深部堅硬礦體高頻破碎錘非爆機械化開采試驗

姚金蕊 李夕兵 孫立成 王 梅 姚 華 王清平 黎文斐 王少鋒

（1.貴州磷化（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550000；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410000）

目前，越來越多的硬巖礦山進入到深部開采領域。在深部開采過程中，需要攻克兩大難題：即硬巖的高效破碎以及礦巖的長期穩(wěn)定性。鉆爆法由于其在開采作業(yè)過程中的間歇性和風險性、能量利用率低以及可能引起巖石破壞和突水災害等不足，逐漸無法滿足深部硬巖礦山開采的要求［1-4］。為了克服上述問題，相關學者提出了機械切割、高壓水射流、微波或激光束以及高溫等離子射流等破巖方法［4，5-7］，并進行了大量的理論研究和實驗室試驗。其中，機械切割在近半個世紀以來得到了很大的發(fā)展。隧道掘進機（TBM）以及采煤機等機械破巖設備，具有作業(yè)連續(xù)、施工質量高、開挖破壞小、安全性高和經濟性好等優(yōu)點［5，6，8-9］，已經被廣泛運用在隧道開挖和煤礦開采中。但是在深部硬巖礦山開采中，由于礦巖堅硬，作業(yè)空間小，不能很好地將上述破巖設備應用到的開采實踐中。要在硬巖礦山中實現非爆機械化開采，需要有高效能的采掘設備以及礦體中存在發(fā)育的巖體節(jié)理等結構［10-11］。為探究非爆機械化開采在深部硬巖礦山中的應用效果及前景，需要根據硬巖礦山的實際情況，監(jiān)測礦體內部裂隙發(fā)育特征，選擇合適的破巖設備進行現場開采試驗。

李夕兵等［10］在2012年開展了高應力硬巖礦山非爆開采試驗，發(fā)現當采用掘進機直接開挖硬巖礦體時粉塵較大、成本較高，但通過開挖誘導巷道可以提高開挖效率，并初步分析了高應力誘導致裂硬巖的可行性［10］。王少鋒等［4］采用橫軸和縱軸懸臂式掘進機開挖硬巖，其采礦工效也表明了非爆機械化開采的可行性［4］。但是，上述研究的關注點更多是在機械開采的效率，未能通過采礦工效、礦石塊度以及粉塵情況等參數綜合判斷非爆機械化開采在深部硬巖礦山中應用的可行性。此外，本研究現場試驗中，采用多種開采方式開挖礦柱，選出更加適合深部硬巖的機械開挖方式。

貴州馬路坪礦經過50多年開采，逐漸進入到深部開采范疇，機械化水平高，礦體內節(jié)理發(fā)育，符合非爆機械化開采在深部硬巖礦山中的應用條件。本研究現場機械開采試驗中，根據馬路坪礦實際生產情況以及現場采礦作業(yè)環(huán)境，通過高清鉆孔電視監(jiān)測鉆孔內部裂隙情況，確定試驗礦柱開挖松動區(qū)范圍，在松動區(qū)范圍內通過挖掘機裝配高頻破碎錘施加載荷和高頻振動開挖礦柱。試驗過程中記錄開采時間、開采礦量、剝落礦石塊度、粉塵情況、頂板情況以及抖齒消耗等采礦過程的實時狀態(tài)數據，通過對比機械開采與鉆爆法的經濟技術指標來綜合評價非爆機械化開采在深部硬巖礦山的應用效果。

1 試驗區(qū)概況

馬路坪礦580 m中段下盤礦埋深490 m（加上地表山體，實際埋深近千米），受到F41斷層的影響［12］，原本向東傾斜的礦體形成褶皺中的向斜構造，使得礦體反轉，形成向西傾斜的礦體，礦體形態(tài)酷似炒鍋狀，俗稱“鍋底礦”，向斜軸部即為“鍋底”底部。中段高度為50 m，劃分為5個分層，分層段高10 m，礦體范圍南北方向長530 m，東西方向長220 m。機械開采試驗區(qū)域選定于580分層至600分層之間的鍋底礦軸部，為脈內開拓工程［13］，該區(qū)域礦體范圍南北方向長80 m，東西方向長30 m，由北往南劃分為1#～4#礦房，礦房切割進路已施工完畢且已完成錨網支護，試驗區(qū)域如圖1所示。試驗部分礦體為近水平礦體，節(jié)理發(fā)育，真厚度為5～6 m，普氏系數f為6～8，頂板為白云巖，構造不發(fā)育，底板為砂巖。

2 開挖松動區(qū)分布

當試驗礦體周圍巷道開挖完成后，會釋放水平應力，并在垂直方向上產生較大的應力集中，開挖形成的高應力會促使礦體內裂隙發(fā)育來釋放應力并消耗儲存的彈性勢能，這部分裂隙發(fā)育的礦體稱為開挖松動區(qū)。開挖松動區(qū)內礦體受到的應力約束較小，礦巖破碎，受到擾動后易發(fā)生自然垮落，有利于進行機械開采。因此，在進行機械開采試驗前，需要首先確定松動區(qū)范圍。進行機械開采時，首先開采松動區(qū)礦體，會有效提高機械開采的效率。在試驗礦柱上鉆取直徑為73 mm、深度3.5 m左右，上下兩排共18個監(jiān)測孔，通過高清數字鉆孔電視監(jiān)測鉆孔內部情況。高清數字鉆孔電視通過將一個高清攝像頭勻速送入鉆孔內，實時獲取并記錄攝像頭拍攝的孔壁圖像和監(jiān)測視頻。在數字鉆孔電視圖像分析軟件中嵌入數字圖像進行處理，形成一幅展現不同深度處孔壁情況的數字巖芯圖。對孔壁圖像、視頻和數字巖芯中顯示的裂隙進行識別和表征，通過觀察沿鉆孔深度的裂隙分布變化，確定裂隙密度的突變情況，突變的位置即為原始礦體與開挖松動區(qū)礦體之間的分界點，該點到孔口的距離則是鉆孔中的松動區(qū)深度，再加上鉆孔施工后孔口垮落的厚度，即獲得各監(jiān)測點的實際松動區(qū)厚度［4］。通過孔內監(jiān)測，高清數字鉆孔電視呈現的孔壁圖像如圖2所示，通過圖像處理與分析，現場試驗監(jiān)測結果如表1所示。

注：圖（I）為監(jiān)測孔布置在礦柱上的立體示意圖，圖中a，b，c分別為試驗礦柱的長、寬、高；圖（II）為上排監(jiān)測孔呈現出的松動區(qū)范圍示意圖；圖（III）為下排監(jiān)測孔呈現出的松動區(qū)范圍示意圖，圖中外側曲線為試驗礦柱輪廓線，內側曲線為松動區(qū)輪廓線。

上述監(jiān)測結果表明：試驗礦柱上的松動區(qū)厚度為1.92～3.41 m，松動區(qū)平均厚度為2.59 m。當采礦作業(yè)面推進步長小于松動區(qū)平均厚度時，機械開采的礦體處于松動區(qū)范圍內，能夠滿足非爆機械化開采的要求［14］。當該礦柱周圍的松動區(qū)開采完成后，應將采礦作業(yè)轉移到其他相鄰礦柱上，在一定時間內，原礦柱上會誘導形成一個新的松動區(qū)，此時采礦作業(yè)再轉移回到第一個礦柱上，以便充分利用松動區(qū)應力約束較小、礦巖破碎的特點，提高機械開采的效率。

3 采礦試驗過程及結果

試驗采用挖掘機裝配高頻破碎錘（以下簡稱“高頻挖機”）開挖礦柱，破碎錘頭部裝有抖齒，通過施加載荷和高頻振動來破碎礦巖開挖礦柱［15］，試驗設備如圖3所示。受到作業(yè)空間限制，需要首先在不開挖卸壓槽的情況下開挖礦柱，直至形成一個足夠的挖掘機作業(yè)空間。待形成足夠的挖掘機作業(yè)空間后，擺正挖掘機垂直于作業(yè)面向前開挖，先在礦柱下方開挖卸壓槽，解除垂直方向上的應力并創(chuàng)造出新的自由面和開挖補償空間［16-18］，再開挖卸壓槽上方的礦體。

3.1 非爆機械化開采進展

在馬路坪礦進行非爆機械化開采試驗期間，按照試驗方案，采用高頻挖機開挖破碎礦柱，通過小型挖掘機將堆積下來的礦石運出采場，記錄每日開采時間、破碎錘和挖掘機狀態(tài)、礦柱形貌、采礦量、剝落礦石塊度、粉塵情況、頂板情況以及破碎錘尖部抖齒磨損情況等，評價挖掘機載高頻破碎錘的采礦作業(yè)效果。

在2020年9月28日—10月29日進行了非爆機械化開采試驗，期間由于存在礦山生產間隙以及機械設備故障等問題，實際進行了7 d機械開采試驗。試驗過程中，通過切底、切槽、未切槽直接開挖礦柱以及切槽后開挖礦柱4種開采方式來開挖礦柱，如圖4所示。試驗期間，采場穩(wěn)定性良好，高頻挖機對礦柱施加的載荷和高頻振動的擾動范圍較小，造成的開挖破壞小，未影響到采場頂板以及兩幫的穩(wěn)定性。這表明，非爆機械化開采造成的擾動較小，有效避免了爆破開挖造成的劇烈擾動，提高了礦山生產過程中的安全性。特別是在深部礦山開采中，處于高應力狀態(tài)下，爆破擾動易造成一系列的圍巖破壞，而非爆機械化開采可以有效降低高擾動對圍巖的影響。

3.2 采礦工效

統計并歸納每日試驗數據后，獲得了挖掘機載高頻破碎錘每日切割時間、每日切割礦量、切割工效以及工時利用率等參數，見表2。

試驗期間，高頻挖機累計運轉370 min，累計切割時間341 min，工時利用率達到0.92，遠高于鉆爆法的工時利用率，有利于提高礦山開采過程中生產效率。由于每日礦柱開挖方式不同，每日的切割工效變化明顯。因此，本研究根據不同的礦柱開挖方式，統計出切底、切槽、未切槽直接開挖礦柱以及切槽后開挖礦柱這4種開采方式的開采效果參數見表3。

試驗期間，采用非爆機械化開采礦柱整體切割工效可以達到50.6 t/h，4種開采方式中，切底和切槽的切割工效低于整體切割工效，未切槽直接開挖礦柱的切割工效與整體切割工效基本持平，而切槽后開挖礦柱的切割工效要遠高于整體切割工效，達到158.2 t/h。非爆機械化開采應用在深部硬巖礦山的采礦試驗中，大量時間用于開挖卸壓槽，但在開挖卸壓槽過程中開采出的礦量較少，這說明在開挖礦柱底部時，受到的豎直方向上的應力阻礙了抖齒對礦巖的破碎，需要高頻破碎錘增加載荷并施加高頻振動才能有效破碎礦柱底部礦巖。經過開挖卸壓槽后，解除了礦柱豎直方向上的應力，創(chuàng)造出新的自由面和補償空間，在較短的時間內能夠開挖出較多的礦量，有效提高了礦山的機械開采效率。

3.3 剝落礦石塊度

剝落礦石的塊度是通過統計單位面積內礦石塊數得到單塊礦石的平均面積，然后通過下式計算出單塊礦石的等效直徑作為剝落礦石的塊度，剝落礦石如圖5所示。每日剝落的礦石塊度見表4。

式中，S為單塊礦石的平均面積，m2；D為單塊礦石的等效直徑，m。

試驗過程中，切槽或者未切槽直接開挖礦柱時，高頻挖機需在礦柱上施加載荷和高頻振動才能破碎礦柱，剝落礦石塊度較小；而切槽后開挖礦柱時，在擾動作用下會發(fā)生自然垮落，此時剝落礦石塊度較大。根據每日統計的剝落礦石塊度，剝落礦石塊度一般在0.078 m左右，不需要二次破碎即可達到直接出礦的標準［19-20］。

3.4 粉塵情況

非爆機械化開采試驗過程中，粉塵較少，與鉆爆法相比，不會產生炮煙等有毒氣體，保證了作業(yè)人員安全。但是，當開挖非松動區(qū)堅硬礦巖或者是切槽時，破碎礦巖困難，需要抖齒對礦柱施加高頻振動，導致摩擦增加，粉塵產生量相較于切槽后開挖礦柱時多。

3.5 抖齒消耗情況

采用高頻挖機開挖礦柱，需要將抖齒插入到礦柱內施加載荷和高頻振動，抖齒尖部受到高應力和高溫的作用，易發(fā)生截斷且磨損嚴重［21-22］，會在極大程度上影響礦柱開挖效率。試驗期間，發(fā)生了一次抖齒截斷現象并更換新抖齒，累計消耗抖齒兩個，抖齒正常磨損及截斷照片如圖6所示。由于切槽困難，切槽過程中抖齒磨損嚴重，而切槽后開挖礦柱時，抖齒磨損情況較輕。

3.6 經濟技術參數對比

高頻挖機開采與鉆爆法開采的工效、工時利用率、礦石塊度、貧化率、采礦成本等經濟技術參數對比如表5所示。

由表5可知：在開采工效方面，高頻挖機略低于鉆爆法，需要形成系統的非爆機械化開采模式，以有效提高高頻挖機的開采工效。在工時利用率以及貧化率等方面，高頻挖機開采明顯優(yōu)于鉆爆法；在礦石塊度方面，高頻挖機破碎的礦石塊度較大，但不需要二次破碎，能達到直接出礦的標準。在采礦成本方面，高頻挖機采礦試驗的采礦成本主要包括設備租賃費用、人員成本、抖齒消耗以及設備油耗幾個方面，其采礦成本與鉆爆法相近?；诟哳l挖機破巖的非爆機械化開采不需要炸藥等耗材，會在一定程度上降低采礦成本。但是，目前開展的非爆機械化開采還只是現場初步試驗階段，用于探究非爆機械化開采應用的可行性，未形成系統的開采模式，采礦試驗時間周期短，人員成本和材料成本計算缺少長期跟蹤數據，計算出的采礦成本可能與實際略有出入。通過對比高頻挖機開采與鉆爆法開采的經濟技術參數，初步證明了基于高頻挖機破巖的非爆機械化開采在深部硬巖礦山中應用的可行性。

4 結 論

（1）為克服深部開采帶來的挑戰(zhàn)，采用施加高頻破巖載荷的挖掘機載高頻破碎錘開挖深部硬巖礦體。為探究高頻破碎錘在硬巖礦山中的應用效果，開展了非爆機械化開采現場試驗。通過高清數字鉆孔電視監(jiān)測礦體內部的裂隙發(fā)育情況，確定礦柱內松動區(qū)范圍。通過對比高頻挖機和鉆爆法的開采工效、工時利用率、剝落礦石塊度、粉塵情況、采礦成本等經濟技術參數，分析了非爆機械化開采在深部硬巖礦山中的適用性。

（2）非爆機械化開采具有工時利用率高、剝落礦石塊度小、粉塵少、開挖擾動小等優(yōu)點，有效提高了礦山生產過程的安全性，有助于解決深部硬巖礦山開采面臨的問題。在非爆機械化開采試驗中，整體切割工效可以達到50.6 t/h，切底和切槽工效較低，而切槽后開挖礦柱的切割工效可以達到158.2 t/h，證明了非爆機械化開采在深部硬巖礦山中應用的可行性。試驗結果對下一步探究深部硬巖礦山非爆機械化開采規(guī)?；瘧镁哂幸欢ǖ慕梃b意義。

（3）試驗過程中發(fā)現高頻挖機的靈活機動及動力性不足，抖齒磨損及消耗情況較為嚴重，長時間切槽較為困難，這對于設備、機具的創(chuàng)新優(yōu)化提出了更高要求。需要針對深部硬巖礦山特點，改進機械開挖設備，促進非爆機械化開采在深部硬巖礦山中的應用。