急傾斜特厚鉀鹽礦床開采方案選擇

石 亮

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司)

急傾斜特厚鉀鹽礦床在哈薩克斯坦、德國廣泛分布[1]，一般都達到20 m以上，由于礦井設(shè)計理念的限制以及采掘設(shè)備落后，導致此類條件的礦體開采難度較大，大大限制了鉀鹽資源的開發(fā)。隨著采掘設(shè)備的不斷發(fā)展，懸臂式掘進機、連續(xù)采礦機[2-4]等一批先進的設(shè)備逐漸應(yīng)用于老撾地區(qū)近水平固體鉀鹽礦山開采中，應(yīng)用效果良好，由于地質(zhì)條件的限制及開采工藝設(shè)計的不合理，機械化落礦設(shè)備在急傾斜鉀鹽礦體的開采中應(yīng)用效果不佳[5-8]，嚴重制約著此類礦床的規(guī)?；_采。本文在充分研究地質(zhì)條件及設(shè)備性能的基礎(chǔ)上，以房柱法為基礎(chǔ)，將連續(xù)采礦機機械化開采工藝與充填工藝相結(jié)合，形成連續(xù)采礦機機械化充填開采工藝，為提高鉀鹽礦山機械化程度及資源回收率奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 開采技術(shù)條件

礦區(qū)的鉀鹽礦體主要分為上鉀鹽層和下鉀鹽層。雜鹵石巖石屬于下鉀鹽層，而鉀石鹽和鉀石鹽-光鹵石屬于上鉀鹽層。鉀石鹽礦層主要分為Ⅰ、Ⅱ?qū)?，埋深?40～675 m。東翼礦體走向南北長6～8 km，傾向接近南北向，傾向延伸250～500 m,其中,Ⅰ礦層厚2.4～69.5 m,平均厚24.2 m，Ⅱ礦層厚5.6～43.1 m，平均厚18 m。K2O品位為19.14%～21.51%。西翼Ⅰ和Ⅱ?qū)邮仟毩⒌?礦體走向南北長1～2 km，其中,Ⅰ礦層厚7.1～25.75 m,平均厚21.1 m，Ⅱ礦層厚20.25～60.6 m，平均厚37.65 m，K2O品位為19.145%～21.51%。本文研究對象為上層鉀石鹽礦體，這些地層的發(fā)展區(qū)比雜鹵石的面積要小,層面是以南北走向的板狀透鏡體的形式存在。開采對象屬于鉀石鹽的東翼南部礦體，礦體北面傾角為40°～65°，平均為50°，向南傾角變緩，平均傾角為25°，鉀石鹽頂板為石鹽層，底板為硫酸鹽和石鹽的互混層，頂?shù)装鍘r性較穩(wěn)固。

2 采礦方案

由于礦體為固體鹽類礦床，不允許頂板冒落，嚴防淡水的進入和溶蝕礦體[9]，排除崩落法采礦，設(shè)計以房柱法為主。根據(jù)礦體的產(chǎn)狀和開采技術(shù)條件，參考類似礦山開采經(jīng)驗，初步選擇鑿巖爆破房柱法方案和連續(xù)采礦機房柱法方案。

2.1 鑿巖爆破房柱法方案

沿礦體走向每隔60 m劃分一個礦塊，垂直方向每15 m為一個分段，留10 m頂柱。在礦體底板距離礦體20 m位置設(shè)一條分段巷道，分段巷道通過石門與盤區(qū)斜坡道連通，分段巷道通過布置在礦柱中間的穿脈巷道與脈內(nèi)鑿巖巷道連通，最下面一個分段作為集礦塹溝。每個礦房內(nèi)布置4條出礦進路，連接中段運輸巷道和集礦塹溝。每個礦房中央設(shè)一條切割天井，將各分段脈內(nèi)鑿巖巷道與上部中段巷道連通。當?shù)V房完成切割工作后進行回采。鑿巖爆破房柱法見圖1。

圖1 鑿巖爆破房柱法示意

從礦房中央向兩端后退式自上而下回采。在分段鑿巖巷道內(nèi)采用鑿巖臺車施工上向中深孔，孔徑為55～65 mm，最小抵抗線為3 m，孔間距控制在1.5～1.8 m，各分段每次爆破一排孔。采用BQ-50A型裝藥器裝藥，非電雷管起爆。爆破后先通風 30 min，處理浮石后用鏟運機從出礦進路鏟裝入無軌運輸汽車，運至采區(qū)溜井。

2.2 連續(xù)采礦機房柱法方案

2.2.1 采場布置

中段高80 m，采用脈外采準，沿走向500 m劃分盤區(qū)，在每個盤區(qū)中央底板脈外布置一條采場溜井，分段高度為16 m，每個分段在每個分層開采時底板脈外布置一條分段平巷，分段平巷離礦體水平距離約40 m，礦塊沿走向布置，長度為50 m，從分段平巷按不大于20%的坡度掘分層聯(lián)絡(luò)道進入礦體，第一分層高4 m，其余分層高4.5 m。礦塊之間為間隔開采，留4 m寬間柱，5 m厚頂?shù)字?。連續(xù)采礦機房柱法見圖2。

圖2 連續(xù)采礦機房柱法示意

2.2.2 回采及出礦

中段內(nèi)從下往上回采，每個分段內(nèi)從上往下回采，連采機通過脈外斜坡道和分段聯(lián)絡(luò)道進入盤區(qū)后，沿著脈內(nèi)回風巷道從盤區(qū)端部向中間進行后退式回采，采完上層之后通過掘進一條平向的分層聯(lián)絡(luò)道進入第二層回采，采完第二層后，掘進一條下向式分層聯(lián)絡(luò)道進入第三層礦體回采。

分層回采采用連采機切割礦石，采場一般用電動鏟運機出礦，個別鏟運距離遠的采場用2臺鏟運機倒運出礦。采用TORO007型電動鏟運機出礦。采場礦石由鏟運機運到采場礦石溜井，經(jīng)溜井下放到中段運輸水平，在中段用膠帶運到主運輸巷道，通過主溜井落到主井運礦水平，最后通過主井提升到地表。

2.2.3 采空區(qū)充填

中段的第一個分層回采結(jié)束后，將充填管道布置在上分段的回風兼充填巷道，充填管通過采場回風充填井下到充填分層。采用選礦的尾鹽和蒸發(fā)之后的鹵水以及部分井下的礦坑水混合后的充填體充填。在生產(chǎn)期盡可能將掘進廢石用于分層下部充填，達到廢石不出坑。分層充填前在每個礦房之間安裝擋墻，封閉充填區(qū)域。

2.2.4 底柱穩(wěn)定性分析

(1)按固支梁計算。底柱垮落前所能承受的極限載荷為

q≤(2h2RT)/l2，

(1)

為使所留設(shè)的底柱不致垮落，則

(2)

q=q1+q2,

(3)

q1=γh,

(4)

q2=γvh/Δt,

(5)

(6)

式中，h為底柱高度，m；RT為底柱容重，kN/m3；l為底柱寬度，m；γ為上覆巖層平均容重，20.7 kN/m3；h為上覆巖層厚度，m；q1為上覆巖層載荷，kN；q2為沖擊載荷，kN;v為下落時瞬間速度，m/s;Δt為沖擊載荷從落地瞬間到停止運動經(jīng)歷時間，0.2 s。

計算得出h≥3.286 m。

(2)按簡支梁計算,底柱垮落前所能承受的極限載荷為

q≤(4h2RT)/(3l2) ,

(7)

為使所留設(shè)的底柱不致垮落，則

(8)

計算得出h≥4.93 m。

綜上所述，底柱不致受沖擊載荷過大而垮落。

3 采礦方案比選

鑿巖爆破房柱法方案優(yōu)點為機械投資相對小，設(shè)備維修保養(yǎng)成本低；能夠適應(yīng)不同傾角的礦體。缺點為生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，管理復(fù)雜，勞動效率低；爆破容易造成安全事故，影響頂板的穩(wěn)定性，安全性較差；工作面多，需風量大，炮煙造成井下空氣污濁，空氣質(zhì)差；深孔落礦，炮孔深度難以控制，容易超深和欠鉆，造成礦石貧化損失。

連續(xù)采礦機房柱法方案優(yōu)點為機械切割效率高，生產(chǎn)能力大，自動化程度高，工人的勞動強度?。徊汕斜容^??；需要人工少，勞動效率高；工作面少，管理簡單；機械切割采礦有利于維護頂板的穩(wěn)定；采下的礦石塊度少，不需破碎，減少作業(yè)環(huán)節(jié)。缺點為設(shè)備投資較大；傾角大的礦體只能沿走向布置盤區(qū)，人工成本高；維修保養(yǎng)成本相對較高。

兩方案技術(shù)經(jīng)濟指標對比見表1?？梢钥闯觯瑑煞桨傅V石回收率基本相當，但連續(xù)采礦機房柱法采切比及礦石貧化率明顯低于鑿巖爆破房柱法，對于采場生產(chǎn)能力及采礦工效，連續(xù)采礦機房柱法是鑿巖爆破房柱法的4～5倍和2倍。鑿巖爆破房柱法雖然操作技術(shù)要求低，但它是一種間斷式的回采工藝，勞動效率和生產(chǎn)能力均低，回采成本較高，回采率低；而連續(xù)采礦機房柱法是一種連續(xù)的回采工藝，雖然設(shè)備投資稍大，但勞動效率高，生產(chǎn)能力大，回采成本低，且鉀石鹽的強度一般為35 MPa以下，屬軟巖，易機械切割，同時連采機在煤、堿、鹽類礦中有成功的開采經(jīng)驗，因此，推薦采用連續(xù)采礦機房柱法方案。

表1 技術(shù)經(jīng)濟指標對比

4 結(jié) 論

針對某急傾斜特厚鉀鹽礦床，采用連續(xù)采礦機落礦代替了鑿巖爆破的方式，機械化程度高，勞動強度低，并與充填工藝相結(jié)合，可實現(xiàn)安全高效開采。新工藝、新技術(shù)、新裝備的成功應(yīng)用為類似條件的固體鉀鹽礦床開采提供了技術(shù)支持，是未來鉀鹽開采的發(fā)展方向，對實現(xiàn)急傾斜固體鉀鹽礦床綠色開采具有重要意義。