盧安夏銅礦緩傾斜礦體開(kāi)采技術(shù)研究與發(fā)展*

吳 粲，李占炎，王晶軍，胡凱建，王貽明

(1.大冶有色金屬公司，湖北黃石 435101;2.中色集團(tuán)盧安夏銅業(yè)有限公司，北京，100029;3.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083)

1 引言

盧安夏銅礦帶是贊比亞的主要銅礦帶之一，已有70余年的開(kāi)采歷史，是贊比亞的重要產(chǎn)銅區(qū)之一。2008年盧安夏銅業(yè)公司由于受金融危機(jī)的影響而停產(chǎn)，2009年6月中國(guó)有色礦業(yè)集團(tuán)成功接管盧安夏銅業(yè)公司，并于同年恢復(fù)銅礦井下生產(chǎn)。目前，井下陡傾角易采區(qū)已基本開(kāi)采完畢，剩下的為緩傾角中厚礦體，大部分礦體傾角為0°～30°，礦體平均厚度為4～6m，屬于緩傾斜薄——中厚礦體。

緩傾斜薄－中厚礦體開(kāi)采是世界采礦技術(shù)難題，由于該類礦體傾角較小，采下礦石不能借助于自重放出，在采場(chǎng)內(nèi)出礦必須使用運(yùn)搬設(shè)備，因無(wú)頂板檢護(hù)設(shè)備，作業(yè)不安全;又因礦體厚度不大，如開(kāi)掘底盤(pán)出礦漏斗，采切比大，巷道工程量多，影響采礦成本［1－3］。為提高資源回收率，降低貧化損失，安全高效的回收礦石，目前已對(duì)平緩礦體的開(kāi)采方法做了大量的研究，前后嘗試過(guò)充填法與崩落法，取得了許多成果，但也存在許多問(wèn)題。

2 開(kāi)采技術(shù)條件

盧安夏礦帶北部陡傾角區(qū)已基本開(kāi)采完畢，礦帶中部和南部礦體傾角較緩，大部分傾角為0°～30°，礦體厚度平均為4～6m，且礦體產(chǎn)狀呈飄帶狀復(fù)雜多變，為復(fù)雜難采礦體。含礦層及上下各層位巖石及其強(qiáng)度見(jiàn)表1，礦體底部過(guò)渡帶片巖及白云質(zhì)片巖層理裂隙發(fā)育，較為破碎;下盤(pán)礫巖遇水易崩解、泥化，此條件更增加了開(kāi)采難度。

表1 礦體賦存條件及強(qiáng)度表

3 國(guó)內(nèi)外緩傾斜礦體開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 采礦方法應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80～90年代，隨著采礦技術(shù)及設(shè)備的進(jìn)步，各類采礦方法在我國(guó)礦山的應(yīng)用比重發(fā)生了較大的變化［4－5］，留礦法和充填法仍是有色金屬礦山主要采用的采礦方法，而崩落法在礦山應(yīng)用中占據(jù)了20%的比例。當(dāng)前，我國(guó)開(kāi)采緩薄礦體主要存在的問(wèn)題是:礦床賦存條件復(fù)雜、礦山規(guī)模小、機(jī)械化程度低、貧化損失大、采礦成本高。對(duì)于此類緩傾斜礦體，采礦方法多采用壁式崩落法、房柱法及全面法等。其中以壁式崩落采礦法為主，其次是房柱采礦法，全面法及充填法均占有一定的比例［6－7］。

國(guó)外的緩薄礦體開(kāi)采中［8］，美國(guó)以房柱法為主，加拿大多使用充填采礦法，法國(guó)則多為房柱采礦法。上世紀(jì)七十年代以來(lái)，隨著無(wú)軌自行設(shè)備、振動(dòng)設(shè)備、皮帶運(yùn)輸技術(shù)的推廣以及支護(hù)和充填技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外緩傾斜中厚礦體的地下采礦方法也取得了較大進(jìn)展，主要表現(xiàn)在:

(1)無(wú)軌采掘設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，如鏟運(yùn)機(jī)、鑿巖臺(tái)車、噴漿臺(tái)車、振動(dòng)運(yùn)輸機(jī)等的應(yīng)用與發(fā)展，大幅度提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。

(2)深孔鑿巖和裝藥設(shè)備的廣泛應(yīng)用，如高效率深孔鑿巖臺(tái)車和潛孔鉆機(jī)、裝藥臺(tái)車的應(yīng)用，使采礦強(qiáng)度和勞動(dòng)生產(chǎn)率顯著提高。

(3)充填技術(shù)的推廣與應(yīng)用。隨著管道自流輸送、泵壓輸送充填技術(shù)和充填材料的發(fā)展，充填技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，并形成了分條連續(xù)充填法和房柱充填采礦法等新的采礦方法，使資源回收率得到保證，安全條件得以改善。

(4)護(hù)頂支護(hù)技術(shù)的進(jìn)步。錨桿臺(tái)車、噴漿臺(tái)車、錨索和注漿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，加快了支護(hù)速度，改善了安全條件，采礦空頂高度和跨度相應(yīng)提高，降低了貧化損失，促進(jìn)了安全，并形成了新的采礦方法。

3.2 緩傾斜礦體開(kāi)采發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外在開(kāi)采緩傾斜礦體方面的共同發(fā)展趨勢(shì)主要是:研究和采用高效率、高回收率的采礦方法和工藝;研制和使用無(wú)軌化、液壓化、自動(dòng)化程度高的無(wú)軌自行采掘設(shè)備來(lái)提高采礦效率，變革采礦工藝;與科學(xué)的管理方法相結(jié)合，形成一個(gè)優(yōu)化的礦山生產(chǎn)系統(tǒng)，大幅度提高礦山綜合生產(chǎn)能力，改善企業(yè)的總體效益［9－10］。

結(jié)合我國(guó)目前實(shí)際情況，緩傾斜?。泻竦V體的采礦方法研究與實(shí)踐的方向主要有以下幾方面:

(1)進(jìn)一步發(fā)展組合式采礦方案，切合當(dāng)前礦山的采礦方法的演變、應(yīng)用、設(shè)備、工人素質(zhì)等生產(chǎn)實(shí)際，克服單一采礦方法的不足，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，一定程度上提高了礦山的整體效益。

(2)無(wú)軌設(shè)備的進(jìn)一步普及、提高和成套化應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)無(wú)軌采礦設(shè)備品種不全、規(guī)格不齊，特別是針對(duì)小型緩薄礦體開(kāi)采特點(diǎn)的國(guó)產(chǎn)設(shè)備在可靠性和質(zhì)量上與國(guó)外產(chǎn)品有一定差距。目前應(yīng)該以引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的無(wú)軌配套設(shè)備的技術(shù)為基礎(chǔ)，提高我國(guó)無(wú)軌采礦設(shè)備的設(shè)計(jì)水平和制造水平，以降低礦山成本和提高我國(guó)礦山的整體裝備技術(shù)水平。

(3)向機(jī)械化、連續(xù)化方向發(fā)展，使各項(xiàng)采礦作業(yè)連續(xù)和集中，能夠有效的縮短采礦工藝的循環(huán)時(shí)間，降低生產(chǎn)作業(yè)的分散性，提高勞動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。

(4)采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、有限元技術(shù)、散體動(dòng)力學(xué)理論和技術(shù)、CAD、FLAC、ANSYS等設(shè)計(jì)分析軟件，確定系統(tǒng)最優(yōu)方案，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性。

4 盧安夏難采礦體采礦方法研究

針對(duì)緩傾斜礦體的開(kāi)采問(wèn)題，礦山曾嘗試過(guò)充填法與崩落法。充填法主要使用了長(zhǎng)壁式切頂房柱充填法、部分使用過(guò)分層充填法，后因充填體質(zhì)量不能滿足要求、下盤(pán)工程垮塌嚴(yán)重等原因放棄了充填法，又嘗試了單分層崩落法，這也是目前主要使用的采礦方法。

4.1 充填法的研究與應(yīng)用

1990年，TECHNICAL＆ PROCUREMENT SERVICES LIMITED對(duì)盧安夏礦帶中部及南部平緩礦體開(kāi)展了研究，指出用于開(kāi)采北翼陡傾斜礦體的分段崩落法或分段空?qǐng)龇ㄒ巡贿m用于平緩礦體，提出了以長(zhǎng)壁式切頂房柱充填法為主的采礦法用于平緩礦體的開(kāi)采。為了確定不同巖石條件下進(jìn)路、聯(lián)道及采場(chǎng)的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)展了長(zhǎng)壁式切頂房柱充填法采礦方法試驗(yàn)，方案示意圖如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)壁式切頂房柱充填法

試驗(yàn)采場(chǎng)長(zhǎng)50m，穿脈與采礦進(jìn)路斷面尺寸為4.0m(寬)×3.6m(高)，切頂層寬8 ～10m，在礦體較厚的采場(chǎng)內(nèi)切頂層最高達(dá)4m，采用管縫式錨桿和注漿錨桿支護(hù)，第一步驟回采采場(chǎng)寬8m，回采完畢后進(jìn)行膠結(jié)充填，再進(jìn)行二步驟回采，回采一步驟過(guò)程中所留間柱，二步驟回采采場(chǎng)設(shè)計(jì)寬度為10m。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采場(chǎng)頂部的泥質(zhì)石英巖穩(wěn)固性相對(duì)較好，底部的白云質(zhì)片巖相對(duì)較差，但只要采取及時(shí)可靠的支護(hù)，可以保證上部頂盤(pán)切頂聯(lián)道、下盤(pán)運(yùn)輸巷道、進(jìn)路以及切頂層頂板的穩(wěn)定。同時(shí)，隨著采場(chǎng)高度的增加，大量回采期間鑿巖爆破震動(dòng)對(duì)礦柱及采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性的影響會(huì)加劇，在采場(chǎng)大量回采前，采用長(zhǎng)錨索和鋼網(wǎng)加固圍巖是非常必要的。

1993年，長(zhǎng)壁式切頂房柱充填法開(kāi)始用于生產(chǎn)中，主要針對(duì)厚度大于5.5m，傾角小于30°的礦體;而對(duì)于厚度小于5.5m的緩傾斜礦體采用分層充填法，部分使用點(diǎn)柱分層充填法。單從采礦方法與回采工藝來(lái)講，這些采礦方法與礦體賦存條件是相符的，但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中并未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，依然存在許多問(wèn)題。經(jīng)研究，認(rèn)為生產(chǎn)過(guò)程中主要存在以下幾方面問(wèn)題:

(1)礦山當(dāng)?shù)厮鄡r(jià)格昂貴，成本較高;實(shí)施過(guò)程中水泥添加量及充填濃度控制差，導(dǎo)致井下出現(xiàn)充填粗細(xì)尾砂分層、跑沙、凝固時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，同時(shí)大量的充填水沿裂隙滲透，使礦體下盤(pán)接觸帶更易破壞，采場(chǎng)穩(wěn)定性降低;

(2)采準(zhǔn)及充填工程一般布置在礦體下盤(pán)及其接觸帶附近，礦巖破碎，遇水極易垮塌，部分采場(chǎng)頂板支護(hù)不及時(shí)或不合理，導(dǎo)致采場(chǎng)頂板垮塌，采場(chǎng)報(bào)廢，這是充填法在礦山難以推廣應(yīng)用的主要原因;

(3)采充循環(huán)與生產(chǎn)組織困難，充填滯后影響生產(chǎn)，嚴(yán)重的會(huì)影響采場(chǎng)穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的礦石損失或采場(chǎng)報(bào)廢;存在爆破超挖現(xiàn)象，不能按設(shè)計(jì)預(yù)留礦柱，穩(wěn)定性受到影響。

由于當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件及工人的技術(shù)水平的限制，充填法使用過(guò)程中種種問(wèn)題無(wú)法得到有效解決，最終導(dǎo)致充填法被淘汰。

4.2 崩落法的研究與應(yīng)用

在充填法被淘汰后采用了改進(jìn)的分段崩落法，示意圖如圖2所示。

圖2 單分段崩落法示意圖

由于礦脈較薄，開(kāi)采采用單分段崩落。不同水平的運(yùn)輸巷道通過(guò)斜坡道相連，采準(zhǔn)切割工程均布置在脈外礦體下盤(pán)，為保證工程的穩(wěn)定性，工程一般布置在離礦體下盤(pán)5m以外，并使用注漿錨桿進(jìn)行支護(hù)，必要時(shí)增掛鋼網(wǎng)、噴漿封閉巖面。

在每個(gè)水平運(yùn)輸巷道內(nèi)垂直礦體走向方向掘進(jìn)出礦進(jìn)路，進(jìn)路間距為10m，每3條進(jìn)路為一個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)寬12m。采場(chǎng)沿傾向間留3m礦柱，回采順序自傾向方向自上而下回采，同一水平內(nèi)回采順序以出礦進(jìn)路為中心自遠(yuǎn)端后退式回采。巷道與切割天井的爆破使用淺孔爆破，采場(chǎng)拉槽及崩礦采用上向扇形中深孔爆破，扇形孔邊孔角為45°～55°，孔底距不大于2.2m，排間距2m，每次爆破1～2排。

銅礦的原礦平均地質(zhì)品位在2.2%左右，但是2011年全礦采出平均品位為1.36%左右。礦石的貧化率很高，與此同時(shí)，礦石的損失率也居高不下。分析原因，主要在于礦體下盤(pán)接觸帶破碎，開(kāi)拓采準(zhǔn)工程難以貼近礦體，一般布置在礦體下盤(pán)5m以外的穩(wěn)定巖石中，造成采場(chǎng)設(shè)計(jì)一次貧化和損失就很大，一般超過(guò)20%，另外在回采過(guò)程中頂板垮塌造成的貧化與損失，一般采場(chǎng)貧化損失在40%左右，導(dǎo)致品位難以提高。采礦過(guò)程中，當(dāng)?shù)V體頂板不能及時(shí)崩落時(shí)，爆破的礦石拋擲到相鄰采空區(qū)，導(dǎo)致礦石損失增大;出礦過(guò)程中，由于礦石的自然安息角，兩出礦巷道之間的部分礦石無(wú)法回收。

為減少?gòu)U石混入，提高出礦品位，首先盡量減少設(shè)計(jì)廢石混入，所以必須縮短鑿巖道與礦體底板的距離。2011年，以礦帶東區(qū)平緩礦體為主要研究對(duì)象，礦體平均傾角16°，礦體平均厚度6m，使用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)鑿巖道離礦體底板的距離分別為3m和5m的情況進(jìn)行了模擬研究。研究結(jié)果表明，兩種方案鑿巖道開(kāi)挖后圍巖所承受的壓應(yīng)力基本接近，鑿巖巷道離礦體底盤(pán)5m布置時(shí)采區(qū)頂板及礦柱的應(yīng)力均比鑿巖巷道離礦體底盤(pán)3m布置時(shí)大，其原因主要是巷道離礦體底盤(pán)5m布置時(shí)，崩礦后采空區(qū)的高跨比(1.234)相對(duì)較大(3.0m時(shí)高跨比為1.064)，且采空區(qū)暴露體積更大，頂板及礦柱所要承受的應(yīng)力更大，所以采空區(qū)穩(wěn)定性更差;巷道離礦體底盤(pán)3.0m時(shí)，采礦的設(shè)計(jì)貧化率為24.8%，視在回收率79.6%，巷道離礦體底板5.0m時(shí)，設(shè)計(jì)貧化率34.8%，視在回收率為79.8%。二者礦石回收率相差不大，但是礦石貧化率要高10.0%，如圖3所示。

圖3 鑿巖道不同布置方式貧化損失示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

盧安夏緩傾斜礦體的開(kāi)采試用過(guò)多種采礦方法，這些采礦方法理論上均為可行，但是均為收到理想的效果，包括目前所使用的單分段崩落法，損失貧化率居高不下，主要原因在于:緩傾斜薄－中厚礦體屬于難采礦體，且礦體下盤(pán)巖石物理力學(xué)性能差，不利于工程布置。盧安夏緩傾斜礦體要實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采，首先，需改進(jìn)支護(hù)手段以保證不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)工程的穩(wěn)定性;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行采礦方法的革新以徹底改變貧化損失高的問(wèn)題。

隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，支護(hù)技術(shù)的進(jìn)步促使新的采礦方法越來(lái)越多的出現(xiàn)，現(xiàn)代科學(xué)的設(shè)計(jì)方法不斷提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量與精度，機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用促使生產(chǎn)趨于安全高效經(jīng)濟(jì)，未來(lái)將必然實(shí)現(xiàn)緩傾斜礦體的安全高效回采。

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