觀天廠銅礦傾斜薄礦體開采工藝研究

林 友 尤本勇 董繼德 夏建波 文義明

(1.昆明冶金高等?？茖W(xué)校礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033；2.昆明賽特拉礦山工程設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650011；3.保山市民生安全評(píng)價(jià)有限公司，云南 保山 678000)

壁式崩落法主要用于開采頂板不穩(wěn)固的緩傾斜薄礦體。采幅高度一般等于礦體厚度，但很少超過3 m[1]。經(jīng)過多年的實(shí)踐應(yīng)用，該法在對(duì)緩傾斜薄礦體的開采過程中有了很大的技術(shù)創(chuàng)新，使這種方法不斷得到改進(jìn)，如沿礦體走向推進(jìn)的直線長壁式單層崩落法、沿礦體走向推進(jìn)的階梯長壁式單層崩落法、沿礦體傾斜上向推進(jìn)的長壁式單層崩落法、沿礦體傾斜下向推進(jìn)的短壁式崩落法、人工頂柱無底柱長壁式崩落法、人工底柱長壁式崩落法等，這些方法主要從采場(chǎng)頂板管理、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)能力及作業(yè)面安全等方面進(jìn)行考慮[2]。

觀天廠銅礦KTⅠ號(hào)礦體屬傾斜薄礦體，礦山自2012年開采以來一直采用傾斜下向推進(jìn)短壁式崩落法開采。近年來，隨著礦石價(jià)位持續(xù)走低，礦山處于虧損狀態(tài)，原采礦方案存在作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、采礦效率低、生產(chǎn)能力低以及安全性差等一系列急待解決的問題。受企業(yè)委托，對(duì)其采礦方法進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，采用了偽傾斜面布置采場(chǎng)的優(yōu)化方案，即將原來的沿礦體傾斜下向耙礦改為偽傾斜耙礦方案，以此來降低電耙耙礦的傾角，確保安全出礦，同時(shí)亦提高了采礦工效等。此方案在該礦進(jìn)行試驗(yàn)并取得了成功，為采場(chǎng)頂板不穩(wěn)固的傾斜薄礦體高效安全回采提供了一個(gè)有效途徑。

1 開采條件

觀天廠銅礦KTⅠ號(hào)礦體賦存于落雪組中下部白云巖中，產(chǎn)狀與圍巖近一致，傾向0°～30°，傾角29°～33°，平均30°，呈透鏡狀巖層產(chǎn)出，一般長幾十米至200 m，最長530 m，傾斜延深145 m，厚2.3～3.0 m，平均2.7 m，品位0.5%～2.0%，礦體地表無建筑及生活區(qū)等設(shè)施，允許崩落。礦石礦物主要有孔雀石、藍(lán)銅礦和黑銅礦。脈石礦物有白云石、石英、方解石、絹云母和鐵質(zhì)等。

礦區(qū)地勢(shì)相對(duì)較高，地處區(qū)域分水嶺附近，區(qū)內(nèi)無常年性地表水體和地下水泉點(diǎn)分布。各含水層主要在其露頭區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給，屬地下水補(bǔ)給、徑流區(qū)部位，地下水埋藏較深，主要充水含水層地下水位低于開采標(biāo)高。設(shè)計(jì)開采的礦體位于地下水位之上。但礦體圍巖為白云巖及白云巖強(qiáng)風(fēng)化后形成的巖石風(fēng)化殼，透水性強(qiáng)～中等，由于該地層裸露地表，部分礦層緊鄰斷裂(F2、F3)，因此，大氣降雨易滲入地下，可能對(duì)礦山地下開采造成不利影響。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡單類型。

礦區(qū)地表廣泛分布的巖石風(fēng)化殼厚度較大、強(qiáng)度低，礦山采礦主要在巖石風(fēng)化殼中進(jìn)行，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巷道圍巖穩(wěn)定性差、屬破碎巖體，易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，需采用混凝土支護(hù)進(jìn)行處理。地下采礦巷道等遭受片幫、垮塌可能性大。采場(chǎng)頂板的允許暴露面積小。嚴(yán)重威脅礦業(yè)活動(dòng)的正常進(jìn)行，對(duì)當(dāng)?shù)亓值刭Y源破壞較大，礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

2 原采礦方案及主要問題

礦體圍巖主要為白云巖及白云巖強(qiáng)風(fēng)化后形成的巖石風(fēng)化殼，穩(wěn)定性極差。礦山采用沿礦體傾斜下向推進(jìn)的短壁式崩落法回采已有5 a多，見圖1所示。礦塊沿礦體走向布置，長24 m，頂?shù)字呔鶠? m，開采工作線沿礦體傾斜下向推進(jìn)，先沿礦房兩側(cè)分別掘2 m寬通風(fēng)上山，自礦房中部掘電耙上山及電耙硐室，礦房頂部掘超前切割橫巷，再以電耙上山為作業(yè)空間，分別向兩側(cè)礦體鑿平行淺孔進(jìn)行爆破，每次崩礦長度以3～4 m為宜，炮孔與上山中心線呈60°夾角，利用爆力將大量礦石拋向上山內(nèi)，再利用電耙將礦石順上山耙至采場(chǎng)底部運(yùn)輸巷道。左右遠(yuǎn)端礦體回采時(shí)，由于距離電耙上山較遠(yuǎn)，采下礦石需進(jìn)行人工運(yùn)搬或電耙轉(zhuǎn)運(yùn)至上山內(nèi)再進(jìn)行接力耙運(yùn)。

多年開采證明該方法存在的主要問題有：未拋入上山的殘留礦石量較多，約占60%，人工清理難度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，需進(jìn)行接力耙運(yùn)，出礦效率極低，采場(chǎng)生產(chǎn)能力低；礦體傾角超過29°，電耙順礦體傾角耙礦，礦石滾動(dòng)會(huì)對(duì)下方人員及設(shè)施構(gòu)成威脅，安全性極差；需布置的上山多，采切工程量較大，采礦成本高，且工效低；由于采場(chǎng)左側(cè)上山被崩落頂板圍巖填堵，其回采時(shí)通風(fēng)效果較差；崩落的頂板圍巖順礦體傾角向下因其自重及爆破震動(dòng)等原因易形成滑動(dòng)體，故為了確保安全，用于臨時(shí)支撐的木支柱需更加密集，木材消耗量有所增加。

圖1 原采礦方案Fig.1 Original mining scheme

3 采礦方案改進(jìn)

3.1 改進(jìn)要點(diǎn)

近年來，由于礦業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)走低，銅金屬價(jià)格一直在低位徘徊，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益較差[3]。為了避免原采礦方案存在的問題，更加經(jīng)濟(jì)合理地利用銅礦資源，本次研究改進(jìn)方案設(shè)計(jì)采用了沿偽傾斜面布置采場(chǎng)的長壁式崩落采礦方案，如圖2所示。

與原沿礦體傾斜下向推進(jìn)的短壁式崩落法對(duì)比，具體做了以下3方面改進(jìn)：

(1)采用偽傾斜面布置采場(chǎng)，避免崩落的圍巖形成易滑動(dòng)體，減少了部分坑木耗材用量，將電耙耙礦傾角降低至25°左右，確保安全出礦。偽傾斜面與礦體走向夾角γ的確定方法如下：本次設(shè)計(jì)沿用原運(yùn)輸巷道脈內(nèi)靠下盤的布置形式，中段高度25 m。在AutoCAD軟件中以耙礦傾角β=25°，中段高H=25 m繪制直角三角形BED，采場(chǎng)立體示意圖見圖3。通過計(jì)算或量測(cè)得到采場(chǎng)有效長度L=59.2 m。當(dāng)?shù)V體傾角α為30°時(shí)，由于

故

同理可計(jì)算，當(dāng)?shù)V體傾角分別為33°和29°時(shí)，γ分別為51°和61°，即在生產(chǎn)中應(yīng)視礦體傾角來控制偽傾斜面與礦體走向夾角的范圍在51°～61°內(nèi)。

圖2 改進(jìn)采礦方案Fig.2 Improved mining scheme

圖3 采場(chǎng)立體示意Fig.3 Stereoscopic drawing of stope α—礦體傾角；β—耙礦傾角；γ—偽傾斜面與礦體走向夾角

(2)采場(chǎng)長度增大，采準(zhǔn)工作量減小，回采工作面采取階梯式布置，使鑿巖、支護(hù)、運(yùn)搬3個(gè)工序同時(shí)作業(yè)，互不干擾，故采場(chǎng)生產(chǎn)能力大幅提高。

(3)回采礦石絕大部分可拋擲到作業(yè)面附近形成集中爆堆，便于出礦，可直接采用電耙進(jìn)行運(yùn)搬，人工清理工作量減少，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，工效提高，進(jìn)而使采礦成本降低[3]；同時(shí)，將上中段電耙硐室與礦房于頂柱內(nèi)掘通后作為回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道，兼作采場(chǎng)第2個(gè)安全出口，上下中段的電耙硐室偽傾斜交錯(cuò)布置，這樣便于形成采場(chǎng)貫穿風(fēng)流通風(fēng)[4]。

3.2 礦塊布置及構(gòu)成要素

設(shè)計(jì)沿用原運(yùn)輸巷道脈內(nèi)靠下盤的布置形式，礦塊沿礦體走向偽傾斜面布置，偽傾斜面與礦體走向夾角控制在51°～61°范圍內(nèi)，采場(chǎng)沿走向長48 m，工作面斜長46～52 m，頂?shù)字遍L均為5 m，采場(chǎng)高度為礦體垂直厚度。取懸頂距6.0 m、放頂距4 m、控頂距2.0 m，以確保長壁工作面安全推進(jìn)。采用偽傾斜上向階梯式回采，這樣可多工序同時(shí)作業(yè)，提高采礦工效和出礦能力；每次崩礦時(shí)應(yīng)在立柱一側(cè)架設(shè)木板以防止礦石與采空區(qū)崩塌的廢石相混，以降低礦石貧化率。

3.3 采準(zhǔn)切割

沿中段運(yùn)輸平巷一側(cè)間隔6 m掘電耙硐室至采場(chǎng)拉底層，上下中段的電耙硐室偽傾斜交錯(cuò)布置，上中段電耙硐室與礦房于頂柱內(nèi)掘通。在采場(chǎng)內(nèi)沿礦體偽傾斜面向上掘切割上山并與上中段運(yùn)輸平巷貫通，在礦房底部沿礦體走向掘切割平巷，回采時(shí)從切割平巷開始沿切割上山由下往上分梯段進(jìn)行。

3.4 礦塊回采

(1)鑿巖爆破。采用YT-28型鑿巖機(jī)打眼，孔深3.0～3.2 m，在布置炮眼時(shí)，應(yīng)注意不要破壞頂板和崩倒支柱，同時(shí)需有利于安全生產(chǎn)、爆堆集中、減少礦石貧化及損失和便于電耙出礦。

(2)采場(chǎng)通風(fēng)。新鮮風(fēng)流從中段運(yùn)輸平巷經(jīng)上山、切割平巷到達(dá)回采工作面，清洗工作面后的污風(fēng)經(jīng)采場(chǎng)上部電耙硐室回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入回風(fēng)平巷后排出地表。采場(chǎng)通風(fēng)主要利用礦井的主風(fēng)壓進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，在爆破后或需要加強(qiáng)通風(fēng)時(shí)采用JK55-2NO4局扇通風(fēng)[2]。

(3)出礦。每循環(huán)崩落的礦石采用2DPJ-15型耙礦絞車沿偽傾斜面耙運(yùn)至中段運(yùn)輸巷道內(nèi)0.7 m3的礦車中[2]，用人力推運(yùn)至坑外。礦體爆破前應(yīng)在立柱旁安設(shè)木板與采空區(qū)崩落圍巖隔開，以降低礦石損失和貧化。

3.5 地壓管理

由于采場(chǎng)頂板圍巖穩(wěn)固性較差，回采后需用木支柱進(jìn)行支護(hù)，隨著長壁工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)頂板跨距增大，地壓也會(huì)逐漸增大。當(dāng)推進(jìn)到一定距離時(shí)要進(jìn)行放頂，以釋放采場(chǎng)應(yīng)力減輕地壓。撤柱放頂按照懸頂距6.0 m、放頂距4.0 m、控頂距2.0 m(即“采三放二留一”)的原則進(jìn)行，以確保工作面的安全。放頂時(shí)應(yīng)加密切頂支柱。采場(chǎng)內(nèi)的木支柱可以用回柱絞車進(jìn)行回收，回收時(shí)采用由下往上的順序進(jìn)行，個(gè)別地方因地壓太大和安全情況差時(shí)也可以不回收，用爆破的方法炸斷立柱進(jìn)行放頂。撤柱后如因頂板不能冒落時(shí)可以在控頂空間支鑿巖機(jī)，向切頂立柱外側(cè)打少量的炮孔裝藥用爆破進(jìn)行強(qiáng)制崩落放頂。當(dāng)?shù)V山條件較好時(shí)也可以用桿柱配合立柱進(jìn)行護(hù)頂，以減少木材的消耗[5]。采場(chǎng)回采完畢后，應(yīng)封閉通向采場(chǎng)的各種通道，在地表設(shè)置采空區(qū)移動(dòng)范圍警戒線標(biāo)志。

4 綜合指標(biāo)對(duì)比

針對(duì)觀天廠銅礦傾斜薄礦體開采時(shí)存在的問題，設(shè)計(jì)采用了偽傾斜面布置采場(chǎng)的優(yōu)化開采方案，并在該礦進(jìn)行了改進(jìn)方案實(shí)踐后，證明此工藝在技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)效益有所改善。改進(jìn)的采礦方案與原采礦方案綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Table 1 Comparison of comprehensive technical and economic indexes

通過與原方案比較，設(shè)計(jì)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)千噸采切比有所降低，新設(shè)計(jì)的采準(zhǔn)布置方案采場(chǎng)走向長度增大，礦量大大增加，且較原方案減少了1條采準(zhǔn)上山，故采切比降低了5.4 m/kt。

(2)采礦效率有了明顯的提高，采礦直接成本亦明顯降低。新設(shè)計(jì)方案與原方案對(duì)比，鑿巖、支護(hù)、運(yùn)搬3個(gè)工序可同時(shí)進(jìn)行，其工時(shí)利用效率更高，有效作業(yè)時(shí)間得到提升，且減少了電耙接力耙運(yùn)及大量的人工拋礦工作，每個(gè)采場(chǎng)只需8個(gè)工人生產(chǎn)，出礦能力可達(dá)108 t/d以上。采礦成本由原來的62.3 元/t降低至48.2 元/t，在礦山推廣運(yùn)用后，經(jīng)濟(jì)效益明顯有所好轉(zhuǎn)。

(3)爆破后通風(fēng)時(shí)間明顯縮短，新的采準(zhǔn)布置方案形成貫穿風(fēng)流通風(fēng)，其通風(fēng)線路更為流暢，通風(fēng)時(shí)間由原來的27 min減至13 min，同時(shí)還避免了原方案采場(chǎng)左側(cè)礦體回采時(shí)風(fēng)流紊亂的問題。

(4)確保了采場(chǎng)出礦的安全[2]。通過偽傾斜面布置采場(chǎng)上山，根據(jù)礦體傾角計(jì)算，其與礦體走向夾角應(yīng)控制在51°～61°范圍內(nèi)，以確保偽傾斜耙礦傾角小于25°，避免耙礦時(shí)礦石滾動(dòng)對(duì)下方人員及設(shè)施構(gòu)成威脅，采場(chǎng)出礦、作業(yè)人員及設(shè)施的安全性得到了保障。

5 結(jié) 語

采用了沿偽傾斜面布置采場(chǎng)的長壁式崩落采礦方案開采觀天廠銅礦的傾斜薄礦體，較好地解決了礦山原采礦方案回采時(shí)出現(xiàn)的通風(fēng)效果差、采切比較大、出礦安全性差、木材消耗大、采礦工效低及成本高等問題，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有所好轉(zhuǎn)。此外，還介紹了該方案采場(chǎng)偽傾斜面與礦體走向夾角的確定方法以供參考。該方案在觀天廠銅礦的成功應(yīng)用，表明其對(duì)傾斜薄礦體的高效安全回采具有較好的推廣價(jià)值及應(yīng)用前景。

[1] 采礦手冊(cè)編輯委員會(huì)．采礦手冊(cè)[M]．4卷.北京：冶金工業(yè)出版社，2005．

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