多中段群空區(qū)下緩傾斜厚大礦體分區(qū)高效回采實踐

盛 佳 陳 蓓 李向東 周益龍 王愛民 江飛飛

(1. 長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙410012;2. 國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙410012;3. 崇禮紫金礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 張家口076350)

緩傾斜厚大礦體屬于難采礦體類型，其原因一是因為礦體傾角不夠陡，無法在采場內(nèi)實現(xiàn)重力放礦，致使出礦工藝復(fù)雜，二是礦體合理的回采方案難以確定，要實現(xiàn)高效經(jīng)濟開采的難度很大。厚大礦體大都劃分為兩步驟或多步驟分區(qū)開采，其合理的回采方案將直接影響到多步驟采場回采的安全性。同時，施工工程的有效嵌套銜接也影響回采成本的經(jīng)濟性。因此，研究緩傾斜厚大礦體的合理分區(qū)回采方案，是實現(xiàn)該類礦床整體高效經(jīng)濟安全回采的關(guān)鍵所在，也是礦山持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的前提條件。

1 礦山開采技術(shù)條件及采礦方法簡介

1.1 開采技術(shù)條件

某大型巖金礦床受斷裂構(gòu)造和蝕變節(jié)理裂隙帶控制，主要由1 號和70 號脈群組成。其中70 號脈群由7 條礦脈構(gòu)成，多為緩傾斜至傾斜的厚大礦體，分布在7 線以南1 號脈群的上盤，礦脈均賦存在硅鉀化二長巖蝕變帶內(nèi)，蝕變帶總體展布方向0° ～350°，西傾或南西傾，傾角20° ～45°，蝕變帶寬達130 ～300 m。礦體連續(xù)完整，穩(wěn)定性良好;頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)定性較好，抗風(fēng)化能力較強，屬于堅硬半堅硬礦體。工程地質(zhì)勘探類型簡單，水文地質(zhì)條件中等。

1.2 采礦方法及開采現(xiàn)狀

礦區(qū) 主 要 的 中 段 為1466、1427、1390、1344、1304、1264、1224 和1184 中段，據(jù)初步統(tǒng)計，1304 中段以上空區(qū)體積達130 萬m3。1304 中段采用空場法回采后形成了群空區(qū)，有少量的礦柱支撐礦體的頂板，空區(qū)相互連通，造成上盤圍巖持續(xù)冒落。1264 中段擬采用兩步驟空場回采嗣后崩落方案。為了更好地回收地下資源，保護礦山地表環(huán)境，1224 中段以下將采用全尾砂膠結(jié)充填。因此，1264 中段是礦山2 500 t/d 改擴建過渡性回采中段，亦是空場法轉(zhuǎn)為充填法的過渡中段。1264 中段與1224 中段一步驟對應(yīng)的采場，原在中段留有3 m 厚的礦柱，上下采場回采后部分礦柱塌落，空區(qū)相互連通。1264 中段17線以北由于是礦區(qū)的工業(yè)廣場、辦公區(qū)和生活區(qū)，地表不允許移動和崩落，故17 線以北不采用強制崩落頂板處理空區(qū);23 線以南由于零星礦脈分枝復(fù)合嚴重，采用空場法或充填采礦法進行回采。本次研究主要在15 線以南，大盤區(qū)采場沿走向100 m，采場垂直礦體布置，盤區(qū)內(nèi)共7 個采場，分別為3231、23N22、21S13、21N2、19S33、19S18、19S3，一步驟10 m 寬4 個采場3231、21S13、19S33、19S3 采場已采用中深孔回采，空區(qū)空頂時間達幾年甚至十來年。復(fù)雜群空區(qū)下3 個20 m 寬的23N22、21N2、19S18 礦柱采場組成1個試驗盤區(qū)。由于盤區(qū)采場礦體厚大，平均水平厚度在120 m 左右，為滿足采礦生產(chǎn)能力需求，將礦柱采場劃分成兩個區(qū)域回采，兩區(qū)域中間由隔離礦柱分開，下盤礦體采用分段空場側(cè)向崩礦嗣后放頂方案，上盤三角礦體采用分段空場正向崩礦法方案。

2 大盤區(qū)采場分區(qū)高效回采方案

大盤區(qū)采場分區(qū)高效開采主要包括下盤礦柱采場及上盤三角礦柱采場回采，方案選擇中遵循安全、高效、經(jīng)濟開采的原則。

2.1 下盤礦柱采場回采方案

針對一步驟采空區(qū)未處理條件下二步驟采場回采，研發(fā)了盤區(qū)分段空場側(cè)向崩礦嗣后放頂方案。在確定了回采方案的前提下，如何實現(xiàn)二步驟采場的高效率、低成本、安全開采，關(guān)鍵在于選擇合理的盤區(qū)采場回采方案。針對二步驟采場回采方案，提出“連續(xù)回采連續(xù)放頂處理空區(qū)(方案一)”和“隔一采一間隔放頂處理空區(qū)(方案二)”2 種方案。

(1)方案一。從南向北逐一回采23N22、21N2、19S18 采場，回采23N22 采場后，強制崩落3231 采場空區(qū)頂板巖石充填空區(qū)。采場回采超前1 個放頂采場，使崩落的廢石不會落到回采采場的礦石堆上，有利于降抵礦石貧損指標;盤區(qū)內(nèi)只有1 個采場進行回采作業(yè)，生產(chǎn)能力較小。其回采方案示意見圖1。

圖1 連續(xù)回采連續(xù)放頂空區(qū)處理方案Fig.1 Goaf management scheme of continuously mining and caving

(2)方案二。同時回采23N22、19S18 采場，21N2作為盤區(qū)礦柱采場后回采，空場回采出完大部分礦石后，強制崩落21N2 礦柱采場南北兩翼空區(qū)頂板，再回采21N2 礦柱采場，21N2 采場回采是在兩側(cè)都崩落頂板廢石下進行的，在覆蓋巖下進行出礦;盤區(qū)內(nèi)同時有2 個采場進行回采作業(yè)，生產(chǎn)能力較大。其回采方案示意見圖2。

圖2 隔一采一間隔放頂空區(qū)處理方案Fig.2 Goaf management scheme of one every the other one caving

通過2 種回采方式的受力、塑性破壞區(qū)域、頂板位移分析，結(jié)合滿足生產(chǎn)能力的需要，最終確定采用隔一采一間隔放頂處理空區(qū)方案，首先回采23N22、19S18 采場，中間的21N2 采場作為盤區(qū)的礦柱采場，分析比較在此不作詳述。

2.2 上盤三角礦柱采場回采方案

下盤礦體采用分段空場側(cè)向崩礦，崩落頂板充填空區(qū)后，為保證崩落的廢石不落入三角礦體采場，因此中間留有傾斜的隔離礦柱，保證2 個區(qū)域的相對獨立。三角礦體采用分段空場正向崩礦法，下盤礦柱和上盤三角礦柱采場回采順序均為從上向下回采。首先回采19S18、23N22 采場第4 分段，在底部結(jié)構(gòu)和第3 分段出礦進路出完礦后，回采19S18、23N22 采場第3 分段，然后依次向下回采，回采完試驗采場23N22、19S18 后，強制放頂崩落頂板廢石。崩落頂板充填空區(qū)，崩落廢石落在試驗采場底板上，并且對一部分裝礦進路進行封堵，防止沖擊波破壞設(shè)備和巷道工程及引發(fā)安全事故。

3 厚大礦體分區(qū)高效采場回采實踐

結(jié)合礦區(qū)厚大礦體分區(qū)高效回采方案，遵循工程布置及回采相互兼顧的原則，開展試驗采場采準工程施工、回采爆破出礦工藝實踐。

3.1 下盤礦柱采場回采實踐

盤區(qū)斜坡道從1264 中段23 線位置開口，分段巷從斜坡道開口在礦體下盤沿礦體走向方向開鑿，分段巷道離礦體的下盤邊界30 m 左右，分段高度10 m，中段高度40 m，為了回收1304 中段底柱，1304 中段底柱作為盤區(qū)采場第4 分段進行回收。為保護1264中段環(huán)形汽車運輸巷，盤區(qū)采場中段底柱定為10 m高，并且為1224 中段改用充填采礦法留有足夠的高度進行調(diào)節(jié)，1224 中段充填法采場向上回采到1264中段的底柱，應(yīng)留有2 ～3 m 高的隔離層，保證上部中段崩落法和下部中段充填法采場的衍接。每一個采場垂直礦體走向布置1 條裝礦進路，巷道規(guī)格2.7 m×2.7 m。二步驟采場從裝礦進路順著采場的中心線開鑿1 條鑿巖聯(lián)絡(luò)巷到礦體邊界或采場邊界，鑿巖聯(lián)絡(luò)巷可兼作探礦巷控制礦體的頂板邊界。在礦體的底板邊界沿礦體走向開鑿1 條中深孔鑿巖巷，然后以第1 條鑿巖巷為起點，每隔20 m 開鑿1 條鑿巖巷。根據(jù)礦體的厚度布置鑿巖巷的條數(shù)，鑿巖巷兩端都要開到兩側(cè)空區(qū)為止，鑿巖巷和鑿巖聯(lián)絡(luò)巷規(guī)格都是2.7 m×2.7 m，保證鏟運機能行走。在礦體的下盤與分段平巷一定的距離布置盤區(qū)溜礦井，溜礦井的傾角為60°，并與1304 中段的巷道貫通，在1264 中段與汽車運輸巷用聯(lián)絡(luò)巷連通。在1264 中段對應(yīng)的采場也布置裝礦進路與原主巷連通，形成出礦通道。在試驗采場1264 中段底部結(jié)構(gòu)布置的受礦塹溝漏斗，與裝礦平巷聯(lián)通。

試驗采場兩側(cè)為原一步采場空區(qū)，以兩側(cè)空區(qū)為自由面進行雙向爆破，爆破炸藥采用粉狀膨化硝胺炸藥，采用孔底起爆方式，孔底起爆彈內(nèi)裝入單發(fā)澳瑞凱毫秒差雷管。中深孔裝藥完后，進行組網(wǎng)連線，每10 發(fā)雷管與分導(dǎo)爆索綁扎連接，然后分導(dǎo)爆索與主導(dǎo)爆索連接。導(dǎo)爆索與導(dǎo)爆索正向連接，即爆轟波的傳播方向的角度大于90°。主導(dǎo)爆索連在起爆雷管上，采用電子擊發(fā)起爆器起爆。澳瑞凱雷管每段雷管延時25 ms，且延時精度高，可實現(xiàn)排內(nèi)分段和排內(nèi)多段逐孔起爆破技術(shù)，扇形中深孔中間3 個孔為同段雷管，其余孔增加1 段，中間3 孔先爆，起爆后在排內(nèi)實現(xiàn)2 個自由面，改善爆破效果。多段逐孔爆破技術(shù)，利用雷管延時準確，中間孔為本排第1 段，兩側(cè)孔逐孔增加1 段，后排孔相對應(yīng)的孔增加1 段，這樣在排內(nèi)布置多段雷管，排內(nèi)各孔逐孔爆破，見圖3、圖4。經(jīng)過多次試驗中深孔爆破塊度均勻，爆破后大塊率低，鏟裝效率高。

圖3 排內(nèi)分段爆破示意Fig.3 Schematic diagram of subordinate blasting within rows

圖4 排內(nèi)多段逐孔爆破示意Fig.4 Schematic diagram of multiple segments and hole-by-hole initiating

盤區(qū)試驗采場每一個分段有7 條裝礦進路，每爆破一分段的礦體，都有3 個以上的裝礦點，爆破本分段可以在下一分段的裝礦進路出礦，可實現(xiàn)多點出礦。采場鏟運機裝入礦用卡車運至主溜井。

盤區(qū)試驗采場兩側(cè)是空區(qū)，一步驟采場空區(qū)均與上中段的回風(fēng)巷連通，采場新風(fēng)從斜坡道進入各分段平巷，再進入各采場的出礦平巷進入回采工作面，工作面的污風(fēng)進入兩側(cè)采場的空區(qū)經(jīng)上中段的回風(fēng)巷流出。

3.2 上盤三角礦柱采場回采實踐

布置上盤三角礦柱采場21S13、21N2 采準工程，從21N2 的試驗采場的鑿巖聯(lián)絡(luò)巷延伸至采場上盤邊界，從礦體上盤開1 條巷道到19S13 采場，再沿21S13 采場中心線掘進鑿巖巷到空區(qū)邊界，23N22 的采準工程是從1264 中段的上盤探礦巷開上山到各分段再掘進分段鑿巖巷。底部結(jié)構(gòu)以1264 中段21、23線的穿脈運輸巷作為出礦巷向各采場布置裝礦巷和受礦漏斗，相鄰受礦漏斗的間距為12 m 左右，受礦漏斗形成是在出礦巷的靠端部布置漏斗頸作為受礦漏斗的切割井，在漏斗頸附近的出礦巷鉆鑿扇形中深孔，以斗頸為自由面分次微差爆破形成受礦漏斗，構(gòu)成三角礦體采場的出礦底部結(jié)構(gòu)。三角礦體采用正向崩礦后退式回采各分段，于各分段采場邊界附近沿礦體開鑿切割橫巷，在鑿巖巷與切割橫巷交叉點向上開鑿切割天井，以切割天井為自由面再崩落形成切割立槽。

回采第3 分段，施工人員及設(shè)備從21N2 采場的鑿巖巷經(jīng)放頂巷到達工作面進行作業(yè)，后退式回采作業(yè)?；夭傻? 分段，施工人員從1264 中段放頂巷道經(jīng)23N22 采場的行人上山到達第1 分段，再經(jīng)第1 分段與第2 分段聯(lián)絡(luò)天井到達采場第2 分段工作面進行后退式回采作業(yè)?；夭傻叫腥司浇?，采用一次性起爆結(jié)束第2 分段回采?；夭傻? 分段，施工人員從1264 中段放頂巷道經(jīng)行人上山到達第1 分段工作面進行施工作業(yè)，正向崩礦后退式回采。

三角礦體采場回采，采場兩側(cè)都是一步驟的采空區(qū)，多分段同時作業(yè)，試驗采場和三角礦柱采場都可能同時作業(yè)，因此在進行爆破作業(yè)過程中，嚴禁在相鄰中段及分段和各采場出礦進路進行解炮作業(yè)。由于采用空場法回采礦體，采場面積過大，二步驟采場、礦柱采場都存在應(yīng)力大，回采過程中注意巷道的片幫、變形情況，不應(yīng)冒險作業(yè)。底部結(jié)構(gòu)出礦過程應(yīng)均勻出礦，采場要留有一定的礦石墊層，保證大面積的頂板崩落，人員和設(shè)備的安全。

4 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

厚大礦體分區(qū)高效試驗盤區(qū)采場共采出礦石541 263 t，創(chuàng)造工業(yè)總產(chǎn)值55 074.6 萬元，利稅37 754.2萬元，凈利潤28 315.6 萬元;下盤礦柱采場回采損失率為5%，貧化率為8.2%。盤區(qū)試驗采場主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表1。

表1 盤區(qū)試驗采場主要技術(shù)經(jīng)濟指標Table 1 Main techno-economic indexes of experiment stope at panel area

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合緩傾斜厚大礦體兩步驟分段空場嗣后充填方案，針對多中段群空區(qū)下一步驟采空區(qū)未處理條件下二步驟采場回采，創(chuàng)新提出了二步驟采場預(yù)留隔離礦柱上下盤分區(qū)高效回采方案。

(2)通過方案優(yōu)選，確定二步驟采場采用隔一采一間隔放頂處理空區(qū)方案，下盤礦體采用分段空場側(cè)向崩礦嗣后放頂方案，上盤三角礦體采用分段空場正向崩礦法方案。開展了大盤區(qū)采場分區(qū)現(xiàn)場工業(yè)試驗，實現(xiàn)了多中段群空區(qū)下緩傾斜厚大礦體的高效經(jīng)濟安全開采，為類似條件礦山開采提供了重要的技術(shù)支撐。

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