某平行急傾斜錫礦體采礦方法選擇及應(yīng)用

陳 綱 李 寧 李曉蕓 孫國(guó)權(quán)

(1.五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)桂陽(yáng)錫業(yè)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

我國(guó)是錫礦資源消費(fèi)大國(guó)，隨著錫資源超負(fù)荷使用，錫的基礎(chǔ)儲(chǔ)量逐年下降，一方面要提高錫資源的循環(huán)利用效率，另一方面要提高錫礦的資源回收率，安全高效回收埋深大、品位低的錫礦產(chǎn)資源已成為當(dāng)務(wù)之急[1-2]。而對(duì)于錫礦的合理開(kāi)采方法選擇顯得尤為重要，適宜的采礦方法不僅可以降低損失率、貧化率，增加回采率，而且在降低圍巖移動(dòng)與變形，減少圍巖支護(hù)成本，保證礦塊產(chǎn)量等方面均具有重要意義。

1 工程概況

某錫礦位于湖南省郴州市，礦區(qū)地勢(shì)中部高南北低，山脈總體呈北西走向，礦床處于山區(qū)，前期民采活動(dòng)、地質(zhì)災(zāi)害已有發(fā)生，局部地區(qū)巖石自然剝蝕，地表允許崩落。該錫礦為云英巖脈型礦床，已知礦體20條，可采礦體9條，其中，規(guī)模較大、控制程度較高的為10#、11#、12#、17#礦體，各礦體呈脈狀，近于平行，相互間距為10～140 m，走向北東，傾向北西，傾角較大，為60°～88°，厚0.4～2.10 m，平均厚1.44 m，埋藏深度在原礦體賦存標(biāo)高710～364 m，傾斜延伸49～323 m，屬于急傾斜薄礦體。

礦區(qū)位于南嶺構(gòu)造剝蝕區(qū)北緣，3條近南北向山脈平行延展，夾2條較開(kāi)闊縱向溝谷。礦脈均為云英巖脈型礦體，賦存于中侏羅世湯市鋪超單元花崗巖中，圍巖巖性單一；巖體呈整體狀，區(qū)內(nèi)花崗巖RQD值為90%以上，屬整體塊狀結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

礦區(qū)內(nèi)無(wú)區(qū)域性斷裂，次級(jí)破碎帶絕大多數(shù)即為礦體，破碎帶由云英巖、碎裂硅化蝕變花崗巖及少量石英脈等組成，帶內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，具導(dǎo)水性，巖石力學(xué)性質(zhì)差；整體強(qiáng)度低，坍塌、滑移、壓縮變形均可產(chǎn)生；礦床圍巖穩(wěn)定性良好，據(jù)探礦巷道揭示，圍巖基本不需支護(hù)。依據(jù)工程地質(zhì)資料，礦石一般穩(wěn)固，僅在破碎帶發(fā)育地段穩(wěn)固性差，普氏系數(shù)一般為8～12，巖石普氏系數(shù)一般為8～10,開(kāi)采技術(shù)條件屬中等偏簡(jiǎn)單類(lèi)型。

2 采礦方法的選擇

2.1 采礦方法的選擇原則

(1)采準(zhǔn)切割工作量小，基建時(shí)間盡可能短，投產(chǎn)達(dá)產(chǎn)快。

(2)因錫礦石價(jià)值較高，盡可能降低損失率和貧化率，提高礦石回收率。

(3)礦石與圍巖穩(wěn)固性良好，礦體中裂隙較為發(fā)育，礦床水文地質(zhì)條件為中等類(lèi)型，在滿足礦石產(chǎn)量的前提下，保護(hù)礦體上部破碎風(fēng)化帶，不能破壞頂板穩(wěn)固性以及防止破碎風(fēng)化帶裂隙水滲水補(bǔ)給。

(4)采場(chǎng)開(kāi)采強(qiáng)度大，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。

(5)優(yōu)先開(kāi)采470～630 m標(biāo)高礦體，兼顧470 m 以下和630 m以上礦體。

(6)安全生產(chǎn)效率高，回采工藝盡可能簡(jiǎn)單，投資較少。

2.2 采礦方法的初選

礦體為走向較長(zhǎng)、傾角大多65°～88°、厚0.8～2 m的急傾斜薄礦體群，從礦區(qū)礦體賦存形態(tài)和礦巖穩(wěn)固性來(lái)看，空?qǐng)霾傻V法、崩落采礦法、充填采礦法均可采用。若采用充填法等類(lèi)似采礦方法，采礦生產(chǎn)效率受制約，采礦成本高，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益差。采用架設(shè)人工假頂?shù)姆謱颖缆浞纱蟠蠼档偷V石損失率和貧化率，使得礦石損失率控制在2%～5%，貧化率控制在5%～8%，這對(duì)于回收價(jià)值較高錫礦石經(jīng)濟(jì)意義重大，但架設(shè)人工假頂需要消耗大量鋼材，可達(dá)0.05～0.11 m3/t，當(dāng)人工假頂不能隨回采工作下移時(shí)需要人工強(qiáng)制放頂，易造成巖石覆蓋層增加礦石貧化率，且分層崩落法礦塊生產(chǎn)能力較小，一般為1 500～3 000 t/月，回采工作面通風(fēng)條件較差，同時(shí)，采用崩落法回采，礦體上部第四系黏土層將被破壞，黏土和地下水的混合物涌入坑內(nèi)，將加大礦石的貧化損失指標(biāo)，直接威脅到礦山生產(chǎn)安全。因此，不宜采取充填法和崩落法采礦。根據(jù)礦山的開(kāi)采技術(shù)條件、水文工程地質(zhì)條件、前期探礦工程現(xiàn)狀、礦山生產(chǎn)和發(fā)展需要及其特殊要求，依據(jù)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似條件的錫礦床開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，適宜采用淺孔留礦法和分段礦房法。

2.3 采礦方法比較

淺孔留礦法將礦體劃分為礦房和礦柱，預(yù)留頂柱和間柱，底部結(jié)構(gòu)可以采用不留底柱的切割方法，也可以采用有底柱拉底和辟漏同時(shí)進(jìn)行的切割方法，分兩步驟連續(xù)回采[3]。首先掘進(jìn)階段運(yùn)輸巷道、先進(jìn)天井和拉底巷道，貫穿風(fēng)流，然后以拉底巷道為自由面，形成拉底空間和辟漏，為爆破創(chuàng)造有利條件。在拉底空間鑿巖、爆破、通風(fēng)以后，依靠自重放出約1/3礦石，其余礦石留在礦房中作為繼續(xù)上采的工作臺(tái)，在工人進(jìn)入工作臺(tái)鑿巖之前，進(jìn)行撬頂平場(chǎng)工作。依次進(jìn)行鑿巖、爆破、通風(fēng)、局部放礦、撬頂平場(chǎng)，直至最終大量放礦，再進(jìn)行礦柱的回采。留間柱、頂?shù)字牧舻V法見(jiàn)圖1。

圖1 淺孔留礦法示意1—回風(fēng)巷道；2—頂柱；3—天井；4—聯(lián)絡(luò)道；5—間柱； 6—暫留礦石；7—底柱；8—漏斗；9—階段運(yùn)輸巷道； 10—未采礦石；11—回采空間

分段礦房法是按礦塊的垂直方向劃分若干分段，在每個(gè)分段水平上布置礦房和斜頂柱，分兩步驟連續(xù)回采。在礦體下盤(pán)掘進(jìn)階段運(yùn)輸巷道，從階段運(yùn)輸巷道掘進(jìn)斜坡道，聯(lián)通下盤(pán)各個(gè)分段運(yùn)輸平巷，沿礦體走向每隔100 m掘進(jìn)一條放礦溜井通往各分段運(yùn)輸平巷。沿分段運(yùn)輸平巷每隔10～12 m掘進(jìn)裝運(yùn)平巷，通到礦體下盤(pán)的塹溝平巷，靠近上盤(pán)接觸面位置掘進(jìn)鑿巖平巷。然后在礦房一側(cè)掘進(jìn)切割橫巷聯(lián)通鑿巖平巷與礦柱回采平巷，從塹溝平巷到分段礦房最高處掘切割天井，爆破后形成切割槽[4]。從切割槽向礦房另一側(cè)回采，礦房回采結(jié)束后立即回采間柱和斜頂柱。分段礦房采礦法見(jiàn)圖2。

分段礦房法采切工程量大，礦石的損失貧化較大,礦石綜合回收率為80%以上，生產(chǎn)效率高，單個(gè)礦房生產(chǎn)能力為800 t/d；留礦法采切工程量相對(duì)較少，礦石的損失貧化較少，礦石綜合回收率為85%，生產(chǎn)效率不高，單個(gè)礦塊生產(chǎn)能力為300 t/d，可滿足本礦山生產(chǎn)能力要求。從提高回采率、降低貧化率以及盡量減少采切工程量的角度考慮，淺孔留礦法優(yōu)于分段礦房法，因此，本設(shè)計(jì)選用淺孔留礦法。

圖2 分段礦房法示意1—分段運(yùn)輸平巷；2—裝運(yùn)平巷；3—塹溝平巷； 4—鑿巖平巷；5—礦柱回采平巷；6—間柱鑿巖硐室； 7—切割天井；8—斜頂柱；9—崩落礦石

3 采礦方案設(shè)計(jì)

3.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦體傾角在65°～88°，平均傾角大于70°，礦體厚0.8～2.1 m，可采厚度大于0.8 m，據(jù)此選擇采場(chǎng)沿走向布置，依據(jù)實(shí)際中段礦體長(zhǎng)度，礦塊長(zhǎng)度一般控制在40～60 m，標(biāo)準(zhǔn)礦塊長(zhǎng)56 m，礦房長(zhǎng)50 m，礦塊高度為中段高度，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，淺孔留礦法的中段高度為40～50 m，結(jié)合本礦山礦脈形態(tài)變化大的特點(diǎn)，并參照類(lèi)似礦山經(jīng)驗(yàn)，取中段高度40 m，頂柱高3～4.0 m，間柱寬6 m。平底淺孔留礦法見(jiàn)圖3。

圖3 平底淺孔留礦法示意(單位：m)1—階段運(yùn)輸平巷；2—進(jìn)路；3—拉底平巷； 4—待采礦體；5—間柱；6—天井

3.2 底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為充分利用錫礦資源，提高礦石回采率，采用不留底柱的淺孔留礦法，按其不同的底部結(jié)構(gòu)不同形式又分為平底結(jié)構(gòu)裝載機(jī)出礦、人工假頂木漏斗結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土假頂結(jié)構(gòu)等不同形式。其相同優(yōu)點(diǎn)是不留底柱，提高了礦石的回采率，不同點(diǎn)是平底結(jié)構(gòu)裝載機(jī)出礦效率比人工假頂木漏斗結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土假頂結(jié)構(gòu)的出礦效率高40%左右，且作業(yè)安全，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)管理簡(jiǎn)單，但需配備裝巖機(jī)，增加了設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用。采用人工假頂木漏斗結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土假頂結(jié)構(gòu)的淺孔留礦法，雖然出礦設(shè)備簡(jiǎn)單，但需人工制作假頂，施工工藝復(fù)雜，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且木材或鋼筋混凝土用量大，耗材高，增加了采礦成本和巷道維護(hù)費(fèi)用，而且基建投資偏大，經(jīng)營(yíng)費(fèi)用高，綜合考慮并沒(méi)有突出優(yōu)勢(shì)[5-7]。根據(jù)減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率之要求，本礦山選用平底結(jié)構(gòu)裝載機(jī)出礦的淺孔留礦法。

3.3 采準(zhǔn)切割工作

采準(zhǔn)工作主要包括掘進(jìn)裝礦橫巷、采準(zhǔn)天井、聯(lián)絡(luò)巷道、漏斗頸等。采準(zhǔn)天井?dāng)嗝鏋榫匦?，?guī)格為1.6 m×1.8 m，采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道每隔2～3 m掘進(jìn)一條。在靠近礦體下盤(pán)每隔7 m布置裝礦橫巷,與中段運(yùn)輸平巷相通，斷面為三心拱形斷面，規(guī)格2.3 m×2.8 m。由于采用淺孔落礦，不設(shè)二次破碎水平，少量大塊直接在采場(chǎng)工作面進(jìn)行二次破碎。采場(chǎng)采用平底結(jié)構(gòu)出礦，切割工作主要是沿脈內(nèi)掘進(jìn)拉底巷道，斷面為1.5 m×2.0 m。

3.4 礦房回采

回采工作主要包括鑿巖、爆破、通風(fēng)、局部放礦、撬頂平場(chǎng)、二次破碎等。采用YSP-45型鉆機(jī)打上向平行炮孔，孔徑為38～42 mm，孔深1.8 m，最小抵抗線為0.8～1.0 m。炮孔按照之字形排列，間距為0.8～1.0 m，排距為0.8～1.0 m，采用整層一次推進(jìn)或梯段工作面。爆破采用2#巖石乳化炸藥，不耦合連續(xù)裝藥，非電雷管復(fù)式網(wǎng)絡(luò)，多排微差爆破系統(tǒng)。采場(chǎng)采用抽出式通風(fēng)，新鮮風(fēng)流由采場(chǎng)一端的順路天井經(jīng)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場(chǎng)工作面，清洗工作面后，由另一側(cè)的通風(fēng)天井排到上部回風(fēng)巷道。采用0.3 m3電動(dòng)裝載機(jī)裝至0.7 m3礦車(chē)，再由3 t電機(jī)車(chē)運(yùn)輸至主溜礦井。每次崩礦完成后，及時(shí)組織放礦并處理頂板浮石，每次只能放出崩落礦量的1/3左右。礦山經(jīng)落礦和部分放礦后，即對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行安全處理和場(chǎng)地平整，以保障下次回采作業(yè)的安全。采場(chǎng)工作面爆破后的礦石塊度不得大于350 mm，超過(guò)部分要進(jìn)行人工打眼(YT-27)和二次爆破或者用大錘人工砸碎。

礦房回采中分兩梯段進(jìn)行，但每個(gè)礦塊中同時(shí)作業(yè)的梯段為一個(gè)，以每個(gè)采場(chǎng)1個(gè)晝夜進(jìn)行一個(gè)作業(yè)循環(huán)計(jì)算，每個(gè)采場(chǎng)的日常出礦能力約65 t。

3.5 礦柱回采及采空區(qū)處理

每個(gè)采場(chǎng)回采結(jié)束后，其頂柱隨礦房回收，留間斷礦柱，回收量約1/4，間柱不回收，對(duì)通往采空區(qū)的巷道進(jìn)行封閉處理，封閉材料采用漿砌塊石，封閉長(zhǎng)度為0.8～1 m。在深部開(kāi)采時(shí)，為防止因采空區(qū)過(guò)多引發(fā)大規(guī)模的空區(qū)崩塌事故，可采用鉆機(jī)在上盤(pán)圍巖打垂直扇形炮孔集中爆破來(lái)充填采空區(qū)。

4 應(yīng)用效果

該錫礦對(duì)于礦脈厚1.0 m以上的礦石，采用平底淺孔留礦法開(kāi)采；礦脈厚0.8～1.0 m的礦石，采用平底淺孔留礦法開(kāi)采，采幅寬度控制在1.0～1.1 m；對(duì)于礦體厚度小于0.8 m而品位較富的礦石，也采用平底淺孔留礦法開(kāi)采。

改進(jìn)了淺孔留礦法的底部結(jié)構(gòu)，不留設(shè)底柱，可提高礦石回采率2%，礦石綜合回收率大于88%。

采用平底淺孔留礦法，單個(gè)礦塊的礦房回采礦量為7 741 t，總采出礦量為8 573 t，副產(chǎn)礦石占采出礦量15%，千噸采切比為29.14 m3/kt，實(shí)現(xiàn)急傾斜薄礦體安全、高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

根據(jù)礦山的賦存地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)等，通過(guò)采礦方法的初選及分析比較，選定回采率較高、貧化率較低、采切工程量較小的淺孔留礦法，并對(duì)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，進(jìn)一步降低了礦石損失率和貧化率，進(jìn)而提高了礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。平底結(jié)構(gòu)裝載機(jī)出礦的淺孔留礦法對(duì)急傾斜礦體礦山開(kāi)采具有很好的指導(dǎo)作用。