索爾庫都克銅礦露天轉井下采礦方法研究

周 通 嚴文炳 雷明禮 張 亭

（西北礦冶研究院）

索爾庫都克銅礦（以下簡稱索礦）礦區(qū)位于新疆富蘊縣城南西245°，直線距離約為65 km，為一座矽卡巖型礦床。

礦山于2010年12月建成露天采礦系統(tǒng)并開始生產(chǎn)，截至2020年年末，礦山現(xiàn)行主要開采1#、4#、5#露天采場。礦山按190萬t/a規(guī)模生產(chǎn)，現(xiàn)行開采的露天采場服務年限所剩不多。且礦山露天境界外資源量較大，占資源總量60%以上，為確保礦山可持續(xù)性發(fā)展，礦山開展了多次露天轉井下研究工作，研究適合礦山特性的地下采礦方法。

1 礦區(qū)地質

（1）區(qū)域地質。礦區(qū)大地構造位置南西40 km以洪古勒楞—阿爾曼臺深大斷裂為界，與塔爾巴哈臺—納爾曼得早古生代溝弧帶（Ⅲ級）相鄰。區(qū)域地層出露較齊全，構造活動強烈，巖漿—火山活動頻繁，屬區(qū)域上銅、鎳、金、鉬、鉛鋅成礦帶的重要組成部分。

（2）礦床特征。礦體主要賦存于矽卡巖帶中，礦帶全長約為2 500 m，寬約為900 m，呈330～350°方向展布，傾向南西，傾角為10～45°。主礦體常產(chǎn)于石榴石綠簾石矽卡巖和綠簾石榴石矽卡巖中［1］。銅、鉬礦體形態(tài)簡單，為透鏡狀、似層狀、脈狀［2］。

（3）開采技術條件。礦山水文地質、工程地質、環(huán)境地質均為簡單類型，有利于礦山的開發(fā)建設，礦巖物理力學參數(shù)如下。

銅、鉬礦石密度為3.19 t/m3；圍巖密度為2.7 t/m3；礦、巖抗壓強度為160～208 MPa；礦、巖抗拉強度為7.9～19.7 MPa；頂板巖石硬度系數(shù)f=10～21；底板巖石硬度系數(shù)f=16～21；銅、鉬礦石硬度系數(shù)f=19；礦體松散系數(shù)為1.5；礦巖自然安息角為37°。

2 露天轉井下主要問題

索爾庫都克銅礦為矽卡巖型礦床，礦體屬于極堅硬緩傾斜礦體，礦體傾角一般為6～45°，平均傾角為20°，礦山連續(xù)性較好的主礦體已采用露天方式開采，露天境界外礦體連續(xù)性較差，對采礦活動影響較大。索爾庫都克銅礦露天轉井下技術難點：緩傾斜極堅硬礦體的采礦工藝、露天轉井下保護層厚度、保安礦柱大小、采場結構參數(shù)等，直接關系到礦山后期的經(jīng)濟效益及安全生產(chǎn)。

現(xiàn)行開采的1#露天采場頂部周界長約1 200 m，寬約為780 m，境界周長約為4 000 m，境界面積約為50.7萬m2，最終開采坑底標高為540 m，礦區(qū)地表標高為750 m，邊坡高度為210 m；4#露天采場頂部周界長約為330 m，寬約為250 m，境界面積約為6.4萬㎡，坑底標高為628 m，邊坡高度為125 m；5#露天采場頂部周界長約為300 m，寬約為250 m，境界面積約6.0萬㎡，坑底標為高652 m，邊坡高度為93 m。露天轉井下工程的布置既要保證地下采礦的安全性，又要保證地下開采不會對露天采場邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生隱患，因此選擇合適的地下采礦方法顯得尤為重要，1#、4#、5#露天采場現(xiàn)狀見圖1。

3 采礦方法研究

地下采礦方法的選取，主要根據(jù)礦體賦存的特點、露天邊坡地壓情況和露天坑底留設境界礦柱等因素確定，是一項復雜的技術難題。方案既要防止采空區(qū)圍巖突然崩落，對地下采空區(qū)產(chǎn)生強動力沖擊，導致礦山安全事故；又要避免隔離層在突然崩落造成礦產(chǎn)資源的浪費。

地下開采的采礦方法主要有空場法、崩落法及充填法三大類［3］，3種采礦方法優(yōu)缺點如下。

崩落采礦法優(yōu)點：①礦塊生產(chǎn)能力較大；②不積壓資金。缺點：①損失貧化大；②工作面通風條件差；③對穩(wěn)固性好的圍巖，需強制崩落作覆蓋層；④礦山地下開采安全保障性較差。

充填采礦法：考慮到礦山地下開采規(guī)模及經(jīng)濟性，且充填采礦法采礦成本高、工序復雜，不宜采取。

空場采礦法優(yōu)點：①礦快生產(chǎn)能力大；②貧化及采掘比較??；③工藝較簡單，易掌握。缺點：①頂板暴露面積大，人員在暴露頂板下作業(yè)；②部分礦石暫留礦房，積壓資金。

崩落采礦法具有采場生產(chǎn)能力大，作業(yè)條件好，工人在巷道中鑿巖安全條件好等優(yōu)點，但采礦損失、貧化率大，采切工作量大，索礦為低品位礦，不適合崩落采礦法；充填采礦法采礦成本高、工序復雜，不宜采用。結合國內(nèi)外中大型露天礦山轉井下成功經(jīng)驗，展開相應的研究工作。研究適合索礦地下開采的安全、高效、節(jié)能、環(huán)保的采礦方法及適合不同礦體傾角、不同礦體厚度的采礦方法，能適應井下礦體形態(tài)的變化，并能保證井下采礦方法遵循以下原則：①生產(chǎn)能力大，效率高；②采準工程量少；③礦石損失率、貧化率低；④能耗少，成本低，經(jīng)濟效益好。

綜上研究，認為適合索礦露天轉井下采礦方法為空場采礦方法。適用于不同礦體傾角、厚度的空場采礦方法具體又分為房柱采礦法、采場斜坡道留柱采礦法、分段空場法。

3.1 房柱法

房柱采礦法一般適用于礦巖穩(wěn)固，開采礦體傾角在20°以下，厚度在4 m以下礦體，由于噴錨網(wǎng)、錨桿等支護技術的應用，擴大了房柱法的適用范圍，在國內(nèi)外也用來開采厚大礦體。使用房柱法的礦山，一般將礦體劃分為礦塊，在礦塊內(nèi)又劃分礦房和礦柱。礦房、礦柱交替排列。房柱法實質上是全面法的變形方案，其主要特點是回采時留規(guī)則礦柱。房柱采礦法由于礦柱多不回收，礦石損失大，使用條件有一定的局限性。

索爾庫都克銅礦礦體為極堅硬緩傾斜礦體，且礦體傾角在6～45°，本次索礦露天轉井下開采，當?shù)V體厚度小于3 m，傾角小于15°時可采用房柱法進行開采。

（1）礦塊構成要素。采場內(nèi)無軌斜坡道布置在脈內(nèi)，聯(lián)通各個盤區(qū)，盤區(qū)沿走向長度為80 m，沿傾向高度40 m，礦房、礦柱沿走向劃分，每個盤區(qū)劃分為8個礦房，回采時每隔7 m留3 m×3 m的點柱。房柱法采礦示意圖見圖2。

（2）采準和切割工作。穿脈巷道與裝礦臺階相連，鏟運機在裝礦臺階內(nèi)裝礦。

（3）礦房回采工作。盤區(qū)內(nèi)由一翼向另一翼回采。沿走向每10 m為1個礦房，礦房內(nèi)采用DW1-24型鑿巖臺車鑿巖，采用裝藥器裝藥，非電導爆管雷管起爆，崩下的礦石由WJ-2型鏟運機運至裝礦臺階并裝入運礦汽車。局部頂板不穩(wěn)固地段采取長錨索或錨桿護頂措施，以保障采、出礦安全。

（4）礦柱回收和采空區(qū)處理。在回采礦房，留下3 m×3 m的點柱，點柱回收率為50%（隔一采一）。采空區(qū)一般采取封閉或廢石充填處理［4］。

3.2 采場斜坡道留柱法

采場斜坡道留柱法是依據(jù)國外臺階式房柱法，并根據(jù)索礦地下礦體賦存特征改進而來。臺階式房柱法采用無軌設備。國外房柱法的適用范圍與國內(nèi)完全不同，只是緩傾斜礦體和留不規(guī)則礦柱的條件是一樣的。例如美國弗古尼亞州奧斯汀維爾鉛鋅礦和密蘇里州邦恩特爾礦的自上而下分層房柱法，礦柱最大高度達90 m。為了適應索礦地下礦體傾斜超過20°，無軌設備難以逆傾斜運行的條件，改進為采場斜坡道留柱采礦法，可用于傾角達10～35°的礦體。采場斜坡道留柱采礦法適用于厚度為3～12 m，傾角為10～35°的礦體，采用無軌設備，其通路，亦即進路式采場沿走向水平布置，在階段內(nèi)自上而下回采。采場斜坡道留柱采礦法示意圖見圖3。

（1）礦塊構成要素。盤區(qū)內(nèi)聯(lián)絡斜坡道偽傾斜工作面布置在礦體內(nèi)，聯(lián)通整個盤區(qū)。盤區(qū)沿礦體走向長度為80 m，沿礦體傾向高度為40 m。采用DW1-24型鑿巖臺車鑿巖，WJ-2型鏟運機出礦，其通道亦即進路式采場沿走向水平布置，沿傾向每個盤區(qū)劃分為4個礦房，回采時每隔7 m留3 m×3 m的點柱。

（2）采準和切割工作。階段運輸平巷沿走向布置在脈外，穿脈巷道與采場斜坡道相連［5］。

（3）回采工作。偽傾斜布置的斜坡道貫通整個采場。采場從運輸巷道出岔開始推進，采場內(nèi)回采工作如巷道掘進，一直通向下個平行的采場。下一道工序是開掘一個相似的進路式采場，或者是通過擴幫比相鄰的前一采場下降一個臺階。然后重復這一程序，上部臺階向下部臺階發(fā)展。采用鑿巖臺車鑿巖，礦石由鏟運機運裝車。局部頂板不穩(wěn)固地段采取長錨索或錨桿護頂措施，以保障采、出礦安全。

（4）礦柱回收和采空區(qū)處理。在回采礦房的同時，留下3 m×3 m的點柱，點柱回收率為50%（隔一采一）。采空區(qū)處理一般采取崩落上盤圍巖或廢石充填空區(qū)。

3.3 分段空場法

分段空場法一般適用于急傾斜—傾斜且礦巖穩(wěn)固的礦體，該采礦方法在回采過程中不需要支護［6］，當索礦地下礦體厚度大于12 m，傾角大于30°時，可采用分段空場法回采［7］。

（1）礦塊構成要素。采場沿走向布置，礦塊長為40 m，高為40 m，沿傾向劃分為3個分段；沿走向將分段劃分為34 m的礦房和6 m的間柱，出礦進路間距為8 m。

（2）采準切割工作。階段運輸巷道沿礦體走向布置在脈外，人行通風天井布置階段運輸巷道的一側，經(jīng)通風天井聯(lián)絡道與分段鑿巖巷道相連，在礦房的中間掘進切割天井［8］。分段鑿巖巷道采用YT-28型氣腿式鑿巖機。

（3）礦房回采工作。采用分段鑿巖階段出礦，垂直方向從上向下沿一定距離鑿巖爆破。沿走向從礦房中間向兩側推進。采用YGZ-90型鑿上向扇形中深孔，BQ-100型裝藥器裝藥，崩下的礦石經(jīng)鏟運機裝入運礦汽車，經(jīng)中段運輸巷道運出［9］。

（4）礦柱回收及采空區(qū)處理。間柱、頂柱回收與空區(qū)處理有機結合，同步進行，礦柱回收率50%（隔一采一）?？諈^(qū)采取崩落上盤圍巖或廢石充填處理。

3.4 地下開采工程布置

研究認為索爾庫都克銅礦露天轉井下的最佳開拓運輸方案為平硐+斜坡道開拓，無軌運輸方案。

井下設置700、660、620、580、540、500、460 m共7個中段，其中700、660、620 m中段采用平硐開拓，580、540、500、460 m中段采用斜坡道開拓。

700、660、620 m這3個中段主平硐口分別設置在1#露天坑700、660、620 m水平平緩邊坡處。

580、540、500、460 m中段之間采用斜坡道連通。斜坡道從620 m中段開口至460 m中段。

礦石在采場或出礦短穿采用鏟運機裝至礦用卡車，運至中段溜井卸礦，在下中段經(jīng)振動放礦機裝至礦用卡車，從各主平硐口或斜坡道經(jīng)露天開拓公路運至選廠礦石堆場。廢石采用鏟運機鏟裝礦用汽車，從主平硐或斜坡道運至排土場。人員、材料、設備通過平硐或斜坡道上下。索爾庫都克銅礦露天轉井下采礦工程三維圖、露天轉井下采礦工程縱投影圖分別見圖4、圖5。

4 采礦方法的主要技術經(jīng)濟指標

3種采礦方法主要技術經(jīng)濟指標進行對比，具體見表1。

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從表中可以看出采用該3種采礦方法采切比為4.29 m3/kt，綜合損失率為15%，綜合貧化率為10%，說明該3種采礦方法技術經(jīng)濟上可行。

5 結 論

根據(jù)索礦矽卡巖型礦床特性及極堅硬緩傾斜礦體形態(tài)，并結合國內(nèi)外中大型露天礦山轉井下成功經(jīng)驗，展開相應的研究工作認為，適合索礦特性的地下采礦方法為空場采礦方法，根據(jù)礦體不同傾角、不同厚度，又可分為采用房柱采礦法、采場斜坡道留柱采礦法和分段空場法，具體適用情況如下。

（1）礦體厚度大于3 m，礦體傾角小于15°，采用房柱采礦法。

（3）礦體厚度大于3～12 m，礦體傾角小于30°，采用斜坡道留柱采礦法。

（1）礦體厚度大于12 m，礦體傾角大于30°，采用分段空場采礦法。