采矿工程毕业论文 (2).doc

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1、西安科技大学西安科技大学 毕业论文毕业论文 题题 目目 采矿系统工程的现状与发展采矿系统工程的现状与发展 姓姓 名名 孟兆奇孟兆奇 教育层次教育层次 专 科 学学 号号 09040804040 学学 校校 西西 安安 科科 技技 大大 学学 专专 业业 煤煤 炭炭 开开 采采 指导教师指导教师 沈哲沈哲 时时 间间 2012 年 4 月 9 日 成人高等教育毕业设计（论文）任务书成人高等教育毕业设计（论文）任务书 论文题目采矿系统工程的现状与发展 学生姓名 孟兆奇孟兆奇 教学站 专业班级 内 容 与 要 求 设计（论文）起止时间20 年 月 日至 20 年 月 日 指导教师签名 学生签名 年

2、月 日 西安科技大学继续教育学院毕业论文 I 摘要摘要 东大山铁矿根据矿体赋存条件，为难采矿体，建矿 40 余年来，采矿工艺一 直围绕分段采矿法进行，回收率一直在 49.25%55%之间、贫化率在 29.92%33.37%之间徘徊，难以突破。本项研究针对东大山铁矿的实际情况，以 提高回收率降低贫化率为目标，针对倾斜中厚矿体提出了上向水平分层充填采矿 法回采方案，并在 1925m 水平中段 4 穿8 穿采场进行了工业试验。结合东大山 铁矿厚矿体开采技术条件，提出了采用上向水平分条分层废石充填采矿法并在 线进行了工业试验。工业试验证明，该方法可以有效提高矿床开采强度， 降低矿石损失率及贫化率，改善

3、井下工人劳动条件，提高矿山生产能力，有效控 制矿山地压，实现了低成本开采。 关键词：关键词：采矿工艺；上向水平分层充填采矿法；矿山地压 西安科技大学继续教育学院毕业论文 II 目目 录录 前言前言1 第一章第一章 东大山铁矿开采技术条件东大山铁矿开采技术条件2 1.1 东大山铁矿开采技术条件东大山铁矿开采技术条件2 1.1.1 矿体规模、形态及产状.2 1.1.2 水文地质条件.3 1.1.3 工程地质条件.3 1.1.4 环境地质条件.4 第二章第二章 上向水平分层废石充填采矿法上向水平分层废石充填采矿法4 2.1 矿山开拓方式与生产能力矿山开拓方式与生产能力 .4 2.2 倾斜中厚矿体上向

4、水平分层废石充填法试验方案倾斜中厚矿体上向水平分层废石充填法试验方案5 2.2.1 采场结构参数及采准工程布置.5 2.2.2 回采工艺.5 2.2.3 废石充填方式.7 2.3.1 采场结构参数及采准工程布置.8 2.2.3 采场充填9 3.1 灌浆充填体强度计算灌浆充填体强度计算 .11 3.1.1 杨森公式12 3.1.2 灌浆充填体强度计算13 3.2 矿山废石粒度分级试验矿山废石粒度分级试验 .14 3.3 渗透灌浆现场试验渗透灌浆现场试验 .14 第四章第四章 工业试验情况及效益工业试验情况及效益15 4.1 项目提出的原因（背景）项目提出的原因（背景）16 4.2 项目的进一步论

5、证项目的进一步论证16 4.3. 4 穿穿8 穿倾斜中厚矿体上向水平分层废石充填法工业试验穿倾斜中厚矿体上向水平分层废石充填法工业试验.16 4.3.1.采场结构参数及采准工程布置16 4.3.2.回采工艺17 4.3.3.废石充填方式18 4.3.4.项目预期技术指标如下(按标准矿块计)18 4.4.4.4.采矿成本分析采矿成本分析18 4.5.4.5.工业试验采场经济效益工业试验采场经济效益18 4.6.上向上向水水平分平分条条分层废石充填采矿法工业试验分层废石充填采矿法工业试验19 4.7.项目开发成功的结论与经验项目开发成功的结论与经验19 西安科技大学继续教育学院毕业论文 III 结

6、结 论论21 致谢致谢23 参考文献参考文献24 西安科技大学继续教育学院毕业论文 1 前言前言 钢铁工业是发展我国国民经济的重要产业，铁矿石是钢铁工业的主要原材 料。随着改革开放的深化，经济与社会的高速发展，我国逐渐由钢铁大国转变为 钢铁强国，因此，对铁矿资源需求在不断增加。但目前国内铁矿石只能满足需求 量的 60左右，供给不足的矛盾将长期存在。 我国是一个人口众多的发展中国家，资源总量丰富，但人均占有量很少，资 源相对贫乏。矿产资源是不可再生资源，因此，珍惜有限的矿产资源对于我国国 民经济发展具有着极其重要的意义。资源的不合理开发利用，不仅是导致资源问 题的根源，也是产生其它危机，如经济、

7、环境和稳定等问题最重要的原因之一。 从某种程度上说，资源问题的发展趋势，将决定一个企业、一个区域、一个国家， 乃至全球未来发展的趋势和命运。 西安科技大学继续教育学院毕业论文 2 第一章第一章 东大山铁矿开采技术条件东大山铁矿开采技术条件 1.11.1 东大山铁矿开采技术条件东大山铁矿开采技术条件 1.1.11.1.1 矿体规模、形态及产状矿体规模、形态及产状 东大山铁矿床大地构造单元上属于阿拉善台块龙首山隆起东延部分，矿区地 层主要为前震旦系变质岩系组成。矿床成因属于沉积变质铁矿床，工业类型属鞍 山式沉积变质贫磁铁矿。矿体与围岩呈整合接触，界线一般明显，局部为过渡关 系。矿体上、下盘直接围岩

8、除混合岩化片麻岩、片岩及条带状混合岩外，局部为 斜长角闪岩或伟晶花岗岩、黑云母片岩。近矿变质岩常含较多的磁铁矿、黄铁矿 星点或黑云母、角闪石含量增加。伟晶花岗岩常具浸染状、细脉状磁铁矿、黄铁 矿化或含有铁矿俘虏体，这些特征在厚度数十厘米到 1 米左右的范围内明显。矿 体内局部见少量厚0.3m 的夹石。 含矿带总体呈北西西南东东带状延伸，线以西转为南西西向，线以东 呈近东西向，平面上呈一反“S”形，其突出部位膨大。含矿带长约 2200m，厚 50250m。主要含矿层位是、矿层。其中以矿层层位最稳定，延 长最长，由四个不连续的矿体组成（1、2、3、4矿体） ，其它零星矿体多 沿上述矿层附近分布。含

9、矿层间垂直距离除、矿层较近外（050 米、一般 30m 以内）矿层距矿层 30100m、矿层距矿层 4595m。矿体分布在矿 区中部一带，西起线西 125m，东到 0线东 130m，矿体多集中在矿区东、西部 的反“S”形转弯处。矿体在空间展布上严格受龙首山群混合岩化片麻岩、片岩、 条带状混合岩及东大山背斜控制。均产于东大山背斜南翼的混合岩化片麻岩、片 岩及条带状混合岩中。在空间展布上，无论沿走向或倾向，次要矿体多围绕主矿 体分布，且多产于主矿体下盘，二者关系密切。说明均在同一个不太稳定的沉积 环境下形成的。 矿区内共圈定出大小矿体 30 余个，参与储量计算的矿体为 29 个，其编号分 别为1、

10、2、1、2、3、4、。其中 1 21 1、2、3、为 5 个主要矿体，占总储量的 75%；、 7 11 17 为 10 个盲矿体，埋深多在 1965 米标高以下，矿体顶端垂深直距地表多百余 21 米。主矿体长 360700m，一般厚 28m，最厚 33.53m；控制最大斜深 402670m。主矿体 1965m 标高以下，一般厚 210m，最厚 33.53 米，最薄 0.97m。号盲矿体分布在线间，埋深在 1900m 标高以下，距地表 100 余 9 西安科技大学继续教育学院毕业论文 3 米，呈 305方向延伸，控制长度 236m，推测长度 336m；厚 5.025.41m，最厚 10.91m；

11、最大延深 250m 左右。号盲矿体分布在 0线间，埋深在 2000 米标 10 高以下，距地表近 80 米。其它次要矿体长数十米至 300 余米；厚 1.52.5m，最 厚 11.87m；延深近于长度或略大于长度。矿体厚度比较稳定。沿走向一般中部厚， 向两端变薄或分叉变薄尖灭；沿倾向除1矿体向下明显变厚外，其余矿体一般 向下略有变厚或变化不大的在端部变薄或分叉变薄尖灭。矿体呈似层状、透镜状、 扁豆状、豆荚状产出。沿走向及倾向存在分枝、复合及分叉尖灭现象、膨缩变化 显著。伟晶花岗岩的侵入，小构造的影响，使矿体形态复杂化。矿体产状与围岩 基本一致。总体走向北西西，倾向南西，倾角 3050。部分矿体

12、或同一矿体 的不同地段，走向南西西或近东西向，倾向南东或南。矿体倾角从地表向下逐渐 变缓。 1.1.21.1.2 水文地质条件水文地质条件 东大山铁矿地处干旱地区，干燥多风，雨量稀少，年平均降水量只有 178.22mm，而 7090%的雨量多以暴雨形式集中在 79 月，形成瞬时山洪，对采 矿巷道形成局部威胁。又无常年地表水体存在，地下水补给来源缺乏，且矿体多 出露在分水岭上，地势高而陡峭，相对高差 250 米左右，不利于地下水聚集，排 泄畅通。矿体与围岩的风化裂隙率为 2.06.6%，含少量裂隙潜水，水位埋深 11.29113.7m，据钻孔简易抽水试验和竖井提水资料，单位涌水量仅为 0.001

13、80.0043L/sm，富水性极差；断层破碎带透水性一般较好，当钻孔穿过 时冲洗液消耗有明显增加，局部形成承压水，水头高出地面 2.22m，单位涌水量 为 0.0014L/sm。该承压水虽在揭露初期水量较大，来势也较猛，但由于无补给 来源，故延续时间很短，瞬时变小，在多年生产中从未出现矿坑涌水，开采突水 等问题。总之，矿区水文地质条件较简单。 1.1.31.1.3 工程地质条件工程地质条件 矿体近矿围岩为混合岩化片麻岩、片岩、混合岩、伟晶花岗岩、斜长角闪岩。 这些岩石变质较深，经多次构造运动，褶皱断裂发育，部分地段形成了挤压破碎 带，降低了岩石的稳固性。矿区西部顶板以片岩为主，局部地段厚达数十

14、米，片 岩类岩石易沿片理而滑动，给采矿生产带来诸多困难，同时矿体内有较多的伟晶 花岗岩脉穿插，也影响了矿体的完整性。中东部顶板则以混合岩、伟晶花岗岩、 斜长角闪岩等为主要近矿围岩，岩石完整，坚硬，较稳固，其采矿生产条件尚好。 矿区矿石平均体重 3.46t/m3，矿石普氏系数 f711。岩石体重为 2.70t/m3，自 西安科技大学继续教育学院毕业论文 4 然安息角为 4143，矿石、岩石的松散系数分别为 1.50、1.60。 可见除黑云母石英磁铁矿属软质岩石外，其它均属硬质岩石。另外，由于矿 体直接顶板为一层厚度 13m 的不稳固的含铁片岩（品位 10%左右）易冒落外， 其余矿石及主要近矿围岩

15、基本稳固，工程地质条件较为简单，矿体间接顶板稳定 性也属中等偏好。 1.1.41.1.4 环境地质条件环境地质条件 东大山铁矿矿区地形切割较深，地形陡峭，沟谷发育，矿区主要地层由前震 旦变质岩系组成，大部分裸露于地面。矿区出露的岩石中不含有害元素，开采后 无地面塌陷、坍塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生。而且矿区四周也无居民点 及耕地、植被等。其环境地质的影响主要表现为粉尘、噪声、废水及固体废弃物、 尾矿砂等。 因此，在注重生产的同时，加强环境保护，采矿生产时采用湿式凿岩、喷雾 洒水降尘；凿岩机加装消声器降噪；对采矿生产过程中的废石在地表集中堆放， 避免了乱堆乱存对环境的破坏；加强采空区管理，及

16、时处理悬顶，避免地压活动， 造成塌陷、滑坡等地质灾害。在选矿生产中加强洒水作业，主动降尘；用生产的 废石筑坝，堆存选矿产生的尾矿砂，避免了尾矿砂四处飞扬和对周边环境的影响。 同时加强了对生产一线工人的劳动保护措施。 综上所述，矿区开采技术条件良好。 第二章第二章 上向水平分层废石充填采矿法上向水平分层废石充填采矿法 2.12.1 矿山开拓方式与生产能力矿山开拓方式与生产能力 东大山铁矿属坑采矿山，以 1965m 水平为界分两期工程进行开采。其中 1965m 水平以上采用平硐溜井开拓方式，1965m 水平以下采用盲斜井开拓方式。 全矿分为东、西两个采区。目前，矿山 1965m 水平以上开采基本结

17、束，1965m 水 平以下斜井系统工程已全面完工，1925 中段进行采矿和部分采准工程、 1885、1845、1805 中段开拓工程。1965m 水平以下设计中段高度 40m，穿脉间距 60m，各中段开拓均采用下盘沿脉+穿脉方式。1965m 水平以上运输系统为矿山主 运输系统。矿石运输路线为：采区分层溜矿井中段大溜井大溜槽。1965m 水 平以下矿石运输路线为：采场溜矿井中段车场主斜井1965m 水平运输巷 大溜槽。 设计矿井生产能力为 20 万 t/a，选矿利用现有的系统，产品方案为铁矿石， 西安科技大学继续教育学院毕业论文 5 企业工作制度为年 330d 连续工作制。由于 1965m 水平

18、以上采用平硐溜井开拓 方式，主要采用自然通风，独头工作面利用 5.5KW 局扇通风。采掘生产转入深部 以后，由于开拓系统没有完成，因此没有形成完好的机械通风系统，通风主要利 用 11.5KW 风机通风。 2.22.2 倾斜中厚矿体上向水平分层废石充填法试验方案倾斜中厚矿体上向水平分层废石充填法试验方案 由于地表地形条件有利，东大山 1965m 水平以上各中段均有平硐（有主平硐、 辅助平硐、通风平硐等）直通地表，在各平硐车场附近设有堆石场，布置有完整 的运输路线四通八达。矿山原用采矿方法采切比高，废石量大。据矿山估计，东 大山 1965m 水平以上堆存有约 300 万吨采掘废石，废石块度小但细粒

19、组含量适中， -30cm 占约 46%左右，废石含土量小自然堆集密度大，且铲运方便。根据矿山估 算，利用地形优势将废石拉运至 1965m 中段已弃用的矿石溜井中的成本约 20 元 /m3。显然，若利用废石充填吨矿增大成本约 710 元/吨，以此为代价，若能将 采矿回收率提高至 80%左右，则可在采矿成本增大不超过 10%的条件下实现该矿 倾斜中厚矿体的低贫损开采，效益相当显著。 综上，根据国内外倾斜中厚矿体充填采矿工艺特点，结合东大山铁矿具备 废石充填的有利条件，试验提出了上向水平分层废石充填法回采方案。 2.2.12.2.1 采场结构参数及采准工程布置采场结构参数及采准工程布置 采场结构参数

20、: 阶段高度 40m。以阶段穿脉运输为轴心沿矿体走向布置采场, 一般情况下采场长度可布置为 4060m，采场分层控制高度一般可定为 3.55.0m。 采准布置: 上向水平分层充填法多采用脉内采准方式。在穿脉内布置向矿车 内装矿的采场短溜井并安装简易漏斗(用钢板焊制漏斗),短溜井高度 5m(在中段运 输水平以上 5m)。在中段水平矿体下盘沿脉布置联络道,并在采场两端掘进人行通 风短井(5m)。贯通采场短溜井与两侧人行通风短井之间的联络后,即在该水平沿 矿体全厚进行拉底,拉底层高度 2.5m。并由拉底层开始上掘采场脉内中央人行天 井和充填井与上中段贯通，以形成完整的通风行人系统。充填井倾角不小于

21、60。 采场满足至少两个安全出口和人行通风条件后采准完成。 2.2.22.2.2 回采工艺回采工艺 完成拉底层出矿并整平采场底板后，铺设钢砼假底（作为回收下阶段采场最 上分层矿石的人工顶板）。混凝土假底总厚度 300500，底部钢筋保护层厚度 西安科技大学继续教育学院毕业论文 6 50，混凝土标号 C15C20（假底厚度及砼标号视矿体厚度和品位而定），钢筋 网采用直径 14mm 的螺纹钢铺成，网度（2030）（2030），搭结部位 用 6#铁丝扎牢。在拉底层上下盘围岩中以网度 0.6m 凿入 18mm 螺纹钢锚杆 (L=1.8m), 钢筋网与 18mm 螺纹钢锚杆焊接,为确保假底的整体性和稳定

22、性,混 凝土在采场内直接拌制，并整平、最好振实。铺好假底并适当养护后，即可进行 正常回采。 采场落矿采用上向浅孔崩矿,设计孔网参数 0.50.6m,落矿合格块度350 （要求块度1/4 溜井直径，否则容易卡漏）。每次落矿高度 12.5m，具体视 充填料情况和采场矿体稳定性而定。采场内出矿可用电耙或铲运机设备出矿。 采场出矿溜井采用顺路架设方式在每次充填前上向分层架设，用厚度 45mm 钢板卷制或在采场内直接焊制并搭结，也可用块石混凝土胶结制成。溜井搭结牢 固与否非常重要（采场矿石的唯一通道）。 采场两侧人行通风井用圆木按上向分层顺路架设方式形成。为确保相邻采场回采 时不发生废石塌落，对先行采场

23、两侧边壁处采用下列处理方式：当矿体厚度小于 6m 时，人工堆码装满废石的蛇皮袋,此种情况下要求两个采场开采高差要大于 10m；当矿体厚度大于 6m 时，人工拌制重量 4550%的 325#水泥净浆，在距边壁 500mm 范围内进行自渗流胶结废石形成隔离墙，水泥用量根据试验而定，一般情 况下水泥用量为 80100Kg/m3，每次渗透厚度控制在 1m 左右即可。 采场废石充填料由充填井下放至采空区，废石充填料用电耙扒平或铲运机设 备搬运。每次充填要求保持空顶距 22.5m。分层充填结束后,可用喷浆机喷射砼 50100,作为隔离层避免矿废混杂造成贫化与损失；也可铺设废旧胶带或人工 拌制混凝土作隔离层

24、。对于隔离层，当然可根据废石碾压情况和表面平整度情况 而定，若平整度好则采矿的贫化与损失就小，可 3 层左右做一次隔离。采场作业 循环见图 2-1。 图图2-12-1 采场回采作业循环采场回采作业循环 西安科技大学继续教育学院毕业论文 7 采场回采至最后(上)一个分层时，为确保作业安全,应采用低控顶距和进路式的回 采方法,由采场两端向中央后退式扩帮回采，避免人工假底直接全部暴露。 2.2.32.2.3 废石充填方式废石充填方式 试验期间将西部 1965m 水平 9 穿地表堆存的废石利用铲车装至手扶拖拉机运 至 1965m 水平 4 穿充填井，靠自溜方式放至 4 穿采场，利用电耙在采场内部废石

25、平场，简单方便。废石充填工艺流程见图 2-2。 根据采矿方法的特点，采场充填废石主要为上行采矿提供工作平台，保证在压实 条件下铲运机正常运行，其次也具有限制采场上下盘移动功能，保证采矿安全。 因此，废石级配非常重要。一个良好的废石集料级配组成应该是空隙率最小的情 况下，集料之间处于最紧密的状态，即粗集料之间的空隙由细料填满，细料料之 间的空隙应更细的集料充满，从而增加废石集料颗粒之间的嵌锁能力，使混合堆 集料最大限度地发挥其结构强度效应。 图图 2-2.2-2.废石充填工艺流程废石充填工艺流程 目前常用的级配有连续级配和间断级配。连续级配是指集料中各级粒径的粒 料由大到小逐级按一定的比例组成，

26、连续级配混合料的级配曲线平顺圆滑，具有 连续不间断的性质。连续级配又分连续密级配和连续开级配。间断级配是在矿料 中剔除其中一个或几个分级，形成一种不连续的混合料。目前常用的级配理论主 要采用 Fuller 最大密度曲线理论, 该理论从物料的粒度和级配出发，以获取最 大的密度、最小的孔隙率和最大的强度值为目标，并给出了级配方程。 为了分析确定东大山地表废石的堆积密实性质，试验对其进行了块度分级， 西安科技大学继续教育学院毕业论文 8 结果见表 3-1。根据表中分级结果，回归其粒度特性方程如下26： 43268 . 0 max 100 D d Y i 式中： 某一种粒级的筛下百分率（负累积产率），

27、%； Y 第 i 级筛孔孔径（或第 i 级废石最大块度尺寸），mm； i d 废石粒度模数，mm,即理论最大粒度(),当筛孔宽()达 max D max Ddi i d 到时,全部集料能进入筛下,即负累积率 y=100%。根据现场废石铲装情况看， max D 废石中基本没有块度大于 400mm 的废石块，因此本次分析中取=400mm。 max D 废石级配分析结果表明，东大山废石的级配指数为 0.43268，与 Fuller 理想级配指数 0.5 较接近，表明该废石系级配较好，堆集密度 较大，在碾压情况情况下可获得更好的强度，利于铲运机运行。另外， 若对采场两侧采取灌浆自渗流胶结隔离，所用水泥

28、浆也较省。现场实 践表明，铲运机在碾压废石上可直接出矿，很少出现“挖底”、“刨坑” 现象，采场上 35 个层后做一次隔层即可。 2.3 上向水平分条分层废石充填法试验方案上向水平分条分层废石充填法试验方案 对于厚矿体部分，采用垂直矿体走向的布置方式是比较合适的。经综合分析， 上向水平分条分层废石充填法方案得以提出，该方法可以有效提高矿床开采强度， 降低矿石损失率及贫化率，改善井下工人劳动条件，提高矿山生产能力，有效控 制矿山地压，并且如果充填工艺成本控制得当，完全可以实现低成本开采。 2.3.12.3.1 采场结构参数及采准工程布置采场结构参数及采准工程布置 上向分条分层废石充填采矿法采用阶段

29、之间不留顶(底)柱、采场之间不留间 柱(分条分步梯段式布置回采)的连续采矿布置方案。该法的有关参数如下: 采场结构参数采场结构参数: 阶段高度 40m(1965m1925m)，分段高度 10m。垂直矿体走 向布置分 条采场,采场宽度暂定为 46m，采场长度为矿体厚度。分条采场采用隔一采一方 式，先采一步分条采场，当一步分条采场与二步分条采场相距高度为 1015m 时， 再回采二步采场。一步采场两侧采用废石灌浆胶结充填，灌浆宽度定为 0.5m，二 步采场采用废石充填。采场回采采用上向分层回采方式，控顶高度根据充填料初 定为 3.55m。 采准布置采准布置: :采用脉外采准方式。沿矿体走向每一个分

30、段开凿一条分段平巷， 分段平巷相距矿体 25m 左右，分别布置在 1937m、1947m 和 1957m，每个分段包 西安科技大学继续教育学院毕业论文 9 括 4 个分层。然后在分段平巷垂直矿体走向打分层联络巷道，联通每一分层。通 过斜坡道将分段平巷联通。斜坡道坡度为 1417%，最小弯道半径为 4.1m。在脉 外布置溜矿井和废石充填井，半径均为 1.5m，倾斜角度为 60。 2.3.2 回采工艺 当分层联络道打到一步分条采场后，开始拉底，拉底层高度为 2.5m。一条分 层联络道控制三个一步分条采场，当中间一步分条拉底至矿体边界时，即沿矿体 边界向两边打巷道与相邻两个一步分条贯通，当三个一步分

31、条拉底完成并出矿后， 开始上向回采。采用浅孔崩矿，设计孔网参数 0.50.6m，落矿合格块度350 （要求块度1/4 溜井直径，否则容易卡漏）。每次落矿高度 12.5m，具体视充 填料情况和采场矿体稳定性而定。采场内采用铲运机进行出矿。每层矿石崩落并 出矿后，即对采场进行充填。采场废石通过充填井下放到分段巷道，通过铲运机 将废石充填到三个分条采场，采用排土场碾压式充填，每次充填厚度不得大于 0.5 米，每次充填要求保持空顶距 22.5m。每条斜坡道运输巷承担 10 米分段高 度，自下而上形成张开的“枝丫形”，随着回采进路上移，对斜坡道运输巷放顶 垫底，做为运输通道。人工拌制重量浓度为 4550

32、%的 325#水泥净浆，将水泥浆 充填管路架设到采场，在距边壁 500mm 范围内进行自渗流胶结废石形成隔离墙， 水泥用量根据试验而定，一般情况下水泥用量为 80100Kg/m3，每次渗透厚度控 制在 1m 左右。 当一步分条采场回采高度达到 1015m 时，开始回采二步分条采场。分层联络道 依然控制三个分条采场，与一步分条所不同的是，分层联络道需从中间主干道分 为三个巷道与三个二步分条采场回采工作面相连通，回采矿体过程与一步分条相 同。由于二步分条巷道进路多，为保证工程质量，打眼放炮必须采用“多打眼少 装药”的原则，为保证一步采场充填体不出现大面积垮塌，在回采二条采场炮孔 布置时，必须在靠近

33、一步采场充填体预留 0.5m 间距。当完成矿石出矿后，即进 行废石充填。 2.2.32.2.3 采场充填采场充填 上向分条分层废石充填采矿法采用废石灌浆充填（一步采场）和全废石充填 （二步采场）方案。该法一步采场的灌浆充填有相当难度，如果浓度过大则难以 实现渗透而导致废石胶结效果差，若浓度过小，虽然渗透性好，但胶结时间长且 采场会存在漏浆脱水等问题，因此此项工作需要做试验才能确定。充填工艺流程 如图 2-3 所示： 西安科技大学继续教育学院毕业论文 10 西安科技大学继续教育学院毕业论文 11 图 2-3 充填工艺流程 第三章 灌浆充填体强度设计 为了实现无废开采模式，将废石或其它废料充填到井

34、下是一个主要的发展方 向。传统的废石胶结充填技术主要沿用混凝土学的基本理论和技术，其制备与输 送工艺成本较高，因此难以满足矿山大规模充填的要求。近年来，粗骨料胶结充 填新技术得以应用，该项技术的理论基础是建立在基于充填料属于水泥用量不饱 和的低标号范畴和允许存在局部缺陷之上而发展起来的，通过自淋混合来制备充 填集料。 丰山铜矿和铜坑锡矿是我国采用粗骨料胶结充填技术的代表性矿山，其所采 用的充填技术分别为碎石水泥浆胶结充填技术和块石砂浆胶结充填技术。前者是 将水泥浆通过软管直接浇淋于集料堆上，通过自淋混合后由铲运机运往采场并卸 入采空区，由于水泥单耗指标波动较大，因此需要充填工严格控制。而后者是

35、将 砂浆与集料直接下放到采场，最终形成中央强度低、周边强度高的胶结体。 粗骨料胶结充填技术对粗骨料的级配有相对严格的要求。例如丰山铜矿采用 -40mm 碎石作为集料，要求-5mm 细物料达 22%25%；铜坑锡矿采用-300+25mm 块石作为骨料，-25mm 细物料达 16%；基德克里克采用-150mm 碎石料作为集料， 要求-10mm 细骨料占 25%【49】。为了保证充填体质量，使得粗骨料的使用范围受到 限制。粗骨料胶结充填采用分流输送工艺将粗骨料与胶结剂分别输送到井下附近 再混合，混合时间在充填前或充填过程中均可，使胶结剂粘附于粗骨料表面而不 需脱水。如果在粗骨料充填进采场后再进行胶结

36、，则需合理控制胶结剂浓度，否 则可能会导致砂浆渗透距离小，或者砂浆发生离析而需要脱水造成水泥流失。 东大山铁矿废石灌浆充填采用的是自然级配的废石，是在一步采场两侧进行 渗透灌浆，采用的是一定浓度的纯水泥浆或细磨炉渣。废石采用分层充填方式， 西安科技大学继续教育学院毕业论文 12 当该分层废石充填完成后，即在废石充填体两侧进行渗透灌浆，灌浆后形成胶结 充填体，充当“挡墙” ，以保证二步分条回采时工人作业的安全。为此，需要确 定灌浆充填体的强度，防止一步采场废石进入到二步采场。首先对灌浆充填体强 度进行理论上的计算，得出其理论强度。同时，为保证水泥浆顺利实现自流渗透， 以及合理确定水泥浆的浓度，必

37、须先了解矿山废石的粒级组成，为此做了矿山废 石分级实验，并在此基础上，进行了渗流灌浆室外实验。从而得出合理的胶结剂 浓度及灌浆范围，保证矿山实现安全生产。 3.13.1 灌浆充填体强度计算灌浆充填体强度计算 许多由大量大致同样的单个颗粒所组成的物体（砂土、砾石土、碎煤、水泥 及其它粒状和粉状的材料） ，按物理性质它们介于固体和液体之间的中间状态， 被称为散粒体或简称散体。 散粒体与固体所不同的是：前者颗粒具有流动性；仅在一定范围内能保持其 形状；具有对挡护面产生压力的性质，不能或不大能抵抗拉力；抵抗剪应力的能 力取决于作用的压力。液体与散粒体所不同的是：前者分子具有更大的流动性； 没有固定的形

38、状；抵抗剪切力的能力更小。 散粒体颗粒按照材料、大小和形状可以是同样的或不同样的，所有三个尺度 具有同阶或不同阶，表面为光滑的或粗糙的。颗粒可处于弹性状态或塑性状态， 并具有一定的强度。散粒体颗粒的形状可以是极其不相同的。颗粒之间的间隙称 为孔隙，其中可能由空气、水或某种胶结物质所充填。 散粒体结构力学的任务是研究散粒体与其它物体的相互作用，以及散粒体颗 粒的相互作用和此时所产生的力与位移。在散粒体力学中有两个方向。第一个方 向是假定滑动面为某种形状而建立的理论，它可以用初等方法求解许多重要的实 际问题；第二个方向称为散粒介质理论，它的出发点是对所研究的散粒体空间内 的每一点建立平衡微分方程式

39、和状态的条件。散粒体力学的这两个方向之间的界 限是无法明确划分的，并且是不稳定的。散粒体力学问题的某些解介于上述两个 方向之间的中间情况，把它划归哪个方向均可。 随着散粒介质理论的发展，散粒体结构力学的简化方法也跟着发展了。目前 不仅局限于研究处于极限平衡状态的散粒体，还必须研究处于正常状态下（即处 于稳定状态或弹性平衡状态）以及处于运动状态下的散粒体。本文主要针对极限 平衡状态下的废石充填体进行力学分析，从而确定出一步采场充当“挡墙”作用 的胶结体强度，以保证二步分条回采时工人劳动作业的安全。 西安科技大学继续教育学院毕业论文 13 3.1.13.1.1 杨森公式杨森公式 用于储存散体材料的

40、仓库，根据其高度与平面尺寸之比，分为浅仓和深仓。 从出料口到储料顶面的高度超过平面尺寸不到 0.51.0 倍的仓库称为浅仓；其 高度超过平面尺寸至少 0.51.0 倍的仓库称为深仓。故本文中的灌浆充填体可 视为深仓。对于棱柱形或圆筒形深仓仓底和仓壁上散粒体静压力的确定，到目前 为止，应用最广的还是杨森公式，它是根据下列假定推导出来的【50】。 第一 从散粒体表面算起的任意深度 z 处的垂直压力，假定沿仓的水平断面 整个面积 F 上是均匀分布的。 第二 散粒体任意一点（包括仓壁处）的水平压力，假定与垂直压力成比 x q 例，即 （3- xz qq 1） 式中 主动侧压力系数。 第三 假定散粒体沿

41、仓壁滑动的阻力为 （3- 00x f qc 2） 式中 储料与仓壁的摩擦系数； 00 ftg 储料与仓壁之间的单位粘聚力。 0 c 第四 不计底的影响，即假定仓为无限深。 第五 认为贮料是不可压缩的。 在距表面深度为处取出一层厚为的单元体，研究一下它在下列力作用下zdz 的平衡条件：自重，从上面作用在该层上的垂直压力和从下面作用在该Fdz z q 层上的垂直压力，以及作用在仓壁上的摩擦力和粘聚力。 zz qdq 合并同类项并对这个微分方程在边界条件下（即当时，压力）进0z 0 z q 行积分，得 （3- 0 0 0 1 1 exp z c u F Ffuz q fuF 4） 在计算深仓时一般不

42、考虑粘聚力，那么公式将得到简化并采用杨森公式的形 式: 西安科技大学继续教育学院毕业论文 14 （3- 0 0 1 exp z fuzF q fuF 5） 为了得到仓壁上的侧压力，可利用关系式。 由公式（3-4）看出，压力和的增量随着深度的增大而减小，当 z q x qz 时，压力趋近于极限z （3- 0 0 1 z c uF q fuF 6） 根据许多研究者所进行的实验结果证明，公式（3-5）给出的计算压力与实 际压力相比较，偏小很多。在散粒体仓的设计技术条例（CH30265）中规定： 仓底上的计算垂直压力和长度为 2/3 仓高的下部仓壁的计算侧压力要比按公式 （3-5）算出的增大一倍。应该

43、以所给出的下限作为和的计算值。 0 为了便于公式（3-5）的应用，可以将它化成简单的形式，将分子和分母同 乘以:/z F （3- z qK z 7） 式中 （3-exp1K 8） （3- 0 ()/fuzF 9） 系数，称为相关系数。 K 3.1.23.1.2 灌浆充填体强度计算灌浆充填体强度计算 一步分条废石充填体两侧采用散体渗流灌浆技术，此时，可将该采场看成是 “仓库” ，中间装的是废石散体。仓库的尺寸如图 3-1.1 所示： 西安科技大学继续教育学院毕业论文 15 图图 3-1.13-1.1 灌浆充填体强度计算模型灌浆充填体强度计算模型 根据方案所确定的采场结构参数，图 3-1.1 中各

44、参数确定如下： H=10m，h=2.5m，L=4m；可知,干砾石与混凝土的摩擦角范围为 2431，取其 下限，即=28，则摩擦系数。 0 445 . 0 00 tgf 一般采用处于极限平衡状态下的贮料主应力的比值作为侧压力系数，即： 1 sin 0.406 1 sin 根据公式，根据公式（3-8），36 . 1 0 Fuzf ，55 . 0 exp1K 则仓底上的压力根据公式可得 （Kpa）=0.12734（Mpa）34.127hHKzKqz 采用修正系数为 2，则下部仓壁上的侧压力为： （Mpa）1034 . 0 2 zx qq 由以上公式得出废石充填散体对灌浆充填体的侧压力约为 0.103

45、4MPa。 x q 通过 FLAC 3D 数值模拟可知，二步分条采场间的 yy应力值范围为 00.2Mpa，而由散粒体结构力学计算出来的废石充填散体对灌浆充填体的侧压 力为 0.1034Mpa，介于此区间内，从而得到有效验证。 3.23.2 矿山废石粒度分级试验矿山废石粒度分级试验 为了分析确定东大山地表废石的堆积密实性质，对采矿方法试验废石充填料 进行了粒度标定，废石料总重 1.24T。粒度分级为 9 个等级。根据表中分级结果， 回归其粒度特性方程如下： 43268 . 0 max 100 D d Y i 式中： 某一种粒级的筛下百分率（负累积产率） ，%； Y 西安科技大学继续教育学院毕业

46、论文 16 第 i 级筛孔孔径（或第 i 级废石最大块度尺寸） ，mm； i d 废石粒度模数，mm,即理论最大粒度(),当筛孔宽(=)达到 max Ddi i d max D 时,全部集料能进入筛下,即负累积率 y=100%。根据现场废石铲装情况看，废 max D 石中基本没有块度大于 400mm 的废石块，因此本次分析中取=400mm。 max D 废石级配分析结果表明，东大山废石的级配指数为 0.43268，与 Fuller 理想 级配指数 0.5 非常接近，表明该废石系级配较好，堆集密度较大，在碾压情况下 可获得更好的强度，利于铲运机运行。另外，对采场两侧采取灌浆自渗流胶结隔 离，所用

47、水泥浆也较省。现场实践表明，铲运机在碾压废石上可直接出矿，很少 出现“挖底” 、 “刨坑”现象。 3.33.3 渗透灌浆现场试验渗透灌浆现场试验 根据试验情况和研究结果，分别进行了浓度为 35%60%的渗透灌浆试验。试 验共分为六组：浓度分别为 35%、40%、45%、50%、55%和 60%。通过试验证实， 当浓度小于 45%时，水泥浆能够很好的渗透到废石底部，但胶结时间长，且采场 存在漏浆脱水等问题；当浓度大于 50%时，采场胶结时间短，强度高，但是采场 水泥浆却很难较好的渗透到废石充填体底部，对采场工作人员安全将构成威胁； 当浓度介于 45%50%时，水泥浆渗透效果较好，且胶结充填体强度

48、也较高，具有 较好的效果。其中浓度为 45%及 50%的渗透灌浆试验情况比较稳定。针对 45%及 50%浓度实验，用回弹仪对其强度进行了测试，测试结果表明，尽管胶结存在局 部不均匀现象，但其强度基本可以达到 0.53Mpa，大于渗透灌浆充填体理论强 度 0.1034Mpa，一步采场进行分层爆破时所产生的冲击波亦不会对其构成太大影 响。 试验结果也表明，渗透灌浆充填体的强度影响因素主要为水灰比和散体粒级 组成等。其中，充填体强度随水灰比的增加而急剧降低，现场浇灌一般控制在 1.01.22；随着散体粒级的增大，充填体强度略有下降。实践表明，45%50% 浓度料浆渗透效果较好，既能胶结废石，起到很好的“挡墙”作用，采场又不会 存在漏浆脱水等问题，在二步分条采场进行回采时，不会对工作人员的安全构成 威胁，因此能够满足矿山安全生产需