康家湾铅锌矿水体下矿床的开采设计与实践.doc

康家湾铅锌矿水体下矿床的开采设计与实践c/康家湾铅锌矿水体下矿床的开采设计与实践长沙有色冶金设计研究院黄焕文一提要康家社经验公式进行修改后类似的矿山参考在水体下的矿床开采设计中,对国外的所确立的新计算公式,经在该矿的应用与设计实践证明是成功的.可供关键词安全开采深度缺蚀防水矿柱1矿区水文地质概况康家湾铅锌金矿为一大型铅锌金多金属矿床.矿区储量可观,品位高.开采价值大.矿区内矿带南北长2500m,东西宽150700m.主矿体有7个,呈似层状和透境状产出,矿体走向近乎南北,东翼东倾,倾角l0.35.:西翼西倾,倾角5.25;顶部近于水平.矿体随倒转背斜由南往北逐渐抬起,扬起角8.矿体南端距地表590m,北端距地袁159m矿区内矿体上部康家溪纵贯全区,汛期洪泛面积达3.3km,水文地质复杂,为一典型的水体下开采矿床.矿区矿体上部主要有二个含水层,其中含水层已预先疏干,对矿床影响不大;I含水层静储量大,且与地表有水力联系.I含水层与矿体之间虽有隔水层,但由于部分地段隔水层缺蚀及次级构造不清,且部分勘探钻孔封孔部位对开采不利.所以在开采设计时应考虑采取措施,不允许地表塌陷.同时.也不允许因开采而产生导水裂隙带发育超过陌水层和相对隔水层.而将地表水患导入坑内.造成淹井事故.2水体下矿床安全开采深度的确定及防水矿柱的预留黄焕文高级工程师长抄市410011矿区水体下安全开采深度计算公式的选择与确定,涉及到矿床防水矿柱的预留,是关系到矿山井下安全开采的头等重要问题.这就要求设计必须慎重严谨,在设计方案上必须稳妥可靠.水体下开采,对设计来说,主要是防止由于井下采动,地表水经导水裂隙带下泄至采空区而造成的淹井事故.因此,要确保水体下的安全开采,设计必须首先确定导水裂隙带的高度,进而确定井下安全开采的深度.然而,井下开采所引起顶板覆岩的冒落高度及导水裂隙带发育的高度与大小,这是一个十分复杂的问题,它受多方面因素的影响,诸如矿体厚度顶板覆岩的岩性岩体力学裂隙节理断层构造采矿方法,充填工艺及其质量等.迄今,国内金属矿山.对于安全开采深度的计算及其实际观测资料尚少,有待努力.就国外金属矿山而言,对此研究的亦不多,可查的资料也很少.其安全开采深度的计算式,除煤炭系统用得比较成熟,广泛外,而在金属矿山.因地质条件复杂,各矿差异极大,迄今无成熟的经验公式可借鉴.怎样结合康家湾铅锌金矿的实际情况,选择适宜的计算式,合理确定其安全开采深度,这是一个十分重要的问题.为此,我们曾对国内外的各种经验公式,在各种不同的条件下,变换不同的参数,进行了/17大量的计算.并获得计算数据近百个,而且我们对各种公式的计算结果进行了分析研究认为:用前苏联在大型煤矿中深厚比的计算式,计算康家湾矿区的安全开采深度H>688m,太大:用英美等国跨深比计算该矿的H>750m.同样大;用匈牙刺,捷克,日本等国煤矿的计算式H>350450m,也大:波兰煤矿有丰富的开采经验.但将计算式用于康家湾矿区时,H>395m,亦大.虽然国外的开采是成功的,但用在康家湾矿区却是不行的.田为井下留矿柱量太大,几乎无法开采.田此.不能生搬硬套国外的经验公式,而不顾康家湾矿区的具体情况.为此,我们根据国内锡矿山凤凰山铜矿,湘锰等金属矿山水体下开采的经验,同时参照国内27个煤矿水体下开采所应用的经验公式.经全面分析后认为,水体下开采的关键是,只要井下开采不破坏隔水屡或相对陌水层.且加上一定厚度的保护层.则水体下的开采应是安全的.据此.我们认定,采用三带理论较为适宜,且可靠性强.因而在设计中我们对有关公式进行了试算,并对结果和公式叉进行了分析研究.最后得出,由于某些公式和参数在使用条件改变后,必须作适当调整,否则会导致计算结果的不合理.田此.我们对水体下开采的三带理论计算式进行了如下的修改后应用.2.1皇落高度计算公式当矿体被开采后,形成了冒落区,其冒落高度用下式计算:H冒=式中:Mfk1)COSetM矿体厚度(m)k一剩余松散系数1.21.上式适用于崩落采矿法,因为该式表明,空区的冒落高度H与矿体厚度成正比.这就是说空区的存在,是冒落的根本原因.若将冒落空区全部充填接顶,使冒落空区减少到很小或不存在,则冒落停止.因此,对于采用充填采矿法.上式就不适用了若在充填时.充满系数90%95%,则未充满系数I71=5%一1O%,此时,冒落高度计算式可改写为:,(1-)MlM1=了虽然空区被充填了.但由于充填后的沉降,压缩及接顶不严以及充填体的收缩等原因.因而充填体顶部仍残留一定的空区.据有关资料.其沉降压缩系数j2=2%5%,则残留空区的高度计算式应为:和啦:!(k一1)COSoc最终的空区冒落高度应为上述二部分之;1COSoc=fk)M(k一1)COS为使设计简化,式中为未充满系数和沉降压缩系数之和,对于胶结和尾矿充填.其值可取0.20.32.2裂隙带高度计算对于缓倾斜矿体.坚硬岩石.不考虑裂隙带上段导水性很弱的微裂带.只计入导水裂隙带与冒落带高度之和,在充分采动时,裂隙带高度可用下式计算:H=100M+PIM2酉+7.34式中:,M符号同前2.3保护层厚度设计考虑到开采和地质条件的复杂性,在裂晾带上再增加一保护层厚度,根据康家湾矿区地质剖面图查得,隔水层或相对隔水层系由基岩组成,故取保护层厚度S=20m2.4安全开采深度的确定根据上述冒落带,裂隙带的计算式,刚可求出安垒开采深度的计算式:H=H+H+S?l8?2.5防水矿柱的预留设计考虑到井下开采的安全问题,故设计中首先采取措施不允许地表塌陷,也不允许井下开采所产生的导水裂隙带发育超过隔水层.凡有可能产生破坏的地方.均采取预留防水矿柱的办法解决.据此,设计根据前述计算式和20余个地质剖面【墨】.进行r大量的计算工作,计算数据1180个.并将计算结果在各剖面图上逐点标出,同时将各点联成线,即得出安全开采高度的分界线.然后将安全于E栗高度分界线超出隔水层和相对隔水层的剖面图选出,并在平面图中绘出预留防水矿柱的范围并计算出矿量.根据所作lT作的结果,设计决定需在103,107,111,115139等勘探线部位预留防水矿柱,才能确保井下的安全.3矿区安全矿柱预留的总体布置设计考虑到矿区矿体南北走向长(达2500m),东西跨度宽(达50700m).康家溪纵冕全区.洪泛面积3.3km2水文地质复杂的情况.为确保水体下采矿的安全.在总体设计上预留区间矿柱,在含水层薄及有可能被采动破坏的部位,需预留防水矿柱.整个井下采用胶结充填与水砂充填.全矿区采用j步骤的回采方案,具体作法如下:(】)在矿区南北走向上每隔1OOm间距预留68m的区间安金矿柱:(2)在1OOm范围内划分为矿房矿柱,分步骤回采,用胶结充填法采矿柱.水砂充填法采矿房:(3)在条件适宜时,再用第三步骤回采区间安全矿柱:(4)设计在隔水层有可能被采矿破坏的部位(如103,1071lI,l15,139等勘探线部位),预留防水矿柱(见囝lJ.预留的矿量为l93万t(9中段以上).(5)在隔水层缺蚀部位,如lI3和II5线预留防水矿柱:(6)所顶留的防水矿柱,矿山在生产实践中取得经验后,可根据具体情况,采用胶结充填法回采或放到矿山后期回采.为r减小开采后的顶板岩层的冒落高度和裂隙发育高度.设计要求分二步骤回采的胶结充填和尾砂充填.均应提高充填质量和接顶率.4水体下开采顶板岩石稳定性评价矿区矿体的直接顶板大部分由硅化破碎带的硅质角砾岩和燧石角砾岩组成,厚度?般数米至数十米.岩石罩硬.抗压强度高,有的高达240MPa,岩石风化能力也很强,而构成了较好的顶板条件.当矿体采动后,空区顶板岩层的应力向矿体两帮传递.在采动初期,由于暴露面积小,顶板岩层及两帮矿体都不会超过其自身的强度极限:但随着采空区的不断增大.矿体及围岩的应力集中不断增大,达到一定程度后就会使之破坏尤其是对这种坚硬岩石顶板要特别注意,不能超过其极限麻力,应保持舍理的矿房尺寸(1016m),否则将会产生突然的冒顶事故.因此.当空区达到定程度后,应及时充填,减少暴露面积,降低顶板暴露高度和应力集中系数,其预期效果是可以达到的.这也就是说,矿房的宽度和分层高度在生产中只要控制合理,即使在隔水层薄的部位.只要不发生冒落,并且作好密实的充填接顶.使冒落带高度很小或不存在冒落空l可,则所产生的裂隙带高度亦不会很大,则水体下的开采应是安全的.5结语(1J该矿是.个探采结合进行建设的矿山.矿山于1989年投产.至今已吐产10年r.矿山在水体下安全地进行了5个中段的回采.采出矿石约160万t.实践证明.该?l9?101l1107109】ll113】151|7119I,/一./寸一K|ld_一,/一=一,古承屠界限_一一嚣=多套z盈翟翻m.剖面图一|Ol1ol1117l091lll13115】17119/一/已,7j(平面圈图例囹安全开采深度界面l顶留防水矿柱圉1防水矿柱示意图矿的设计,建设和生产是成功的.(2)康家湾铅锌金矿复杂的水体下的开采设计中,对国外的三带理论经验公式,经修改后所确立的计算公式,在该矿的应用与设计,经实践证明是成功的,可供类似矿山参考.(3)康家湾铅锌金矿的设计实践证明r,只要合理的预留矿拄和合理的回采顺序,并应用胶结充填和水砂充填,进行二步骤的回采,同时切实作好充填接顶工作,则水体下的开采是可行的.(4)应当提出的是,该矿初步设计是在评价地质报告的基础上完成的.随着矿山投产后,采掘与生探丁作的不断进行,资料已剖