湖北精英石墨礦開采技術(shù)條件及地下開采方案

易承生 陳衛(wèi)東

(1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊(duì)；2.湖北聯(lián)投恒達(dá)石墨有限公司)

石墨是一種用途廣泛的工業(yè)原料，我國(guó)石墨礦石主要為晶質(zhì)(鱗片狀)和隱晶質(zhì)(土狀)2種，其中晶質(zhì)(鱗片狀)石墨礦床為主要的礦床類型[1-2]。晶質(zhì)(鱗片狀)石墨礦床因其結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，具有平行方向極完全解理的特性，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為不適合進(jìn)行地下開采，國(guó)內(nèi)外也鮮有晶質(zhì)(鱗片狀)石墨礦床地下開采的研究成果報(bào)道。隨著世界高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)大、中鱗片石墨需求的日益增大，以及優(yōu)質(zhì)大、中型鱗片石墨礦露天過度開采造成剝采比越來越大，開展晶質(zhì)石墨礦地下開采的研究十分必要[3]。本研究以湖北精英石墨礦為例，通過對(duì)其開采技術(shù)條件及地下開采方案進(jìn)行詳細(xì)分析，供類似礦床開采借鑒。

1 礦山概況

精英石墨礦床屬區(qū)域變質(zhì)成因礦床。晶質(zhì)石墨礦體呈似層狀、藕節(jié)狀產(chǎn)出，礦體厚度為2.0～15.22 m，平均5.9 m，厚度變化系數(shù)為63.85%，平均品位為8.35%，品位變化系數(shù)為34.7%。礦體中間部分厚大，東西走向變??；礦體走向NE，傾向SE，呈單斜構(gòu)造，地層總體傾向120°～170°，礦體傾角平均為57°。礦區(qū)石墨均呈鱗片狀產(chǎn)出，片徑在0.15 mm以上者占60%，屬大鱗片型晶質(zhì)礦石。礦區(qū)構(gòu)造較發(fā)育但對(duì)礦體未構(gòu)成破壞。礦體頂板為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、輝長(zhǎng)輝綠巖、大理巖，底板以大理巖為主，偶有斜長(zhǎng)片麻巖。片麻巖構(gòu)成了礦體的直接頂?shù)装濉５V床位于山區(qū)，礦體在地表雖有露頭，但出露較薄，礦體真厚度平均為5.9 m，延伸較深，采用露天開采剝采比過大，對(duì)地表的破壞影響范圍較廣；受風(fēng)化淋濾作用的影響，礦區(qū)淺部礦體品位較低，故不宜采用露天開采方式。

精英石墨礦開采對(duì)象為位于1 080～500 m水平的礦體。礦體走向延伸長(zhǎng)1 180 m，沿傾向最大斜深300 m時(shí)的見礦厚度為2.23 m，品位為10.96%，礦石松散系數(shù)為1.5，自然安息角為38°，礦石密度為2.73 t/m3。

礦區(qū)內(nèi)分布有龍?zhí)逗印T家河水系。龍?zhí)逗恿髁繛?.1～0.56 m3/s，極值可達(dá)100 m3/s。根據(jù)宜昌氣象局提供的相關(guān)資料推算，礦井最大暴雨(頻率20%)時(shí)最大滲水量為1 296 m3/d。礦區(qū)礦層、頂?shù)装鍘r性主要為水月寺(巖)群富鋁質(zhì)片巖、大理巖巖組和黑云斜長(zhǎng)—二長(zhǎng)片麻巖巖組。區(qū)內(nèi)主要為含構(gòu)造裂隙水和風(fēng)化裂隙水，前者位于風(fēng)化帶以下，具有承壓性[4-5]，后者位于風(fēng)化帶中，無承壓性。根據(jù)礦區(qū)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，可知單位涌水量為0.095～0.204 6 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.037 7～0.273 7 m/d，富水性屬弱—中等級(jí)。礦體埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，地下水補(bǔ)給來源為大氣降水，并以裂隙泉(侵蝕泉)形式排泄為主，泉流量為0.02～0.48 L/s。井下涌水主要為地表水通過巖層裂隙補(bǔ)充?？梢?，精英石墨礦屬中等的以基巖風(fēng)化裂隙含水層充水為主、頂?shù)装逯苯映渌偷V床，礦區(qū)水文條件適宜進(jìn)行地下開采。

礦區(qū)地層較完整，工程地質(zhì)復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單—中等，區(qū)內(nèi)花崗巖、輝綠巖、大理巖及石英巖屬堅(jiān)硬巖石，黑云斜長(zhǎng)片麻巖、片麻巖、含石墨云母片麻巖、石墨片巖屬半堅(jiān)硬—軟弱巖石。

礦區(qū)主要發(fā)育節(jié)理、裂隙、片理層理類Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，另外，巖體中節(jié)理裂隙和風(fēng)化裂隙也普遍發(fā)育(圖1)。巖體中節(jié)理裂隙最發(fā)育者為密度14～33條/m的輝綠巖(脈)，其次為片麻巖和大理巖，密度為6～12條/m。裂隙發(fā)育走向以占41.1%的近SN—NNE向?yàn)樽睿涣严秾挾葹?.2(片麻巖)～5.3 cm(輝綠巖脈)不等。區(qū)內(nèi)裂隙顯現(xiàn)出由淺部向深部寬度變小的特點(diǎn)。

圖1 精英石墨礦結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征

礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單型，在進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)的條件下，工程地質(zhì)條件適宜進(jìn)行地下開采。礦區(qū)為地震烈度6度區(qū)，地震加速度為0.05 g，屬地殼相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。礦區(qū)位于鄂西山區(qū)，遠(yuǎn)離自然保護(hù)區(qū)及旅游景點(diǎn)，地下開采對(duì)山區(qū)植被和林區(qū)的影響不大。礦坑排水對(duì)地下水、地表水質(zhì)量影響不大，礦石放射γ值低，礦區(qū)環(huán)境條件適合進(jìn)行地下開采。礦床頂?shù)装鍘r石完整度高，多為半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖石。綜上所述，對(duì)精英石墨礦床進(jìn)行地下開采具有可行性[6]。

2 開采方案設(shè)計(jì)

2.1 斜井選擇

斜井開拓的優(yōu)點(diǎn)為施工便利、靈活性大、井下運(yùn)輸距離短，沿礦體下盤掘進(jìn)不會(huì)壓占寶貴的礦產(chǎn)資源；其缺點(diǎn)為運(yùn)輸能力較小，向深部延伸困難，采用多中段提升時(shí)生產(chǎn)組織較為復(fù)雜、維修費(fèi)用較高。豎井開拓的優(yōu)點(diǎn)為提升能力強(qiáng)，運(yùn)輸提升組織方便；缺點(diǎn)為石門長(zhǎng)、工程量大、豎井施工費(fèi)用高、施工難度大。經(jīng)過對(duì)2種開拓方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，可知采用斜井開拓方式在建井施工期可節(jié)省投資712.8萬元，豎井開拓在年經(jīng)營(yíng)費(fèi)方面比斜井開拓少150萬元，故礦區(qū)宜選用斜井開拓方式。

2.2 開采方法選擇

根據(jù)精英石墨礦礦體特征，適宜的采礦方法有淺孔留礦嗣后充填采礦法、分段鑿巖階段礦房嗣后充填法(平底結(jié)構(gòu))、分段鑿巖階段礦房嗣后充填法(漏斗結(jié)構(gòu))、上向充填法等[7]。考慮到礦區(qū)開采技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)因素及礦山生產(chǎn)水平，首先應(yīng)舍棄上向充填法，其余3種方法特點(diǎn)對(duì)比見表1，經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比見表2。綜合分析表1、表2可知：分段鑿巖階段礦房嗣后充填法優(yōu)于淺孔留礦嗣后充填法，平底結(jié)構(gòu)的分段鑿巖階段礦房嗣后充填法(以下簡(jiǎn)稱“平底法”)適合于較厚礦體開采，漏斗結(jié)構(gòu)的分段鑿巖階段礦房嗣后充填法(以下簡(jiǎn)稱“漏斗法”)適合于較薄礦體開采。

表1 采礦方法特點(diǎn)對(duì)比

表2 采礦方法經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比

2.3 開采方案

2.3.1 采礦方法構(gòu)成要素

根據(jù)礦體賦存條件，礦體厚度在8 m以上者采用平底法(圖2)，礦體厚度約4 m時(shí)采用漏斗法(圖3)。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長(zhǎng)度40 m，高度40 m，寬度即為礦體厚度，平底法分段高度10 m，頂柱高度4 m，間柱寬度6 m。漏斗法分段高度6 m，頂柱高度3 m，間柱寬度6 m，漏斗底部結(jié)構(gòu)，均為垂直礦體每隔6 m布置1條出礦漏斗。在礦體下盤礦體與巖體交界處，平行于礦體布置1條出礦巷道。在間柱中靠下盤布置1條人行通風(fēng)天井，采場(chǎng)中央靠下盤布置1條切割天井，與充填平巷相連。

2.3.2 采切及回采出礦

平底法采切工程為先掘進(jìn)出礦平巷、人行通風(fēng)天井、切割天井，然后掘進(jìn)出礦斗川、斗頸、分段鑿巖平巷，最后劈漏、拉切割槽和充填平巷。漏斗法為首先掘進(jìn)緊貼底板的人行通風(fēng)天井、切割天井和漏斗頸，然后掘進(jìn)分段鑿巖平巷，最后劈漏、拉切割槽和充填平巷。礦塊內(nèi)按分段回采，上分段應(yīng)超過下分段6 m以上，以確保上分段在下分段礦體上進(jìn)行鑿巖。爆破落礦后首先進(jìn)行通風(fēng)，排出炮煙，然后進(jìn)行巷道頂板撬毛，對(duì)局部不穩(wěn)固地段進(jìn)行支護(hù)處理。爆下的礦石采用扒渣機(jī)帶V型礦車出礦。

2.3.3 采場(chǎng)通風(fēng)及地壓控制

新鮮風(fēng)流由階段脈外運(yùn)輸平巷，經(jīng)穿脈進(jìn)入出礦巷道，清洗工作面后，污風(fēng)從斗川進(jìn)入采場(chǎng)，從通風(fēng)天井引至上部回風(fēng)水平后，進(jìn)入回風(fēng)石門，經(jīng)西回風(fēng)井排出地表。在采場(chǎng)落礦過程中，作業(yè)人員不直接暴露在空?qǐng)鱿?，只要保證巷道穩(wěn)定，作業(yè)過程較安全。隨著空?qǐng)霰┞睹娣e和暴露時(shí)間的增加，頂板穩(wěn)定性會(huì)有所降低，需要預(yù)防沖擊地壓的產(chǎn)生，并提前進(jìn)行安全預(yù)警。礦房開采完畢后，應(yīng)進(jìn)行大量放礦，封堵底部的出礦口，從充填平巷將掘進(jìn)的廢石充填至采空區(qū)中，采用漿砌片石方法，每隔3 m砌1個(gè)條帶，高度為1.51 m，厚度為0.3 m，與頂板相接。頂板一旦出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，應(yīng)立即采用漿砌方式處理。

頂柱、間柱和底柱作為全礦地壓管理和控制合理采礦順序的有效措施，不予回收，保護(hù)地表河流的保安礦柱也不予回收。空區(qū)采用干式充填法進(jìn)行處理。漏斗法礦塊生產(chǎn)能力為160 t/d，采準(zhǔn)帶礦率為16.24%。平底法礦塊生產(chǎn)能力為250 t/d，采準(zhǔn)帶礦率為13.44%。

2.4 基建采切工程量

經(jīng)計(jì)算，基建礦塊數(shù)為4個(gè)，其中2個(gè)礦塊回采(用平底法開采1個(gè)礦塊，用漏斗法開采1個(gè)礦塊)，2個(gè)礦塊備采(平底法與漏斗法各1個(gè)礦塊)。平底法工程量為3 219 m3，漏斗法工程量為2 765 m3，合計(jì)工程量5 984 m3。

圖2 平底法原理

圖3 漏斗法原理

2.5 通風(fēng)系統(tǒng)與安全措施

依據(jù)開拓系統(tǒng)布置、礦山類型、通風(fēng)效率要求等因素，采用抽出式通風(fēng)方式，主扇安裝于西側(cè)回風(fēng)斜井井口。經(jīng)計(jì)算，精英石墨礦井下開采所需風(fēng)量為51.60 m3/s，萬噸耗風(fēng)量為3.44 m3/s，因此，井下通風(fēng)量能夠保證人員安全。

精英石墨礦主斜井、副斜井內(nèi)設(shè)置人行踏步，西回風(fēng)斜井內(nèi)也設(shè)置人行踏步，為第三安全出口。主副斜井及通風(fēng)斜井井口15m范圍內(nèi)采用C20混凝土澆灌支護(hù)，凈斷面尺寸為3.0m×2.8m，凈面積為7.76m2，支護(hù)厚度為200mm，其他部位采用噴射混凝土支護(hù)[8-10]，支厚厚度為120mm。中段平面采用沿脈加穿脈布置形式，中運(yùn)輸大巷鋪設(shè)單軌，每個(gè)中段設(shè)1處雙軌調(diào)車場(chǎng)。巷道采用1/3三心拱斷面形式，凈斷面面積為9.88m2，采用噴射混凝土支護(hù)，噴層厚度為100mm。主要井巷工程支護(hù)中，除主副斜井噴混凝土厚度為120mm外，其余地段噴混凝土厚度均為100mm；主副斜井、井底車場(chǎng)支護(hù)形式采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，其余巷道采用噴錨支護(hù)。井巷工程的軟弱層及穩(wěn)定性差的地段采用鋼拱架支護(hù)(圖4)。

圖4 鋼拱架支護(hù)

3 結(jié) 語

詳細(xì)分析了湖北精英石墨礦開采技術(shù)條件，通過詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇分段鑿巖階段礦房嗣后充填法進(jìn)行地下開采，并對(duì)地下開采方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和闡述，對(duì)于我國(guó)晶質(zhì)石墨礦地下開采實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。