云南大紅山鐵礦Ⅰ#銅礦帶深部回采工藝優(yōu)化

邢志華 段 鑫 余賢斌 沙 斌

(1.玉溪大紅山礦業(yè)有限公司；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院)

1 礦山概況

玉溪大紅山礦區(qū)礦體規(guī)模大，分別由大紅山鐵礦和大紅山銅礦開采。其中，大紅山銅礦主要開采Ⅰ#銅礦帶，大紅山鐵礦則主要開采鐵礦體。但Ⅰ#銅礦帶部分地段由于與鐵礦體相鄰，存在相互影響，因此，其曼崗河以西部分，由大紅山銅礦開采，曼崗河以東部分，則由大紅山鐵礦開采。

Ⅰ#銅礦帶為古海底火山噴發(fā)—沉積變質(zhì)巖礦床，自上而下依次有Ic、I3、Ib、I2、Ia、I1等多層礦體，其中，Ic、Ib、Ia礦體為含銅鐵礦體，I3、I2、I1礦體為含鐵銅礦體，各層礦體之間還有厚度不等的夾石，但具有工業(yè)價(jià)值的主要為I3、I2、I1礦體。3層礦體之間有夾層，厚度從零至數(shù)十米不等，在不少地段，各層礦體還往往有厚度不等的分支。在大紅山鐵礦開采范圍內(nèi)，Ⅰ#銅礦帶礦體傾角為12°～55°，平均35.7°，礦體厚度為1.7～21.4 m，平均6.9 m。

由于礦體厚度薄，呈多層產(chǎn)出，各礦層厚度變化無(wú)規(guī)律，Cu品位低(平均0.56%)，其上部還有尚未開采結(jié)束的露天熔巖鐵礦，因此，Ⅰ#銅礦帶在技術(shù)上屬于采礦界公認(rèn)的多層、緩傾斜—傾斜、中厚—薄的難采礦體。在一定程度上，也反映了我國(guó)金屬礦床開采的現(xiàn)狀，即開采條件較好的資源已經(jīng)消耗殆盡，目前可供開采的，大多為技術(shù)上難采、開采成本較高的礦床。

由于開采對(duì)象連續(xù)性差、礦層層數(shù)多，上下礦層厚度變化大，關(guān)系復(fù)雜，相互制約，開采難度大，設(shè)計(jì)采用便于剔除夾石、適應(yīng)多層礦體的點(diǎn)柱式上向分層充填法開采。主開拓井巷為斜坡道和豎井，以豎井提升礦石，斜坡道為人員、設(shè)備材料進(jìn)出通道，并兼作進(jìn)風(fēng)通道，另有專用進(jìn)風(fēng)豎井和回風(fēng)豎井。階段高度100 m，分段高度20 m，每個(gè)分段內(nèi)劃分為多個(gè)分層開采，分層高度3～4 m。盤區(qū)長(zhǎng)300 m，設(shè)6個(gè)礦塊，礦塊長(zhǎng)度50 m，礦塊寬度為礦體水平厚度(多層礦體時(shí)為多層礦體加夾石厚度)，礦塊高度按1個(gè)分段高度劃分，相鄰礦塊之間留4 m寬間柱，礦塊內(nèi)按18 m間距留6 m×6 m點(diǎn)柱；采場(chǎng)溜井按 300 m 間距(即盤區(qū)長(zhǎng)度)設(shè)置，進(jìn)回風(fēng)上山按600 m 間距設(shè)置(圖1)[1]。礦段投產(chǎn)初期，380，480 m 中段同時(shí)回采。各階段按由下至上的順序開采，各采場(chǎng)每分段開鑿1個(gè)出礦聯(lián)道，開采時(shí)人員設(shè)備從斜坡道經(jīng)沿脈干線、出礦聯(lián)道進(jìn)入各分層，礦石用鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)出礦聯(lián)道、沿脈干線運(yùn)至布置于下盤的礦石溜井。

圖1 點(diǎn)柱式上向分層充填法原理

礦山生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，Ⅰ#銅礦帶礦巖中節(jié)理、層理等構(gòu)造較發(fā)育，并存在多條斷層，導(dǎo)致礦巖穩(wěn)固性較差。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鑿巖、裝藥、爆破、出礦、充填等生產(chǎn)步驟都需要在空?qǐng)鱿伦鳂I(yè)，具有較大的安全隱患。

2 地質(zhì)構(gòu)造與回采貧損指標(biāo)

點(diǎn)柱式上向分層充填法的主要優(yōu)點(diǎn)是便于剔除夾石，對(duì)圍巖的破壞影響較小。因每一分層開采結(jié)束立即充填，不會(huì)形成大的采空區(qū)，采場(chǎng)頂板不會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的冒落；不進(jìn)行大爆破，且采后充填，對(duì)上覆巖層，特別是露天熔巖鐵礦的邊坡穩(wěn)定性基本不產(chǎn)生顯著影響。主要缺點(diǎn)是采礦作業(yè)環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)成本較高；鑿巖、爆破、出礦、充填等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作人員都需要在空?qǐng)鱿伦鳂I(yè)。因此，在礦巖穩(wěn)固性較好的條件下，可以取得較好的貧損指標(biāo)；礦巖穩(wěn)固性差時(shí)，則存在頂板冒落的安全威脅。

按照相關(guān)勘探資料，Ⅰ#銅礦帶礦巖強(qiáng)度高(礦石、礦體直接頂板和間接頂板巖石的單軸抗壓強(qiáng)度均在100 MPa以上)，因此生產(chǎn)安全能夠得到保障。但礦山建成投產(chǎn)以來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，Ⅰ#銅礦帶實(shí)際的礦巖強(qiáng)度僅為中等(單軸抗壓強(qiáng)度平均值為70～80 MPa；被F3斷層切錯(cuò)、埋深更深的西部礦段，單軸抗壓強(qiáng)度甚至在60 MPa以下)，遠(yuǎn)低于勘探報(bào)告所給出的數(shù)值；礦巖中節(jié)理、層理和構(gòu)造斷層較為發(fā)育，礦巖穩(wěn)固性為中等。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，大紅山鐵礦Ⅰ#銅礦帶礦巖中層理、節(jié)理發(fā)育，層理間距變化大，局部層間結(jié)合力較弱，在暴露面積較大的情況下，易發(fā)生脫層現(xiàn)象。主要發(fā)育的節(jié)理有4組：①走向節(jié)理，走向90°～115°，傾向NE或SE，傾角70°～90°，與地層走向近于平行，走向延伸長(zhǎng)度一般大于10 m；②NE向斜交節(jié)理，走向45°～75°，傾向NE或SE，傾角60°～80°；③NW向斜交節(jié)理，走向130°～145°，傾向NE或SE，傾角45°～80°，與地層走向斜交，走向及傾向上延伸長(zhǎng)度一般大于8 m，呈微張開閉合狀；④傾向節(jié)理，走向10°～20°，傾向SE或NW，傾角80°～90°。

層理及幾組節(jié)理將巖石切割成各種楔狀體和層狀體。在采場(chǎng)頂板和側(cè)幫出現(xiàn)的一些楔狀體，會(huì)形成許多易冒落的塊體。節(jié)理和層理分布的顯著特征是其間距呈不規(guī)則變化，一些地段節(jié)理間距僅有1～2 cm，并有較大的張開度，造成礦巖穩(wěn)固性顯著降低。

礦巖中斷層數(shù)量也較多，大紅山礦區(qū)的斷層一般為張性和張扭性斷層。斷層破碎帶中常見泥質(zhì)和砂質(zhì)充填物，破碎帶厚度也呈不規(guī)則變化特征。

由于地質(zhì)構(gòu)造的存在，點(diǎn)柱的完整性受到削弱，在實(shí)際生產(chǎn)中，不得不增大其斷面面積，在存在斷層，或節(jié)理、層理較為密集的部位，尤其如此。在實(shí)際生產(chǎn)中，剔除夾石的目標(biāo)并未達(dá)到。因此，采場(chǎng)的實(shí)際貧化損失指標(biāo)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，與分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罟に嚨呢殦p指標(biāo)較接近。

3 采場(chǎng)頂板跨度、礦柱高度與強(qiáng)度

導(dǎo)致頂板失穩(wěn)冒落的主要因素為頂板巖石中的拉應(yīng)力。拉應(yīng)力通常隨頂板暴露面積(跨度)的增大而升高，拉應(yīng)力區(qū)的范圍也隨之?dāng)U大[2-5]。因此，采場(chǎng)頂板極限暴露面積(極限跨度)，是涉及地下礦山效益和安全的一個(gè)基本參數(shù)。對(duì)于開采深度小于跨度的淺埋礦體，且頂板巖體完整時(shí)，可由梁理論導(dǎo)出極限跨度的計(jì)算公式：

式中，Lmax為極限跨度，m；γ為覆蓋巖層容重，kg/m3；H為開采深度，m；[σt]為頂板巖層許用抗拉強(qiáng)度，MPa；λ為原巖應(yīng)力場(chǎng)側(cè)壓力系數(shù)。

大紅山銅礦的生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)大多數(shù)采用分段空?qǐng)龇ㄩ_采的采場(chǎng)，頂板暴露面積達(dá)到1 500～1 600 m2時(shí)，頂板仍能保持穩(wěn)定。在實(shí)際生產(chǎn)中，雖然分段空?qǐng)龇敯逡话悴粫?huì)發(fā)生大規(guī)模冒落，但小規(guī)模乃至個(gè)別巖塊的冒落是難以避免的。只是由于大規(guī)模爆破后人員不進(jìn)入采場(chǎng)，頂板局部冒落因而不會(huì)對(duì)人員造成傷害。點(diǎn)柱式上向分層充填法的情況則有很大不同，雖然在留設(shè)點(diǎn)柱后，采場(chǎng)頂板的實(shí)際跨度遠(yuǎn)小于分段空?qǐng)龇?，但由于人員需要在爆破所產(chǎn)生的空?qǐng)鱿伦鳂I(yè)，對(duì)頂板穩(wěn)定性的要求較高。為確保生產(chǎn)安全，在采用點(diǎn)柱式上向分層充填法生產(chǎn)的采場(chǎng)中，點(diǎn)柱間的距離一般不能按設(shè)計(jì)取12 m，大多小于10 m，但往往無(wú)法完全避免危巖冒落。為顯著降低危巖冒落危害，本研究認(rèn)為，對(duì)于礦體厚度較小的礦體，點(diǎn)柱間的距離仍需要顯著降低，以不超過6 m為宜。當(dāng)頂板暴露面積進(jìn)一步增大時(shí)，采用在采場(chǎng)中預(yù)留點(diǎn)柱的方法，可有效降低頂板跨度，從而大幅度縮小頂板中的拉應(yīng)力區(qū)范圍，有效維護(hù)頂板的穩(wěn)定性[11]。當(dāng)?shù)V體較厚時(shí)，礦柱高度會(huì)隨之增大；在礦柱斷面面積不變的條件下，礦柱強(qiáng)度會(huì)隨著采場(chǎng)高度的增加而降低。對(duì)于采用分層充填法采場(chǎng)中的點(diǎn)柱，充填物可對(duì)點(diǎn)柱提供側(cè)壓，維護(hù)其穩(wěn)定性。但當(dāng)點(diǎn)柱高度較大時(shí)，構(gòu)造對(duì)礦柱的削弱作用也會(huì)顯著增強(qiáng)，此時(shí)高礦柱的穩(wěn)定性難以維持。

4 采礦工藝優(yōu)化

4.1 厚度7 m以上礦體

綜合分析點(diǎn)柱式上向分層充填法和分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮罘ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)及其在大紅山礦區(qū)的應(yīng)用情況，可以發(fā)現(xiàn)，分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮罘ú粌H具有安全風(fēng)險(xiǎn)小、采場(chǎng)生產(chǎn)能力高、噸礦石生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，貧損指標(biāo)也與點(diǎn)柱式上向分層充填法接近。當(dāng)?shù)V體較薄時(shí)，底部結(jié)構(gòu)造成的采切千噸比相對(duì)較高，隨著礦體厚度加大，采切千噸比持續(xù)下降，噸礦石生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。與之相比，生產(chǎn)中點(diǎn)柱式上向分層充填法剔除夾石的目標(biāo)基本未能實(shí)現(xiàn)。因此，在礦體厚大(厚度在7 m以上)的地段，采用分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮罘ǜ鼮楹侠怼?/p>

當(dāng)?shù)V體厚度較大時(shí)，礦柱強(qiáng)度會(huì)隨著高度的增大而降低。根據(jù)大紅山銅礦多年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐，礦體垂直厚度小于20～25 m時(shí)，除斷層影響的情形外，采場(chǎng)間柱和頂?shù)字暮穸葹? m，礦柱一般可以保持穩(wěn)定；礦體垂直厚度大于25～30 m以上時(shí)，有必要適當(dāng)增大礦柱高度。

為防止爆破對(duì)礦柱的破壞，相鄰采場(chǎng)不能同時(shí)開采。一個(gè)采場(chǎng)充填結(jié)束后，其相鄰采場(chǎng)方可開始爆破出礦。實(shí)行強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充的“三強(qiáng)”開采模式，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)采場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也可以達(dá)到降低礦柱尺寸、取得較好效益的目的。

在采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)的條件下，采場(chǎng)底部會(huì)有部分礦石無(wú)法出盡。遙控式鏟運(yùn)機(jī)的應(yīng)用可大幅度減少采場(chǎng)內(nèi)的礦石損失。

4.2 厚度4 m以下礦體

當(dāng)?shù)V體垂直厚度小于4 m時(shí)，則不存在分層的問題。在此情形下，如果沒有斷層構(gòu)造的影響，點(diǎn)柱斷面尺寸為2 m×2 m，也能夠保持穩(wěn)定。為提高安全系數(shù)，可以將斷面尺寸提高至3 m×3 m；受斷層影響的部位，可加大至4 m×3 m。點(diǎn)柱間的距離(跨度)可相應(yīng)地減少至5.5～6 m，可顯著降低頂板浮石的冒落危險(xiǎn)。

對(duì)于厚度小于4 m的礦體，可采用條帶式回采方法。首先開鑿出數(shù)個(gè)相互平行、寬度為4 m的回采巷，其間由平行條柱分隔；然后進(jìn)行后退式挑刷兩幫和頂板，并根據(jù)穩(wěn)定性情況，開采條柱的一部分，使之形成點(diǎn)柱。實(shí)際的點(diǎn)柱尺寸可以靈活掌握，穩(wěn)定性較差的地段，可以適當(dāng)加大尺寸(圖2)。

圖2 薄礦體條帶式回采步驟(單位：m)

4.3 中等厚度礦體

對(duì)于中等厚度的礦體，仍采用點(diǎn)柱式上向分層充填工藝，但應(yīng)該優(yōu)化回采順序和結(jié)構(gòu)尺寸。此時(shí)一般需要分2層開采，但也應(yīng)首先開鑿寬度為4 m的條帶，在相鄰條帶之間形成連續(xù)條柱；然后向兩幫和頂板擴(kuò)刷。在礦巖穩(wěn)定性好的情況下，斷面規(guī)格為3 m×3 m、高度為7 m的點(diǎn)柱可以保持穩(wěn)定。但考慮到第1分層回采、充填完畢后，第2分層的點(diǎn)柱應(yīng)對(duì)齊，為提高安全系數(shù)，可以將點(diǎn)柱斷面尺寸提高至3.5 m×3.5 m，即第1步回采后形成的條柱寬度為3.5 m。對(duì)礦巖穩(wěn)定性較差的地段，可以形成斷面尺寸為3.5 m×4 m的點(diǎn)柱。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)大紅山鐵礦Ⅰ#銅礦帶的礦巖強(qiáng)度、構(gòu)造弱面及礦巖穩(wěn)定性特征，對(duì)該礦帶的開采工藝進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)于厚度大于7 m的礦體，應(yīng)采用分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮罘ㄩ_采，以避免人員在空?qǐng)鱿伦鳂I(yè)；對(duì)于厚度小于4 m的礦體，應(yīng)采用條帶式回采工藝，先開鑿若干個(gè)相互平行的條帶，形成連續(xù)條柱；再以后退式方法挑刷條帶，最后回采部分連續(xù)礦柱上的礦體，形成點(diǎn)柱，降低采場(chǎng)跨度，點(diǎn)柱間的距離以不超過6 m為宜；對(duì)于厚度為4～7 m的礦體，采用點(diǎn)柱式上向分層充填法開采。