张家洼铁矿崩落转充填采矿工艺及结构参数研究

张家洼铁矿崩落转充填采矿工艺及结构参数研究

李文庆

鲁中矿业有限公司  山东省济南市271100

摘要：本文对张家洼铁矿崩塌充填采矿过程进行了深入探讨，这是现代采矿实践中的一项关键技术。首先研究了所涉及的采矿工艺关键步骤，包括矿山挖掘、地面稳定性监测、回填和场地修复。之后深入研究了影响采矿作业结构参数的因素，例如地质特征、回填材料特性、采矿深度和采空区尺寸。讨论了确定这些结构参数的综合方法，包括现场调查、岩土测试、建模和专家见解。

关键词：张家洼铁矿；崩落转充填采矿工艺；结构参数

引言

采矿业是工业发展的基石，但也带来了重大的环境和安全挑战。塌陷和回填采矿已成为一种可行的解决方案，平衡了资源开采与生态考虑，应该从挖掘到场地修复探讨这种方法的复杂性。影响采矿场地结构参数的因素很多，了解这些因素对于优化采矿作业和降低风险至关重要，通过结合经验和理论方法，从而在为可持续和安全采矿实践提供保障。

1 崩落转充填采矿工艺

1.1 崩落转充填采矿工艺说明

崩塌充填采矿是采矿工程领域的一项复杂技术，旨在解决经济和环境问题。这种方法不仅仅是开采矿产资源；这是负责任地这样做，着眼于维护矿场及其周围环境的完整性。该技术基于采空区的受控塌陷，然后用材料回填这些空隙，以稳定场地并减轻环境影响。

1.2 工艺步骤

1.2.1 矿山开采和矿石开采

该过程从矿井挖掘开始，仔细的规划和执行至关重要。通过结合地面和地下采矿方法，精确提取矿石，以最大限度地提高产量并最大限度地减少对地质结构的破坏，此阶段涉及使用先进的机械和技术来分解含矿岩石并将其运输到地面进行加工。这里的挑战是保持高效矿石开采和保护矿山结构完整性之间的平衡。

1.2.2 地面稳定性监测与管理

崩塌和回填采矿的一个关键组成部分，是对地面稳定性的持续监测和管理。这涉及使用复杂的传感器和实时数据分析来持续评估矿井的状况，这些技术可以深入了解矿井内的应力分布，识别可能导致崩塌的潜在薄弱环节。管理方面包括实施主动措施，例如安装支撑结构和根据观察到的数据调整采矿技术[1]。

1.2.3 采空区回填

一旦矿区的矿石耗尽，下一步就是回填。该过程涉及用混合材料填充采矿留下的空隙，其中可能包括矿石加工中的尾矿、废石或其他惰性材料。回填有多种用途：它为剩余的矿山基础设施提供结构支撑，减少地表沉降，并最大限度地减少环境退化。回填材料的选择和放置方法至关重要，并且通常根据每个矿山的具体条件进行定制。

1.2.4 矿区恢复

最后一步是矿场的恢复，这对于确保受采矿活动影响的土地恢复到实用和生态稳定的状态至关重要。恢复可能涉及各种活动，包括重塑地貌、更换表土和重新种植原生植被。它还包括长期监测，以确保康复工作成功且可持续，目标是使环境状况与采矿开始前一样好，甚至更好。

2 结构参数影响因素

2.1 矿区地质特征

矿区地质特征是影响采矿结构参数的最重要因素之一，这些特征包括岩层的组成、断层线的存在、不同矿物的分布以及地质构造的整体稳定性。例如，岩石的硬度和脆性会显着影响挖掘方法和意外崩塌的风险；地下水位和地下水流的存在也会影响采矿安全和运营策略；地质剖面决定了不同采矿技术的可行性，并指导设备和安全措施的选择。

2.2 回填材料的种类及性能

采矿作业中使用的回填材料的类型和特性，对于确保采空区的稳定性和采矿场的整体结构完整性至关重要。回填材料的范围包括采矿过程中产生的废石和尾矿以及专门设计的化合物。回填材料的选择受到其可用性、成本、物理特性（如抗压强度、渗透性和化学稳定性）及环境等因素的影响[2]。例如，使用胶结尾矿作为回填可以提供额外的结构支撑，但可能具有更高的成本和环境足迹，这些因素之间的正确平衡对于高效和负责任的采矿作业至关重要。

2.3 采矿作业深度

采矿作业的深度在确定结构参数方面起着重要作用。更深的采矿作业面临更高的地面压力和温度，这可能会增加岩爆和其他岩土挑战的风险。采矿作业越深，监测和管理地面稳定性的作用就越重要。采矿基础设施（包括天然岩石结构和人造支撑）所承受的压力随着深度的增加而增加，因此需要更强大的工程解决方案。此外，更深的采矿作业可能需要更复杂的通风和冷却系统，来维持安全和可行的环境。

2.4 采空区的大小和形状

已采空区域的大小和形状，是决定剩余矿井结构完整性和回填过程有效性的重要因素。较大且形状不规则的空隙，在提供足够的支撑和防止倒塌方面提出了更大的挑战。采空区的几何形状会影响回填材料的放置和压实方式，它与剩余岩石结构的相互作用，还会影响矿井内的应力分布，进而影响地面移动或塌陷的可能性。在设计采矿过程时，必须注意确保采空区的大小和形状易于管理，并且回填过程适应这些几何形状。

3 结构参数的确定

3.1 实地调查和数据收集

确定结构参数的第一步是进行全面的现场调查和数据收集，这一阶段对于真实、详细地了解矿区地质和环境条件至关重要。实地调查涉及一系列活动，包括：

地表和地下测绘：这涉及对矿区进行实物测量，以确定地质特征、矿藏和潜在危险。

土壤和岩石采样：收集样品进行实验室分析，以确定土壤和岩石的物理和化学性质。

水文地质研究：这些研究评估地下水的存在和运动，这会对采矿作业产生重大影响。

环境基线研究：了解采矿前的环境条件对于规划和随后评估采矿活动的影响至关重要。

3.2 岩土分析与测试方法

收集数据后，下一步是岩土分析和测试。此阶段对于评估地面的物理和机械特性以及了解地面在不同应力和条件下的表现至关重要。主要活动包括：

实验室测试：分析土壤和岩石样本以确定强度、渗透性和压缩性等特性。

应力应变分析：这有助于了解岩石和土壤在各种载荷下如何变形，这对于设计安全稳定的矿山结构至关重要。

地震测试：地震勘测提供有关更深地质结构的信息，并有助于识别潜在的断层线或不稳定区域[3]。

3.3 建模与仿真技术

技术的进步使得复杂的建模和模拟技术在采矿中的使用成为可能，这些技术允许虚拟表示矿区，可以测试和分析不同的场景。关键方面包括：

3D 地质建模：这涉及创建矿区的三维模型，提供地质结构的详细可视化。

有限元分析 (FEA)： FEA 用于模拟和分析矿井结构中的应力和变形，有助于设计支架和预测潜在故障。

计算流体动力学 (CFD)：在涉及水或其他流体的情况下，CFD 模拟可以预测流体流动及其对采矿作业的影响[4]。

3.4 专业知识和经验

经验丰富的专业人士带来了深刻的理解，补充和增强了技术分析，他们的见解对于解释数据、理解岩土工程行为的细微差别以及做出明智的决策特别有价值。专家可以利用他们过去的经验来识别仅通过数据和模型可能无法立即显现出来的潜在问题，还在确保采矿作业遵守最佳实践、安全标准和环境法规方面发挥着至关重要的作用。

结语

总之，塌陷和回填采矿过程代表了高效资源开采和环境管理之间的复杂平衡。文章强调了从挖掘到修复的过程中精心规划和执行每一步的重要性。影响因素的识别和结构参数的确定对于优化安全性和效率至关重要。要结合现场工作、岩土工程评估和高级模拟，为未来的采矿工作提供了全面的指南。

参考文献：

[1]张国联，刘兴国.某铁矿沿脉无底柱分段崩落法结构参数试验研究[J].中国矿业，2020（09）：45-48.

[2]陈清运，何玉早.中小型矿山无底柱分段崩落法结构参数优化[J].金属矿山，2020（10）：23-26.

[3]李昌宁，任玉凤.低贫化放矿与放出矿石块率的关系[J].矿业研究与开发，2019（04）5-7.

[4]杨运林，盛建龙.无底柱分段崩落法放矿方法研究[J].采矿技术，2019（03）：8-9.