受其地质构造影响，在巷道掘进过程与采场回采过程中顶板可见明显失稳现象，随开采深度不断下降，这一情形将持续出现，需投入更多的支护资金，由此造成采矿成本上升。因此急需改善支护条件，选用合适的支护形式及参数，控制成本，达到高效稳定开采的目的。

(3) 矿体赋存条件制约，生产效率难以得到保障，难以满足不断增长的生产能力要求。V#矿体随埋深下降，分支复合情况严重，矿体总体呈多脉状，分支多、矿脉厚度不稳定、常规方法开采势必会造成资源损失与贫化，且据地质报告内容，深部矿石品位负变情况不甚乐观。因此需将资源的损失与贫化控制在合理的范围内，确保生产效率与资源回收率的动态平衡，保证矿山效益与持续发展。

(4) 二步采场受一步采场充填滤水渗流影响严重，围岩安全问题突出。V#矿体岩石性质复杂、裂隙发育。一步采场由于开采围岩环境为原岩，采场围岩条件较好，且用长锚索对顶板进行加固，有效地避免了围岩破坏。但随着二步采场逐渐进入上分段开采，二步采场围岩条件将逐渐恶化。

鉴于此，为满足新的生产规模和形势，保证矿山持续有序高速发展，有必要对新城金矿深部厚大破碎矿体采矿方法进行专门研究，提高采场生产能力、稳定性和采矿作业效率，实现新城金矿断裂带下倾斜厚大破碎矿体安全、高效、低贫损、低成本开采。

二、研究内容

（一）岩石力学实验

1．岩石静载实验

为了解不同深度矿体及围岩的力学特性，以便为岩体质量的评价研究提供依据。对矿区-830m、-930m中段的矿体及上下盘围岩进行取样，通过抗压实验、抗拉实验及抗剪实验，获得标准试件力学特性参数包括抗拉、抗压、抗剪强度及内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比等参数。

2．实验结果分析

通过上述实验，得到了深部矿岩的基本物理力学参数，为岩体质量分级与稳定性评价、采场结构参数优化等研究工作提供了基础数据。

图1 -830m中段岩石剪切实验参数关系图

（二）节理裂隙调查及深部岩体质量评价体系

1．现场节理裂隙调查

节理裂隙是一种常见的地质构造现象，其成因是岩体在应力作用下形成的结构面，为断裂构造的一种。在采矿工程中，节理裂隙发育的方位、数量、大小以及形态的不同，控制了矿体及其围岩的稳定性、破坏模式和破坏程度。在本项目研究工作中，调查矿区节理、裂隙的产状、规模、密度、形态，除对单个节理、裂隙的形态进行描述外，主要对它们的组合关系进行统计研究。

整个调查区域共用测线法调查节理613条，得到了节理倾角范围主要为60°~90°，分析统计的数据表明：总体上，节理裂隙越往深部越发育，岩体完整性越差的趋势。

图4 节理裂隙统计结果图

2．深部岩体质量分级

采用IRMR法进行岩体质量分级，由结果可知，深部-830m中段的上盘围岩为Ⅳ级岩体，矿体和下盘岩体均为Ⅲ级岩体；-930m中段的上盘围岩为V级岩体，矿体为Ⅳ级岩体，而下盘岩体则为Ⅲ级岩体。对于Ⅲ岩体采场在局部破碎地区应两帮喷混凝土，顶板安装锚杆，设金属网。Ⅳ岩体的采场顶板须安装锚杆，设金属网。V级岩体极不稳固，无自稳能力。

（三）支护方案设计

目前比较成熟的锚杆支护作用有：悬吊作用、组合梁作用、组合拱（压缩拱）作用、减跨作用、最大水平应力作用以及近年来新提出的巷道锚杆支护围岩加固作用。结合岩体质量分级，确定采场进路的支护方式为锚杆加穿带联合支护：锚杆为管缝式锚杆，外径40mm，长度1.8m，间排距1000mm×1000mm。托盘孔径40mm，托盘长140mm，宽140mm，托盘厚6mm。穿带的钢筋直径12mm，钢带宽65mm，两钢筋间隔100mm用同径钢筋焊接，间距45mm，穿带长2000mm。

采场中比较破碎区域的支护方式为锚网支护或锚网加穿带联合支护：锚杆为管缝式锚杆，外径40mm，长度1.8m，间排距1000mm×1000mm。托盘孔径40mm，托盘长140mm，宽140mm，托盘厚6mm。金属网由直径6mm、网度100mm×100mm的镀锌铁丝制成。

（四）采矿方法优选及参数优化

针对新城金矿深部开采存在的问题，结合新城金矿厚大破碎矿体特点，最终确定应力拱上向水平分层充填采矿法作为最佳采矿方法；采高3.5m，中间采场采宽8m，两翼采场采宽7m为最佳采场参数。

三、主要创新点

（一）创造性的提出了应力拱上向水平分层充填采矿法回采厚大破碎矿体。

传统上向水平分层充填采矿法是采用隔一采一的回采顺序，一步采场回采一定高度后，对二步采场进行回采。二步采场两帮为一步采场充填体，主要靠摩擦力支撑；另外二步采场顶板受到地应力作用、爆破扰动、充填水作用以及两帮充填体沉降的下拉力影响，极其破碎。

图5 传统上向水平分层充填采矿方法

回采示意图

应力拱上向水平分层充填采矿法是在上向水平分层充填采矿法的基础上，优先对盘区中间采场回采，然后依次回采两翼采场，利用一步半采场代替二步采场。一步半采场一帮为充填体，一帮为原岩。爆破扰动、充填体沉降、充填水等影响降低，顶板稳定性提高。

图6 应力拱上向水平分层充填采矿法

回采示意图

通过该方法，较好的解决了上向水平分层充填采矿法中地应力集中、二步采场多、围岩条件差、支护工程量大、安全性差，回采效率低，贫化损失率高的问题。

（三）根据岩石力学数据，通过ANSYS、FLAC3D等三维软件数值模拟计算，得到最佳采场参数。

将采场宽度6m、7m、8m，采场高度3.5m、4m的5种采场结构，采用数值模拟技术，对应力拱回采的不同时期：第一分段第三分层，第二分段第三分层，第三分段三分层时期进行分析对比。

a. 开采时期一 b. 开采时期二 c. 开采时期三

图7 模拟过程不同开采时期示意图

综合岩石抗拉强度等力学参数与最大应力云图，如图8所示，最大位移变形量如图9所示，塑性区面积等，并将最后结果进行汇总分析。在综合考虑生产能力与采场尺寸、开采稳定性以及三者之间的相互制约关系后，最终确定采场最佳结构参数为：采高3.5m，中间采场采宽8m，两翼采场采宽7m。

图8 不同开采时期应力云图

图9 不同开采时期位移云图

四、效益分析

(一)经济效益

在深部中段盘区开展应力拱上向水平分层充填采矿法工业试验，取得了技术上和经济上的巨大成果。通过应力拱上向水平分层充填采矿法，二步采场数量减少，一步半采场增多，回采过程中尾砂混入减少，支护工程量及贫损两率下降，回采安全性得到大幅提高。

表1 经济、技术参数对比表

综合考虑各项生产成本，2018年新增经济效益1900余万元。

（二）社会效益

通过采用应力拱上向水平分层充填采矿法，采场围岩稳定性变好，尤其是两翼一步半采场顶板条件明显优于二步采场，支护工程量减少，生产效率提高。该方法能够有效控制深部采场地压，改善深部厚大破碎矿体回采作业环境，提高生产安全及生产效率。下一步将总结工业试验的经验，进一步优化，逐渐在深部中段推广。