冬瓜山礦床盤區(qū)隔離礦柱回采工藝優(yōu)化方案

董世華

(銅陵有色金屬集團股份有限公司冬瓜山銅礦,安徽 銅陵 244000)

冬瓜山礦床系獅子山礦區(qū)的深部礦床,為冬瓜山銅礦主力開采礦段,具有深井、高應(yīng)力、高地溫、高水壓等特點[1-2]。冬瓜山礦床盤區(qū)采用無礦柱連續(xù)回采階段空場嗣后充填法開采,其大盤區(qū)、大礦房的階段礦房嗣后充填三步驟開采方案具有回采工藝簡單、效率高、產(chǎn)量大、資源回收率高等特點[3-4]。隔離礦柱回采是三步驟回采中最難的一步,國內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗可供借鑒。冬瓜山銅礦針對隔離礦柱回采存在的問題,不斷優(yōu)化回采工藝,采取了一系列技術(shù)措施,保障了厚大礦體三步驟開采取得成功,創(chuàng)造了厚大緩傾斜礦體高回收率和安全高效回采的新紀錄[5-7]。通過對冬瓜山礦床盤區(qū)隔離礦柱回采工藝優(yōu)化方案進行分析,供相關(guān)研究與工程實踐參考。

1 冬瓜山礦床概況

1.1 地質(zhì)概況

冬瓜山礦床屬層控矽卡巖型銅礦床,Ⅰ號主礦體長1 820 m,平均寬500 m。礦體埋藏深,賦存標高為-690～-1 007 m,平均厚34.16 m。礦體總體走向NE35°～40°,傾向與背斜兩翼產(chǎn)狀一致,分別傾向NW、SE,礦體中部傾角較緩,一般均小于10°。礦體頂板主要為大理巖,底板主要為粉砂巖和石英閃長巖。礦體及圍巖構(gòu)造簡單,節(jié)理裂隙不發(fā)育,礦巖堅硬,穩(wěn)定性較好。

1.2 冬瓜山礦床采場構(gòu)成要素

冬瓜山礦床采用階段空場嗣后充填法開采,沿礦體走向每隔100 m劃分一個盤區(qū),盤區(qū)內(nèi)分步驟開采。盤區(qū)尺寸為長(礦體寬度350～400 m)×寬(100 m)×高(礦體厚度20～100m),盤區(qū)間預(yù)留隔離礦柱,隔離礦柱尺寸為長(礦體寬度)×寬(18 m)×高(礦體厚度)。在盤區(qū)內(nèi)垂直于礦體走向每18 m間隔劃分礦房采場(長×寬×高=82m×18m×礦體厚度)和礦柱采場(長×寬×高=78m×18m×礦體厚度)。盤區(qū)回采分3個步驟進行,第一步驟回采礦房采場,而后進行全尾砂膠結(jié)充填(一步驟采場取樣平均強度在3 MPa以上);第二步驟回采礦柱采場,而后進行比例低的全尾砂膠結(jié)充填(二步驟采場充填體強度接近1 MPa),第三步驟回采隔離礦柱,而后進行比例更低的全尾砂膠結(jié)充填。暫留隔離礦柱大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦方法原理如圖1所示。由圖1可以看出,礦房、礦柱采場采切工程布置情況、采場參數(shù)以及隔離礦柱與礦房、礦柱采場的相互關(guān)系。3個步驟回采礦量分別占礦體總儲量的42%、40%和18%。

圖1 暫留隔離礦柱大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦方法(單位:m)Fig.1 Large diameter deep hole stage open stoping with subsequent filling mining method for temporary isolation ore pillar

1.3 隔離礦柱回采概況

1.3.1 隔離礦柱回采難題

經(jīng)過大規(guī)模的第一步驟礦房回采和第二步驟礦柱回采,到第三步驟回采隔離礦柱時,采礦技術(shù)條件已經(jīng)發(fā)生了根本性變化。首先,隔離礦柱周圍的介質(zhì)由強度較好的礦(巖)體基本變?yōu)閺姸容^低的尾膠充填體;其次,由于受地壓轉(zhuǎn)移效應(yīng)影響,隔離礦柱內(nèi)的應(yīng)力會明顯增大,礦(巖)體次生節(jié)理裂隙可能大量發(fā)育,增加了回采難度和復(fù)雜性。總之,到第三步驟回采隔離礦柱時,采礦技術(shù)條件比第一步驟回采礦房和第二步驟回采礦柱時嚴重惡化。

1.3.2 隔離礦柱采礦方法

為了便于管理、保持采礦方法的一致性,隔離礦柱采礦方法沿用盤區(qū)礦房、礦柱采礦方法,即采用階段空場嗣后充填法回采隔離礦柱。按礦量較大且較為均衡的原則劃分采礦單元,沿礦柱長度方向,按18 m(一、二步驟采場寬)倍數(shù)不均衡布置回采單元,礦體厚的單元長度取小值,礦體薄的單元長度取大值。采場留側(cè)壁厚為礦房采場2m、礦柱采場4m,端壁厚度4 m ,采場寬度14 m,采場高度為礦體厚度。隔離礦柱礦房回采方案如圖2所示。隔離礦柱采區(qū)的回采順序是從回風道一側(cè)開始,采用退采方式逐一回采。鑿巖采用Simba 261高風壓潛孔鉆機鉆鑿φ165 mm下向鉆孔。布孔設(shè)計參數(shù)為:排距3 m,垂直孔孔距3 m,斜插孔孔底距3.5～4.0 m。深孔爆破采用乳化油炸藥,炸藥直徑φ150 mm,質(zhì)量10 kg/條,長度0.5 m/條。采用毫秒導爆管雷管起爆,導爆索傳爆。

圖2 隔離礦柱礦房回采方案(單位:m)Fig.2 Mining scheme for isolation ore pillar and room

2 隔離礦柱回采工藝優(yōu)化方案

2.1 采場底部結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

2.1.1 底部結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

礦山原設(shè)計采場底部結(jié)構(gòu)采用“V”型塹溝受礦、無軌出礦設(shè)備出礦的底部結(jié)構(gòu),布置在一、二步驟采場底部結(jié)構(gòu)同一水平,設(shè)計巷道需要穿過已經(jīng)膠結(jié)充填或矸石充填的一、二步驟采場底部結(jié)構(gòu)出礦進路和塹溝,因施工難度太大,對其進行了優(yōu)化。充分融合電耙道漏斗出礦和“V”型塹溝受礦無軌出礦設(shè)備出礦兩種底部結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點,提出了大直徑底部漏斗與出礦進路相結(jié)合的無軌設(shè)備出礦形式。漏斗分為短頸漏斗和高頸漏斗兩種,斗頸高度由出礦水平與上部切割層高度確定[8-9]。優(yōu)化后的出礦巷和出礦進路位于已充填的礦房和礦柱采場下部,遠離充填體,不僅解決了施工難題,還提高了底部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性[10-11]。

2.1.2 大直徑漏斗施工方案優(yōu)化

優(yōu)化前的高頸漏斗中深孔爆破成斗原理如圖3所示。由圖3可知:該施工方案是利用斗頸通過中深孔兩次爆破擴斗形成漏斗,需要人員用普通法向上施工斗頸,并在斗頸中向上裝藥,存在安全作業(yè)條件較差問題,不利于安全生產(chǎn),且切割工程量較大,作業(yè)效率不高。

圖3 優(yōu)化前高頸漏斗中深孔爆破成斗示意Fig.3 Schematic of the large diameter deep hole blasting into bucket of high neck funnel before optimization

為了改善安全作業(yè)條件,提高作業(yè)效率,對大直徑漏斗施工方案進行了優(yōu)化,提出了高頸漏斗大直徑深孔爆破成斗方案(圖4)。由圖4可以看出,高頸漏斗13個拉槽垂直深孔和26個(8個垂直孔,18個斜插孔)擴斗側(cè)崩深孔布置情況以及分次爆破情況。為了提高拉槽效率,在3排9個孔的中心孔周圍對稱增加了4個孔,拉槽孔達到13個。高頸漏斗需多次爆破形成,先拉槽后破頂。每次拉槽高度為5 m,破頂高度為7～10 m。拉槽爆破時中間5個孔同段先響,其他孔分先后順序分段爆破。短頸漏斗深孔布置與高頸漏斗相似。短頸漏斗深孔爆破與高頸漏斗破頂爆破相似,其拉槽孔與側(cè)崩孔同時爆破一次形成漏斗。該優(yōu)化方案實施后,漏斗輪廓按深孔爆破控制界線形成,有效滿足了受礦需要。

圖4 優(yōu)化后高頸漏斗大直徑深孔爆破成斗示意Fig.4 Schematic of the optimization of large diameter deep hole blasting into bucket of high neck funnel

2.2 鑿巖工程布置優(yōu)化

由于三步驟回采時原巖切割較嚴重,隔離礦柱采場三面均為充填體,強度較原巖削弱較多,為確保鑿巖硐室頂板穩(wěn)定應(yīng)盡可能利用老穿脈巷道,并減小鑿巖硐室暴露面積,以降低對隔離礦柱巖層的破壞。從優(yōu)化前隔離礦柱采場鑿巖硐室及布孔示意圖(圖5)可以看出,鑿巖硐室對隔離礦柱巖層切割較嚴重。優(yōu)化后的隔離礦柱采場鑿巖硐室及布孔如圖6所示。由圖6可知:深孔布孔充分利用了老穿脈巷,根據(jù)布孔需要上層增加了切割槽硐室和點硐室(小斷面鑿巖硐室),下層只增加了切割槽硐室。布孔采用垂直孔和斜插孔相結(jié)合的方式。由于老穿脈巷作為鑿巖硐室時高度不足,需要對其鏟底0.3 m。切割槽硐室寬7.5 m,高4.0 m。點硐室寬4.5 m,高4.0 m。該優(yōu)化措施實施后,提高了鑿巖硐室頂板穩(wěn)定性,保障了隔離礦柱回采安全。

圖5 優(yōu)化前隔離礦柱采場鑿巖硐室及布孔示意Fig.5 Schematic of isolation ore pillar stope drilling chamber and hole layout before optimization

圖6 優(yōu)化后隔離礦柱采場鑿巖硐室及布孔示意Fig.6 Schematic of the optimized isolation ore pillar stope drilling chamber and hole layout

2.3 布孔及爆破方案優(yōu)化

2.3.1 深孔拉槽方案優(yōu)化

礦山原設(shè)計采用切割天井(斷面2 m×2 m)深孔拉槽方案,存在天井施工安全性較差問題,于是采取VCR法深孔拉槽方案,但每次拉槽高度只有2.5 m,采場拉槽時間長,影響采礦能力提升。為了提高拉槽效率,本研究對拉槽布孔方案進行了優(yōu)化。

優(yōu)化前后大直徑深孔拉槽布孔平面如圖7所示,可以看出,優(yōu)化前是以切割天井為自由面和補償空間進行深孔拉槽,優(yōu)化后是在無切割天井條件下對原VCR法拉槽方案作進一步優(yōu)化,即在原布置3排9個孔基礎(chǔ)上,借鑒深孔爆破成井經(jīng)驗,增加了8個拉槽孔,使大四邊形范圍內(nèi)的垂直拉槽孔達到17個,其它孔均為側(cè)崩孔。爆破時,小四邊形兩個對角孔為空孔不裝藥,另兩個對角孔同段先響,其他孔分先后順序分段爆破。VCR法拉槽優(yōu)化方案實施后,每次拉槽高度從2.5 m提高到5.0 m。

圖7 優(yōu)化前后大直徑深孔拉槽布孔平面示意Fig.7 Schematic of the layout planes of large diameter deep holes before and after optimization

2.3.2 隔離礦柱高大采場布孔及爆破方案優(yōu)化

(1)因地制宜布孔。隔離礦柱中老穿脈巷是回采一、二步驟采場時的鑿巖或出礦聯(lián)絡(luò)巷道,利用已有老穿脈巷進行布孔可減少對隔離礦柱的破壞,有利于礦柱穩(wěn)定;同時可減少采切工程量,降低作業(yè)成本。但存在上、下層硐室之間距離較小的問題,不利于地壓控制。因此,本研究對布孔方案進行了優(yōu)化。由圖5、圖6Ⅲ—Ⅲ剖面可知:當下層硐室超前爆破形成采空區(qū)后,優(yōu)化前布孔方案深孔爆破形成的采空區(qū)高度較大,垮落風險較高;優(yōu)化后上層硐室邊孔布置到下層硐室以下,相當于降低了采空區(qū)高度,相應(yīng)降低了上層硐室的垮落風險。

(2)后退式梯段爆破。在隔離礦柱回采過程中,上層硐室正下方和正前方均為采空區(qū),且兩側(cè)為強度較低的尾膠充填體,采空區(qū)上方為懸臂;同時受地壓轉(zhuǎn)移效應(yīng)影響,隔離礦柱內(nèi)的應(yīng)力會明顯增大,礦(巖)體次生節(jié)理裂隙可能大量發(fā)育,垮落風險高。因此,有必要改進以往方案,盡可能縮短上層硐室懸臂長度,降低垮落風險。經(jīng)分析,兩排孔(6 m長)距離是下向深孔爆破不影響下層硐室爆破裝藥的最短距離,因而采取下層硐室超前上層硐室兩排深孔后退式梯段爆破控制措施,最大限度縮短上層硐室懸臂長度。優(yōu)化前后的后退式梯段爆破原理如圖8所示。由圖8可知:優(yōu)化前上層硐室懸臂較長,垮落風險高;優(yōu)化后上層硐室懸臂縮短到兩排孔長度,且上、下兩層同時起爆,縮短了上層懸臂暴露時間,從而最大限度地降低了上層硐室垮落風險。

圖8 優(yōu)化前后后退式梯段爆破示意Fig.8 Schematic of the backward ladder blasting before and after optimizaiton

3 實施效果

自2016年11月16日52#線隔離礦柱G6采場首次爆破以來,至2021年11月已順利完成了設(shè)計的11個深孔采場中8個采場回采工作,其中52#線5個采場(G6、G5、G4、G3、G2 采場),54#線 3 個采場(G5、G4、G3采場),共回采礦量84.98萬t。從隔離礦柱整體回采效果上看,爆破對采場兩側(cè)預(yù)留礦壁保護效果較好,在回采工作進入中后期時,兩側(cè)2 m厚預(yù)留礦壁垮落,但出礦過程沒有見到充填體,采場中礦石全部出完,實現(xiàn)了安全高效回采;同時礦床資源綜合回收率實現(xiàn)了從兩步驟回采的70%到三步驟回采的81%跨越,加之兩側(cè)2 m厚預(yù)留礦壁垮落,增加了礦石回收量,效果超過預(yù)期。

4 結(jié) 論

(1)采用大直徑底部漏斗與出礦進路相結(jié)合的無軌設(shè)備出礦形式,使底部結(jié)構(gòu)布置在隔離礦柱采場下部并以斜坡聯(lián)絡(luò)道相連,不僅解決了施工難題,還提高了底部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性,有效確保了隔離礦柱順利回采。

(2)充分利用礦山老工程減少對隔離礦柱巖層切割、因地制宜布孔以及后退式梯段爆破方案優(yōu)化是確保隔離礦柱成功回采的關(guān)鍵措施,最大限度地減小了地壓可能造成的影響,保障了回采安全。

(3)高頸漏斗大直徑深孔爆破成斗方案和VCR法拉槽優(yōu)化方案的實施,改善了安全作業(yè)條件,提高了作業(yè)效率,有助于提升隔離礦柱回采的技術(shù)水平。