上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

劉曉軍

[摘 要]近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活對礦產(chǎn)資源需求量的不斷增加，礦產(chǎn)資源變得越來越少，如何高效合理、經(jīng)濟安全的開采與利用礦產(chǎn)資源，已成為礦產(chǎn)資源開發(fā)者當前所迫切需要解決的問題。上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法以其低貧化率、高回收率等優(yōu)點在礦產(chǎn)資源的開采中的得到了很好的應用并取得了突破性的進展，尤其是資源價值較高、開采難度較大的礦床。本文主要介紹了礦山有關(guān)內(nèi)容，尾砂膠結(jié)充填采礦法的沉積特征，以及上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的策略。

[關(guān)鍵詞]上向進路式；尾砂膠結(jié)充填采礦法；采場結(jié)構(gòu)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TD862 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）06-0040-01

前言：在礦山資源開采過程中，采場結(jié)構(gòu)參數(shù)設置是否合理直接關(guān)系到礦產(chǎn)資源生產(chǎn)效率的高低和質(zhì)量的好壞。傳統(tǒng)確定采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法不僅會消耗大量的礦產(chǎn)資源，而且難以實現(xiàn)對各種回采方案中的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進行對比分析，從而制約了參數(shù)的進一步優(yōu)化。同時，礦產(chǎn)資源正在不斷的減少，如果不盡快采取有效的拯救措施勢必會造成礦產(chǎn)資源的枯竭，進而對社會生產(chǎn)和人類正常生活產(chǎn)生極大的影響。實踐表明，上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法在菜場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面發(fā)揮著重要的作用。

1 礦山相關(guān)內(nèi)容概述

1.1礦山地質(zhì)

某銅礦分為南、北兩大礦帶，是一種大型的銅硫礦。南礦帶是一座銅礦山，礦石蘊藏量豐富，距地表較淺，礦石以黃銅礦為主，品位較高，其硫含量高達30%左右，易自燃，礦石回采難度極大。該銅礦試驗采場位于石炭系中統(tǒng)黃龍階灰?guī)r與泥盆系上統(tǒng)五通組砂巖的層間破碎帶中，傾角為58°到67°之間，局部地段坡度達72°到84°之間，礦體呈似層狀順序產(chǎn)出[1]。

該銅礦礦石深部為含銅碳酸巖和含銅矽卡巖，淺部為含銅高芩土和含銅黃鐵礦。礦石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造種類繁多、形狀各異，例如結(jié)構(gòu)有共邊結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、晶狀結(jié)構(gòu)、溶蝕結(jié)構(gòu)等，構(gòu)造有脈狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造等。銅礦頂部主要以大理巖和白云巖為主，局部區(qū)域還有花崗閃長巖、高芩土等；底部多為含礫石英砂巖，同時還含有較多的花崗閃長巖。礦體附近存在的淺部火成巖由于遭受了強烈的風化，現(xiàn)已變成不良的礦石地質(zhì)土體。

1.2充填工藝

為合理開發(fā)礦山資源、節(jié)約生產(chǎn)成本，該銅礦現(xiàn)已在試驗采場采用上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法進行礦產(chǎn)資源的生產(chǎn)。在實施充填工藝時，該礦選擇尾砂作為骨料，水泥作為膠結(jié)劑，共同作為充填材料。其中對于所用尾砂要求大于74微米的砂礫比例應為66%左右，大于36微米的尾砂比例應為92%左右。同時，尾砂濃度要保證在51%到56%之間，通過礦山附近的泵站，經(jīng)由長度為13km的管道泵送至充填材料制備砂倉中，從而完成充填材料的制備。水泥使用的是普通的硅酸鹽散裝水泥，利用專用水泥運輸車將其運送至膠結(jié)劑制備場地，然后再通過壓氣運輸?shù)剿鄡渑搩?nèi)等待使用[2]。

該礦山充填材料制備倉具有兩個獨立的制漿系統(tǒng)， 每個制漿系統(tǒng)的制漿能力為65到100m3/h，且均具備一個水泥倉、一個砂倉、一個攪拌罐以及一些其他必須的機械設備和控制儀表等。砂倉底部安裝有兩套放砂虹吸放砂裝置。在正常礦產(chǎn)資源生產(chǎn)過程中，其中一個系統(tǒng)正常工作，一個系統(tǒng)作為備用，如果有需要可以讓兩個系統(tǒng)同時運行。充填材料制備倉將制備好的濃度高于66%的充填砂漿通過相應的鉆孔和水平鐵管自然流入到下盤中，然后再將其輸送到增強塑料管內(nèi)，最終運送到采場的待充上向進路內(nèi)。

2 尾砂膠結(jié)充填材料的沉積特征

在使用上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法時，充填體的強度與水泥含量、尾砂顆粒等級等有著直接的關(guān)系。進路充填有溢流和不溢流兩種狀態(tài)，尾砂膠結(jié)在高度方向與走向上均有沉積流動現(xiàn)象。因此，要想得到強度較高的充填體就需要對充填材料及其料將在上向進路中的沉積情況進行分析和了解。

充填材料正常呈層狀沉積，且成層處具有由充填料漿離析所引起的明顯可見的、較粗的砂礫。隨著上向流速的逐漸增加，層狀沉積逐漸變得模糊，而沉積層狀的消失正意味著充填體的更為均質(zhì)。根據(jù)對充填過程中層狀沉積條紋與粗砂堆積角的測定結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在充填料點在初始位置時，高低濃度的堆積角基本相同，當達到中間充填料位置時，高低濃度粗砂的堆積角則存在較大的差異，隨著堆積角的逐漸變大，高濃度的粗砂堆積角幾乎沒有發(fā)生變化，而低濃度的粗砂堆積角卻有了明顯的增大。濃度較高，充填料的沉降值越小，從而充填料的接頂效果就越好[3]。

3 上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化策略

3.1基本條件假設

一般礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和節(jié)理分布都較為復雜，尤其是位于地下的礦山。采場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和參數(shù)確定除了受地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜影響之外，還受許多其他因素影響。因此，為了保證所建模型檢驗結(jié)果的準確性和可靠性，為了簡化計算，為了實現(xiàn)上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)的真正優(yōu)化，在模型的建立過程中需要作一些基本的假設。

第一，由于充填材料具有沉降性特點，使得充填物體通常難以與礦山頂端銜接，因而在模型建立過程中需將其忽略。

第二，假設礦巖、圍巖等的各項組成是同類型的均質(zhì)材料，且為理性的彈塑性巖體。

第三，在計算過程中忽略由礦石構(gòu)造應力等對圍巖穩(wěn)定性造成的影響，僅考慮重力和地應力的作用。

3.2建立三維模型

三維模型的建立需要遵守一定的原則，包括模擬采空區(qū)高度應為礦石回采過程中的最大采空區(qū)高度，通常為3m左右；礦山開采后，采場周圍應力發(fā)生變化，一般影響程度在采空區(qū)的3到5倍之間，此時為保證模型的準確性，取采空區(qū)的4倍；礦山深部地質(zhì)構(gòu)造復雜，需要對其礦體回采深度、回采過程、開采形狀和采空區(qū)狀態(tài)等進行必要的簡化；由于實際礦產(chǎn)回采過程中的上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采用的是不同的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，所以在建立三維模型時，也應采用不同方式的采場長度和跨度組合[4]。

上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法主要考察的是礦體頂部與人工膠結(jié)礦柱體的穩(wěn)定性情況，在實際使用中必須要能夠保證礦體頂部和人工膠結(jié)礦柱體是處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)下。模型建立在全部礦房進行第一步回采和開采，在第一步礦房回采尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)，讓全部礦房同時進行回采，然后根據(jù)不同的采場長度、跨度建立4種三維模型。在將各種充填材料的屬性輸入到四個模型當中的同時，對實體的局部尺寸進行嚴格的控制，以提高計算結(jié)果的準確性。通過采用科學的分析方法和計算工具對這四種模型進行數(shù)值分析與評估，選出其中最優(yōu)的模型，用于優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)中的參數(shù)。

總結(jié)：通過文章對某銅礦礦山地質(zhì)、充填工藝與上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法應用情況的分析可知，上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法不僅顯著提高了礦產(chǎn)資源生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，而且有效降低了生產(chǎn)成本，改善了該礦山原有采場結(jié)構(gòu)中存在的不足。根據(jù)我國當前多數(shù)礦產(chǎn)資源開發(fā)情況和其中存在的問題，文章提出了上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的具體策略，旨在促進上向進路式尾砂膠結(jié)充填采礦法可以得到進一步的完善，可以發(fā)揮更大化的效用。

參考文獻

[1]王東華. 上向分層全尾砂膠結(jié)充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D].武漢理工大學，2012.

[2]李海港. 下向分級尾砂膠結(jié)充填法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗與數(shù)值模擬[D].江西理工大學，2007.

[3]秦艷華. 大斷面進路下尾砂膠結(jié)充填體穩(wěn)定性機理與試驗研究[D].江西理工大學，2008.

[4]廖亮. 下向膠結(jié)充填采礦法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及穩(wěn)定性研究[D].江西理工大學，2011.