金礦破碎礦體高分段嗣后充填采礦技術(shù)優(yōu)化研究

李冬萍 張浩強(qiáng)

（1.中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100029；2.中色國礦帕魯特有限責(zé)任公司，塔吉克斯坦 瓦赫達(dá) 735400）

分段空場采礦法是在金屬礦山中應(yīng)用較多的一種高效率中深孔采礦方法，此方法主要用于中厚及中厚以上礦體的開采，具有開采強(qiáng)度大、勞動生產(chǎn)率高、通風(fēng)條件好、管理簡單等突出優(yōu)點(diǎn)[1-2]。其中分段高度主要受鑿巖設(shè)備、裝藥技術(shù)等因素制約，隨著近年來鑿巖設(shè)備日趨大型化，分段空場法的分段高度也在逐漸提高[3-5]。如綦曉磊等[6]研究了高分段采礦在會寶嶺鐵礦中的應(yīng)用，其分段高度為20 m；褚洪濤等[7]在柿竹園礦進(jìn)行了高分段采礦技術(shù)的試驗(yàn)研究，其最大分段高度達(dá)22 m。近年來嗣后膏體充填技術(shù)也在金屬礦山得到了迅速發(fā)展[8-9]。膏體充填可以將地表廢棄物充填到井下采空區(qū)，減少地表尾礦庫堆存面積，同時有效控制地壓，為采場回采創(chuàng)造有利條件。針對破碎的金礦體可以考慮采用分段空場嗣后膏體充填方法提高回采率，降低貧化率，需要根據(jù)具體開采條件開展相關(guān)技術(shù)研究。

某金礦位于塔吉克斯坦國家首都杜尚別東北部約107 km處，隸屬瓦赫達(dá)特地區(qū)。礦山設(shè)計(jì)規(guī)模為66萬t/a，2 000 t/d，采用東西風(fēng)井+斜坡道的聯(lián)合開拓方案，采礦方法主要采用崩落法和分段空場嗣后充填法。礦區(qū)地質(zhì)受背斜和斷層構(gòu)造作用，圍巖以綠泥石絹云母石英片巖為主，巖體穩(wěn)定差，采空區(qū)片幫冒頂頻發(fā)，礦巖穩(wěn)固程度與礦房結(jié)構(gòu)尺寸不相適應(yīng)。同時，采切工程量大、工程布置復(fù)雜、采礦效率低等問題尤為突出。為了進(jìn)一步降低采切比，提高井下采礦生產(chǎn)效率，降低礦山開采成本，亟需對現(xiàn)有的采礦方法進(jìn)行優(yōu)化。

1 礦體開采條件

該礦山是熱液交代型金礦床，水文地質(zhì)勘探類型為二類，以裂隙含水層充水為主，勘探復(fù)雜類型為中等偏復(fù)雜類型。礦體賦存標(biāo)高2 461～1 750 m，東西走向，垂直延伸，礦體埋藏于地表以下約300 m。礦體范圍內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，且多有不規(guī)則的巖脈，Pakrut斷層從1號主礦體中穿過，對于采礦工程的布置影響較大。井下主要的生產(chǎn)礦體有1號礦體和3號礦體。其中1號礦體為主礦體，礦石平均品位為2.2 g/t，主礦體總體傾角70°～80°，水平厚度6～30 m，西部北西走向，向東轉(zhuǎn)為近東西走向，走向延長約420 m。3號礦體分支嚴(yán)重，形態(tài)變化大，厚度不均，大都在1～12 m之間。

現(xiàn)已形成5個中段的開拓工程，其中上部區(qū)域的2個中段（2 336 m、2 292 m）靠近地表，設(shè)計(jì)采用崩落法開采，下部區(qū)域的3個中段（2 230 m、2 170 m、2 110 m）設(shè)計(jì)采用分段空場嗣后膏體充填法兩步驟開采。2 230 m中段和2 110 m中段布置4個分段，每個分段高度為12～13 m。

2 采場結(jié)構(gòu)及工程布置

2.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

以2 170 m中段1號礦體作為研究對象，試驗(yàn)礦塊在4號勘探線以西和13號勘探線區(qū)域，經(jīng)過試驗(yàn)得到巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

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根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)分析及模擬開采結(jié)論，采用高分段中深孔空場嗣后充填采礦工藝，每個分段高度由12 m提高到21 m，底部結(jié)構(gòu)高度定為13 m，頂柱留設(shè)5 m，把原設(shè)計(jì)4個分段減少到2個分段。采用“隔一采一”的間隔回采方式，由于2 170 m中段礦體厚度不均，總體呈現(xiàn)兩邊區(qū)域厚大（15～25 m），中間區(qū)域細(xì)窄（3～12 m）的紡錘狀，因此分以下2種情況進(jìn)行礦塊布置：兩邊厚大區(qū)域按照垂直礦體走向劃分采場，中間細(xì)窄區(qū)域按照沿礦體走向劃分采場。采場高度為55 m，頂柱留設(shè)5 m，每個分段高度定為21 m，底部結(jié)構(gòu)高度為13 m，垂直礦體走向的采場寬度為12.5 m，采場長度為礦體厚度，切割井布置在礦體下盤；沿礦體走向的采場寬度為礦體厚度，長度為25～30 m。典型的垂直礦體走向布置的采場采礦方法如圖1所示。

2.2 巷道布置方式

井下采場采用無軌運(yùn)輸方式，每個采場根據(jù)采場大小設(shè)計(jì)2～3條出礦進(jìn)路，巷道的具體設(shè)計(jì)規(guī)格如下：

分段平巷：分段平巷主要滿足礦井通風(fēng)、礦卡與裝載機(jī)行駛、設(shè)備運(yùn)輸、行人等條件，設(shè)計(jì)斷面為3.5 m×3.3 m。

鑿巖進(jìn)路、塹溝：采用的KQJ100b（D）鉆機(jī)進(jìn)行中深孔作業(yè)，要求的最低高度為3.3 m，因此設(shè)計(jì)斷面為3.4 m×3.3 m。

出礦進(jìn)路、出礦聯(lián)絡(luò)道：出礦巷的主要作用是滿足裝載機(jī)及鏟運(yùn)機(jī)的裝礦需求，設(shè)計(jì)斷面為3.4 m×3.2 m。

切割平巷、切割井：由于采用高分段進(jìn)行拉槽，考慮到拉槽工序?qū)φ麄€采場爆破至關(guān)重要，而且拉槽的夾制性比較大，設(shè)計(jì)切割井?dāng)嗝鏋? m×1.5 m；切割平巷滿足拉槽垂直中深孔需要，設(shè)計(jì)3.7 m×3.3 m。

3 高分段中深孔爆破

由于底部結(jié)構(gòu)采用低分段，上部2個分段采用了高分段鑿巖，中深孔的施工采用2種不同的鑿巖鉆機(jī)，對于高分段選用KQJ100b（D）鉆機(jī)，其孔徑為96 mm，對于低分段的底部結(jié)構(gòu)選用YGZ90鉆機(jī)，其孔徑為76 mm。

2種規(guī)格的鉆機(jī)所對應(yīng)的最小抵抗線計(jì)算公式：W=（20～30）d，其中d為孔徑，因此這里取W100鉆=2.5 m，W90鉆=2.0 m。孔底距計(jì)算公式：a=mW，m=1.0～1.5。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這里分為2種情況較為合適，一種是孔深較長的孔（一般超過7～8 m），其孔底距a100鉆=3.0 m，a90鉆=2.4 m；另一種是孔深較小的孔底距，即邊孔，由于邊孔爆破時夾制性較大，這里取a100鉆=2.0 m，a90鉆=1.8 m。最終設(shè)計(jì)的中深孔鑿巖參數(shù)及鑿巖爆破參數(shù)見表2。

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采場爆破總體采用自上而下，自里向外的回采順序，在爆破過程中上分段一般超前下分段2～3排，基本保證采空區(qū)呈階梯狀臺階。在底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中出礦，鏟運(yùn)機(jī)倒至礦石溜井，最終通過礦卡運(yùn)至地表。

4 空場嗣后膏體充填

井下采場分為兩步驟采礦，一步驟開采礦房，出礦結(jié)束后，采用高強(qiáng)度膠結(jié)充填，待充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后，二步驟開采礦柱，出礦后采用全尾砂微膠結(jié)充填。采場的切割井與充填井相聯(lián)通，充填聯(lián)絡(luò)道聯(lián)通充填井，充填井位于采場最頂部，從而最大程度上保障充填體接頂，更好地保證采場安全。

充填之前，在各個出礦進(jìn)路口和分段進(jìn)路口砌筑擋墻，擋墻的具體施工方案見圖2。

通過砌筑此新型復(fù)合充填擋墻對采空區(qū)的充填料漿進(jìn)行封堵，既能有效對充填料漿的側(cè)向壓力進(jìn)行承載，使得充填料漿在凝結(jié)過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，又可對槽鋼進(jìn)行多次回收利用，達(dá)到循環(huán)利用的目的，同時具有施工效率高、單位成本低、材料來源廣、安全性強(qiáng)、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)。

5 工程應(yīng)用效果

目前在2 170 m中段已完成充填的采場主要有405#、409#、408#3個采場，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于低分段采場，具體情況如下：

（1）在試驗(yàn)采場405#、409#、408#的平均千噸采切比為4.48 m/kt，對比2 230 m中段、2 110 m中段的采場，其千噸采切比為6.76 m/kt，降低幅度達(dá)33.73%，大大降低了采切成本。

（2）經(jīng)統(tǒng)計(jì)3個試驗(yàn)采場的炸藥單耗，在高分段區(qū)域中，其炸藥單耗為0.41 kg/t，每米崩礦量達(dá)12 t/m；在低分段區(qū)域中，其炸藥單耗為0.46 kg/t，每米崩礦量達(dá)7.1 t/m；比原有低分段采場的炸藥單耗降低了8.70%。

（3）按照單個采場每天爆破2排來進(jìn)行計(jì)算時，高分段區(qū)域的單次爆破礦石量可以達(dá)到2 500 t，單采場出礦能力可以達(dá)到700～1 400 t/d，按照2 000 t/d的井下出礦計(jì)劃，僅需準(zhǔn)備2～3個采場就能滿足日常生產(chǎn)要求。

（4）3個試驗(yàn)采場平均損失率為6.8%，貧化率僅為7.7%。相比之前的平均貧化率18.5%，大幅下降了10.8個百分點(diǎn)。采空區(qū)暴露時間較長，采場垮塌、圍巖片幫、頂板局部冒頂?shù)痊F(xiàn)象大幅減少。

6 結(jié)論

（1）破碎礦體需要研究礦巖穩(wěn)固程度與礦房結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，對有代表性巖石及礦體進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測定，分析巖體穩(wěn)定性，優(yōu)化礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時優(yōu)化現(xiàn)有工程布置、采掘工藝，合理調(diào)整爆破參數(shù)和充填工藝，才能實(shí)現(xiàn)安全高效開采。

（2）通過2年的研究和實(shí)踐，提出了適用于破碎礦體的中深孔高分段采礦嗣后充填技術(shù)，由原設(shè)計(jì)4個分段減少到2個分段，降低了爆破、出礦等工序管理的復(fù)雜程度，提高了生產(chǎn)效率，緩解了采場銜接緊張的不利局面。

（3）通過將高分段采礦法與膏體充填相結(jié)合，可以高效回收采場礦柱，同時充填體可有效控制采空區(qū)的地壓，為相鄰采場的回采創(chuàng)造安全條件。該技術(shù)提高了井下采礦效率，降低了采礦成本，實(shí)現(xiàn)了安全高效開采，為類似礦山提供了很好的技術(shù)示范。