不穩(wěn)固礦巖條件下傾斜中厚礦體的高效采礦方法研究

李冬萍，任風(fēng)玉

(1．中國(guó)有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100029；2．東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

在地下開采時(shí)不穩(wěn)固的礦巖條件容易造成巷道垮塌、采場(chǎng)冒落等現(xiàn)象，對(duì)采礦方法的要求較高。如采用空?qǐng)鲱惒傻V方法，穩(wěn)定性較差、生產(chǎn)能力較低；如用分層充填采礦方法，成本高、產(chǎn)量低。目前普遍采用的崩落法在開采傾斜中厚礦體時(shí)，則面臨控制礦石損失與貧化，并經(jīng)濟(jì)有效地回收下盤礦石的技術(shù)難題。因此，改進(jìn)崩落法以實(shí)現(xiàn)安全高效開采是不穩(wěn)固傾斜中厚礦體開發(fā)利用的關(guān)鍵所在。

1 采礦方法現(xiàn)狀分析

1.1 礦山概述

某銅礦是一座大型地下礦山，礦體走向近東西，傾向南，傾角38°～65°，厚度7～10m，走向長(zhǎng)度約2200m，礦石銅品位平均2.60%。銅礦物主要賦存在片巖、泥質(zhì)板巖中，巖性較差。礦體的直接上盤圍巖為厚度約10m的礦化泥質(zhì)板巖(品位低于1%)，礦體下盤圍巖為泥質(zhì)石英巖、長(zhǎng)石石英巖。其中，礦體下盤0.2～0.5m為富礦聚集帶，品位高達(dá)8%左右。

該礦1974年開始地下開采，采到500mL中段后，因巷道與采場(chǎng)塌冒嚴(yán)重造成生產(chǎn)效率低，于1987年被迫停產(chǎn)。從2000年7月開始恢復(fù)生產(chǎn)建設(shè)，采用豎井和斜坡道聯(lián)合開拓，設(shè)計(jì)500mL中段與700mL中段同時(shí)開采，其中500mL中段選用分段空?qǐng)龇?、分段崩落法、上向分層充填法開采；700mL中段主要應(yīng)用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采。設(shè)計(jì)采礦生產(chǎn)能力為6500t/d，其中500mL中段為1500～2000t/d，700mL中段為4000～4500t/d。

1.2 存在問題和難點(diǎn)

在實(shí)際生產(chǎn)中，分段空?qǐng)龇ú蓤?chǎng)與分段崩落法采場(chǎng)都發(fā)生過因沿脈采準(zhǔn)巷道時(shí)常垮塌而影響生產(chǎn)的現(xiàn)象。700mL中段投入20多個(gè)分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú蓤?chǎng)，實(shí)際生產(chǎn)能力僅500t/d左右，冒落采場(chǎng)的損失率一般超過40%，貧化率30%以上。

通過分析該礦采礦方法現(xiàn)狀，歸結(jié)出三個(gè)方面的難題：

1) 礦體賦存條件與品位分布條件對(duì)回采工藝提出較高的要求。礦體下盤有0.2～0.5m的富礦聚集帶，品位高達(dá)8%左右，直接上盤圍巖有厚度約10m的礦化泥質(zhì)板巖，品位低于1%，但高于銅工業(yè)品位。由于礦巖允許暴露面積小，傳統(tǒng)的空?qǐng)鲱惒傻V方法的遠(yuǎn)不如分段崩落法高效，但在傾斜中厚礦體條件下，如何用崩落法經(jīng)濟(jì)有效地回收下盤富礦，是技術(shù)難題。

2) 礦巖穩(wěn)定性差與采動(dòng)地壓大，近礦沿脈巷道難以形成。礦體與近礦圍巖穩(wěn)定性差，主要是礦體的層理和節(jié)理發(fā)育，層理間距一般為0.05～1.0m/條，層理面嚴(yán)重絹云母化，使得礦體與近礦圍巖暴露后容易片落。而且由于采動(dòng)地壓大，在穩(wěn)定性較差部位，片落后的巷道難以維護(hù)，地壓持續(xù)破壞，圍巖冒落高度不斷加大，直至整個(gè)巷道斷面便被冒落散體堵塞。盡管采用支護(hù)，但絕大多數(shù)采場(chǎng)的鑿巖巷道均不能形成。

3) 難以形成空?qǐng)霾蓤?chǎng)，礦巖容易冒落。采場(chǎng)不能形成穩(wěn)定的空?qǐng)觯诓蓤?chǎng)爆破后，隨出礦作業(yè)的進(jìn)行，上盤圍巖隨之垮落。在500ML水平的分段空?qǐng)龇ú蓤?chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)中，上盤圍巖的自穩(wěn)面積不超過120m2。上盤圍巖容易冒落，加大了采場(chǎng)放出礦石的損失貧化。

2 地壓活動(dòng)規(guī)律與采動(dòng)應(yīng)力分布研究

由于近礦圍巖主要為泥質(zhì)板巖，巖性硬而脆，抗拉強(qiáng)度低，開挖后的變形導(dǎo)致離層，形成薄層巖板，一旦圍巖出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，就容易引起破壞。在實(shí)際生產(chǎn)中，距離礦體20余m的分段巷道穩(wěn)定狀態(tài)良好，而礦體內(nèi)的礦房和靠近礦體的沿脈鑿巖巷極容易冒落。沿脈鑿巖巷的破壞總是拱角先片落，其次拱頂冒落，最后兩幫片落，而且破壞巷道從未發(fā)現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說明：圍巖變形派生的拉應(yīng)力是導(dǎo)致巷道和采場(chǎng)冒落的主要原因。因此，需要通過定點(diǎn)布置收斂?jī)x，收集崩落回采過程中聯(lián)巷中圍巖應(yīng)力的變化數(shù)據(jù)，分析崩落法采場(chǎng)的應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

1) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1：529mL 3～6采場(chǎng)6#采聯(lián)巷道，布置11排測(cè)點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)排1至測(cè)排3受采動(dòng)影響較小，測(cè)排3至測(cè)排6為主要承壓區(qū)，測(cè)排7至測(cè)排9為應(yīng)力降低區(qū)，測(cè)排10至測(cè)排11為承壓區(qū)，此時(shí)的上分段采場(chǎng)上盤爆破邊界與下部卸壓區(qū)邊界所成的角度(卸壓角)為99°，卸壓區(qū)寬度7.2m。

2) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2：565mL 3～6#采場(chǎng)5#、6#采聯(lián)巷道，受相鄰3～5#和3～7#采空區(qū)的影響，對(duì)應(yīng)的3～6#采場(chǎng)巷道頂板采動(dòng)壓力較大。在兩個(gè)監(jiān)測(cè)采聯(lián)巷道中，分別布置13排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)分析，測(cè)排1～5為采動(dòng)壓力擾動(dòng)區(qū)；測(cè)排6到測(cè)排7之間為卸壓區(qū)；測(cè)排7～10為承壓區(qū)，測(cè)排11～13為免壓區(qū)，此時(shí)的上分段采場(chǎng)上盤爆破邊界與下部卸壓區(qū)邊界所成的角度(卸壓角)為90°，卸壓區(qū)寬度約6.5m。

可以得出，采動(dòng)地壓集中作用于層、節(jié)理發(fā)育的礦體與近礦圍巖；上分段崩落回采對(duì)下分段采場(chǎng)卸壓作用明顯，卸壓開始位置用卸壓角表示為90°～99°，往下盤方向范圍約為6.5～7m。同時(shí)在卸壓區(qū)的下盤部位有一承壓區(qū)，范圍約為6m，沿脈工程應(yīng)盡量避開此區(qū)域。

3 采礦方法優(yōu)化

3.1 分段卸壓崩落法工藝

分段卸壓崩落法對(duì)于無(wú)底柱分段崩落法的最主要改進(jìn)在于上分段回采為下分段卸壓，下分段沿脈巷道布置在卸壓區(qū)內(nèi)，提高沿脈回采巷道的利用率，合理回收下盤富礦帶并減輕支護(hù)工作量。在中厚傾斜礦體中由于角度與厚度都不充足，需要從上往下逐分段卸壓，進(jìn)路沿礦體走向布置，上一分段的回采空間為下一分段的沿脈進(jìn)路卸壓，同時(shí)，為充分回收下盤側(cè)高品位礦石，沿脈進(jìn)路布置在底板圍巖里，具體方案見圖1。

因卸壓需要而崩落的上盤圍巖面積S2、因回收富礦帶需要而崩落的下盤圍巖面積S1、以及合理的分段高度H值，均可按采場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖2幾何關(guān)系導(dǎo)出，計(jì)算公式如下：

；

式中：D=2T(af+bn2)(ar+2bctgθ)+B2-

T=ctgα+ctgθ；

α—礦體傾角；β—散體放出角；θ—上盤側(cè)邊孔角；φ—卸壓角；B—礦體水平厚度；Cb—崩礦品位，%；Ck—礦石地質(zhì)品位，%；Cy—上盤圍巖品位，%。

圖1 分段卸壓崩落法方法圖

圖2 分段卸壓崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意

以1410線至1740線之間的礦體為例，計(jì)算得分段高度為8～20m，見表1。

表1 1410至1740線礦體分段高度計(jì)算值

越往深部，分段卸壓崩落法的合理分段高度值越大，相應(yīng)投入采場(chǎng)的采準(zhǔn)工程量就越小。從實(shí)際采出礦量看，分段卸壓崩落法礦石回采率可達(dá)75%以上，貧化率可控制在25%～30%。

3.2 分段卸壓崩落法參數(shù)確定

3.2.1 卸壓角(φ)

礦山壓力傳遞角即上分段采場(chǎng)上盤爆破邊界與下部卸壓區(qū)邊界所成的角度稱為卸壓角，卸壓角的取值范圍與空區(qū)跨度、應(yīng)力降低區(qū)的延深深度、礦體傾角有關(guān)。根據(jù)FLAC3D數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，在礦體厚度7～10m、分段高度8～10m、礦體傾角45°～65°的條件下，卸壓角的最小值可取為90°。隨著卸壓角取值的增大，卸壓程度增大，但是卸壓角過大崩落巖石量過多。綜合考慮，推薦卸壓角不大于95°，即取卸壓角介于90°與95°之間，此時(shí)不僅可消除采動(dòng)壓力，而且至少可卸掉20%以上的原巖壓力[3]。

3.2.2 邊孔角

上盤邊孔角的大小需考慮減小最大孔深和保證邊孔有效爆破兩個(gè)因素，按散體移動(dòng)特性確定上盤邊孔角55°～60°。下盤邊孔角的確定考慮到減小下盤殘留，結(jié)合礦體形態(tài)，綜合考慮下盤崩落廢石與礦量的回收關(guān)系，推薦取下盤邊孔角70°。

3.2.3 崩礦步距

分段卸壓崩落法的落礦及出礦條件與傳統(tǒng)的無(wú)底柱分段崩落法相近，每一步距的可放礦石層高度也與礦用分段崩落法相近，可取2.0～2.2m崩礦步距值。

3.2.4 采場(chǎng)平面布置形式

分段巷道布置在遠(yuǎn)離礦體的穩(wěn)固性巖體里，受采動(dòng)影響小，由于礦體較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)沿走向多分區(qū)開采，可以保證足夠的生產(chǎn)能力。根據(jù)勘探線間距，采區(qū)尺寸為360m，每一采區(qū)布置三條礦石溜井，一條廢石溜井，用一臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)(斗容4.6～5.4m3)出礦，保證四個(gè)工作面可同時(shí)出礦，出礦能力1200t/d。具體見圖3。

圖3 推薦的采區(qū)尺寸與主要工程布置形式

3.2.5 巷道支護(hù)形式

采用常規(guī)的單一縫管式錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)2.0m，每排視巖性打10～11根錨桿，錨桿排間距1.2m。抽條冒頂嚴(yán)重區(qū)域采用錨桿壓鋼筋條支護(hù)，支護(hù)后沒有發(fā)生進(jìn)一步破壞，使整個(gè)回采進(jìn)路全長(zhǎng)投入回采。

3.3 采場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

在488mL分段5#采場(chǎng)進(jìn)行了分段卸壓崩落法試驗(yàn)。該采場(chǎng)礦巖穩(wěn)定性較差，礦體水平厚度8～11m，傾角43°～54°，平均地質(zhì)品位2.52%，試驗(yàn)采場(chǎng)取卸壓角90°，回采進(jìn)路中心距礦體下盤邊界水平距離為8.9～10.3m，崩巖高度4.2～7.6m。在488mL 5#試驗(yàn)采場(chǎng)回采過程中，進(jìn)行下分段500mL 3-4#采場(chǎng)的掘進(jìn)，該采場(chǎng)的沿脈巷按照卸壓角90°進(jìn)行布置。

由于試驗(yàn)采場(chǎng)的沿脈進(jìn)路在部分卸壓范圍之內(nèi)，地壓顯現(xiàn)程度大為減輕，未出現(xiàn)巷道塌冒的地壓活動(dòng)，巷道利用率達(dá)到了100%。試驗(yàn)采場(chǎng)地質(zhì)礦量為23017t，采出礦量29714t，采出礦石品位1.71%，金屬回采率87.60%，礦石貧化率32.14%。采場(chǎng)生產(chǎn)能力800～1000t/d，取得了較好的回采指標(biāo)，從而表明適當(dāng)崩落下盤巖石可顯著提高金屬回采率，也表明分段卸壓崩落法具有較高的適應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)礦巖穩(wěn)定性較差的傾斜中厚礦體采礦工藝研究，得出如下結(jié)論：

1) 礦巖穩(wěn)定性較差的傾斜中厚礦體，容易受采動(dòng)地壓影響，采動(dòng)壓力以垂直壓力為主，集中作用于層、節(jié)理發(fā)育的礦體與近礦圍巖，適當(dāng)卸掉這種垂直壓力，是解決沿脈巷道和采場(chǎng)破壞問題的最簡(jiǎn)捷途徑之一。

2) 通過改進(jìn)無(wú)底柱分段崩落法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)與回采工藝，形成了分段卸壓崩落法開采方案。在礦體的傾角與厚度都不充足的條件下，利用上一分段的回采空間為下一分段的沿脈進(jìn)路卸壓，保證了采場(chǎng)出礦和沿脈巷道的穩(wěn)定；合理設(shè)置參數(shù)崩落下盤圍巖充分回收下盤富礦帶；越是破碎條件下，采礦效果越好。

3) 分段卸壓崩落法使礦山主采區(qū)生產(chǎn)能力增大至4500t/d，礦石損失率由原來(lái)的40%以上降低到25%左右，礦石貧化率由原來(lái)的35%～40%降低到30%左右，表明該方法能夠較好地適應(yīng)主采區(qū)的礦巖穩(wěn)固性，顯著改善采場(chǎng)安全條件，并可取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

[1] 周宗紅,任鳳玉,王文瀟,等.后和睦山鐵礦傾斜破碎礦體高效開采方案研究[J].中國(guó)礦業(yè),2006,15(3):47-50.

[2] 張晉軍.謙比希銅礦主礦體無(wú)底柱分段崩落法改進(jìn)途徑[J].中國(guó)礦山工程,2009(5):10-12.

[3] 任鳳玉,李楠.團(tuán)城鐵礦多空區(qū)礦體開采技術(shù)研究[J].金屬礦山,2008(3):32-34.

[4] 任鳳玉,陶干強(qiáng),李清望,等.西石門鐵礦南區(qū)崩落卸載采礦法試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè),2003,12(1):41-43.