VCR采礦法在武山銅礦的應(yīng)用及展望

陳智宏，張振平，劉經(jīng)民

（江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦2020年大力開展單產(chǎn)能力攻關(guān)研究，通過對(duì)現(xiàn)有采礦方法進(jìn)行分析，找到了施工方法及管理措施中的不足之處，有針對(duì)性地開展了一系列攻關(guān)活動(dòng)，取得了不錯(cuò)的效果。但受現(xiàn)有采掘施工設(shè)備設(shè)施的先進(jìn)性不足及對(duì)采礦作業(yè)流程分析不完全等因素的影響，采場(chǎng)單產(chǎn)能力提升沒有達(dá)到預(yù)期，同時(shí)受生產(chǎn)效率低、人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、采礦方法局限性等因素制約，采礦作業(yè)成本居高不下。另外，受建礦時(shí)間長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜等因素影響，新采礦方法如何適應(yīng)武山銅礦的現(xiàn)有系統(tǒng)是一個(gè)難題。

為解決上述問題，我們?cè)谖渖姐~礦“三期建設(shè)”之初，充分分析現(xiàn)有采礦方法及工藝的不足，對(duì)國(guó)內(nèi)外高效采礦方法進(jìn)行對(duì)比、選擇，對(duì)武山銅礦地質(zhì)、采掘工藝條件等進(jìn)行適應(yīng)性比較分析，提出了在現(xiàn)有采礦方法的基礎(chǔ)上發(fā)揮高效低廉效應(yīng)的對(duì)策，并通過在采礦盤區(qū)推行VCR采礦法，初步論證了該方法在武山銅礦應(yīng)用及提升綜合采礦效益的可行性。

2 礦體及圍巖地質(zhì)條件

武山銅礦分南、北礦帶，北礦帶W3以西礦體主要由含銅黃鐵礦及含銅白云質(zhì)灰?guī)r、含銅大理巖為主，其中含銅黃鐵礦為靠下盤獨(dú)立礦體，界限較為明顯，礦體呈砂塊狀，黏結(jié)力差。含銅白云質(zhì)灰?guī)r、含銅大理巖在上盤緊鄰含銅黃鐵礦賦存，大部分礦體節(jié)理發(fā)育，裂隙內(nèi)侵入含銅黃鐵礦，裂隙寬度多數(shù)在3cm以內(nèi)，完整性較差，部分區(qū)域有溶洞，多為干溶洞，有鐵質(zhì)粘土等充填［1］。

E6至W3，主要由含銅白云質(zhì)灰?guī)r、含銅大理巖、含銅石英閃長(zhǎng)玢巖、含銅破碎帶、含銅角礫巖礦體組成，節(jié)理發(fā)育，完整性一般。

E10至E6，主要由含銅黃鐵礦、含銅高嶺土、含銅破碎帶（碳酸巖）組成，其中含銅黃鐵礦與西部巖性類似，含銅高嶺土，易吸濕膨脹、溜幫，含銅破碎帶主要是節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差。

北礦帶上盤圍巖為大理巖，穩(wěn)定性好，部分區(qū)域有溶洞，以干溶洞填充塊狀碎屑及鐵質(zhì)粘土，整體較為穩(wěn)定。下盤為砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性一般。

南礦帶礦體主要為含銅矽卡巖、含銅大理巖，礦體穩(wěn)定性較好，少部分區(qū)域（W1、W2、W4、E5、E7、E8等）有花崗巖和煌斑巖穿插，穿插厚度為2～10m左右?；◢弾r、煌斑巖均易風(fēng)化，長(zhǎng)期暴露易吸濕膨脹、垮幫。

南礦帶礦體成馬蹄形，南礦帶圍巖中間（上盤）為花崗巖，易風(fēng)化，長(zhǎng)期暴露易吸濕膨脹、垮幫。下盤為大理巖，較為穩(wěn)定。

3 歷史采礦方法應(yīng)用情況

分段崩落法及分層崩落法。武山銅礦在建礦初期至20世紀(jì)90年代使用該采礦方法，其特點(diǎn)是生產(chǎn)能力低、頂板控制難度大，易冒落，安全性保障低，礦體損失率低。

下向分層水砂充填采礦法。在20世紀(jì)90年代至今一直沿用，其特點(diǎn)是支護(hù)量大，人工假底量大，材料運(yùn)輸繁忙，成本高，生產(chǎn)能力相對(duì)較低，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，但安全性較好。

上向分層水砂充填采礦法。在20世紀(jì)90年代至2013年在武山銅礦南部圍巖及礦體均較穩(wěn)定的采場(chǎng)應(yīng)用較多，主要是南礦帶S、N部礦體。其特點(diǎn)是施工效率較高，但遇破碎帶及軟巖段支護(hù)量大，松石傷人事故頻發(fā)，為保證施工過程中頂板的穩(wěn)定性，往往需預(yù)留礦柱，損失率大，同時(shí)受上向施工時(shí)底板充填砂的影響，貧化率也較大。

下向分層膠結(jié)充填采礦法。該方法在武山銅礦應(yīng)用最為成功，解決充填體穩(wěn)定性后，采場(chǎng)支護(hù)量大為減少，施工過程中安全性較高，礦體貧損指標(biāo)非常低，但充填成本相對(duì)較高。同時(shí)受分條充填時(shí)密閉墻施工等影響，采場(chǎng)材料使用量較大，運(yùn)輸成本較高。

分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。該方法近年來(lái)在武山銅礦試驗(yàn)成功，驗(yàn)證了高采空區(qū)邊幫穩(wěn)定性及充填體假頂?shù)淖苑€(wěn)能力滿足分段或中段空?qǐng)霾傻V的要求，推廣應(yīng)用后，有望大幅減少用工及作業(yè)成本。

4 VCR采礦法應(yīng)用展望

4.1 應(yīng)用VCR采礦法

VCR采礦法在金屬礦山應(yīng)用較多，特別是大型井采金屬礦，因該方法高效、低成本，近年來(lái)應(yīng)用面在逐步擴(kuò)大［3］。武山銅礦經(jīng)過近兩年分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法試驗(yàn)，驗(yàn)證了高采空區(qū)邊幫的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增強(qiáng)了該礦后期引進(jìn)更高效率的采礦方法的可能性，VCR采礦法是主要方向。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山都采取“一礦多方法”的模式，有針對(duì)性地解決采礦效率低、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，取得了很好的效果。武山銅礦作為老礦山，現(xiàn)有的進(jìn)路式采礦方法應(yīng)用成熟，該采礦方法也解決了武山銅礦規(guī)模小、松軟難采礦體的開采問題。為了最大限度利用資源，應(yīng)當(dāng)再優(yōu)化并推廣其在難采礦體區(qū)域的應(yīng)用［4］。結(jié)合武山銅礦圍巖穩(wěn)定性具有區(qū)域性的特點(diǎn)，我們認(rèn)為在一些穩(wěn)定性較好，如南礦帶S、E、N5、N6等采場(chǎng)，可以采取更先進(jìn)更高效的采礦法，能在一定程度上解決現(xiàn)有采礦方法成本高、用工量大、安全隱患多、施工效率低等一系列問題。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外采礦方法的應(yīng)用成果，并結(jié)合武山銅礦礦體賦存條件及充填工藝條件，VCR采礦法+嗣后膏體充填是武山銅礦后期發(fā)展的不二之選。分析該采礦方法的優(yōu)點(diǎn)，能發(fā)現(xiàn)該采礦方法有利于綜合效益的提升，同時(shí)，結(jié)合武山銅礦的實(shí)際情況，該方法也便于應(yīng)用和推廣。

4.2 武山銅試用VCR法的優(yōu)點(diǎn)

武山銅礦得益于成熟的充填工藝及部分區(qū)域穩(wěn)定的地質(zhì)條件，應(yīng)用VCR采礦法優(yōu)點(diǎn)比較明顯。

（1）南礦帶部分礦體較穩(wěn)固，同時(shí)礦體不連續(xù)，且礦體規(guī)模不大，都屬于急傾斜礦體，比較適合應(yīng)用此法，具體操作時(shí)，可以選取單個(gè)采場(chǎng)作為一個(gè)礦房，免去了二步驟回采礦柱的麻煩。

（2）由于使用了全尾膏體充填工藝，可以充分利用穩(wěn)定的充填體假頂作為VCR法中礦房頂部鑿巖硐室、礦房聯(lián)巷以及其他巷道的頂板，確保了鑿巖施工的安全。

（3）礦房底部采取有底柱出礦系統(tǒng)，出礦巷與受礦巷分開布置，能有效保證出礦安全。

（4）礦房回收干凈后，通過對(duì)底部8m左右采取高強(qiáng)度（4MP）充填后，底部結(jié)構(gòu)可以采取現(xiàn)有的水平分層充填采礦法進(jìn)行回收，能有效解決底柱回收困難的問題。

（5）在成本控制上，由于采取該方法后不再需要每12m施工一層分段沿脈巷道，同時(shí)一次爆破出礦量將會(huì)大大提升，采礦成本將會(huì)成倍下降。

4.3 VCR法具體施工工法建議

（1）選取分段高度50m礦體（如選取南礦帶E3采場(chǎng)-310m至-360m），底部5m施工底部結(jié)構(gòu)。出礦溜井由-410m送至-360m并與底部出礦巷道貫通，排水由-360m采聯(lián)道排出。底部結(jié)構(gòu)由采聯(lián)道靠近礦體約10m左右處開口掘進(jìn)盤區(qū)沿脈巷，在走向方向上間隔24m掘進(jìn)一條出礦巷，出礦巷與出礦巷之間掘進(jìn)一條受礦巷，受礦巷與出礦巷之間每間隔5m掘進(jìn)一條出礦進(jìn)路（如圖1）。

圖1 底部結(jié)構(gòu)巷道布置圖

（2）底部出礦巷及受礦巷施工完成后，在受礦巷進(jìn)行中孔拉底施工（如圖2）。中深孔拉底后形成底部出礦塹溝及補(bǔ)償空間［4］（如圖3所示）。

圖2 受礦巷拉底中深孔施工圖

圖3 底部出礦塹溝

（3）礦房頂部鑿巖巷道及硐室施工。利用現(xiàn)有膠結(jié)充填工藝，對(duì)E3采場(chǎng)進(jìn)行不少于3個(gè)分層的膠結(jié)充填，確保頂板穩(wěn)定后，在采場(chǎng)開掘礦房頂部鑿巖巷道及硐室，鑿巖巷布置與底部結(jié)構(gòu)出礦巷及受礦巷類似，但兩巷道間不再開掘出礦進(jìn)路（如圖4所示）。

圖4 鑿巖巷道布置圖

（4）礦房深孔施工。在已施工完成的鑿巖巷道上，根據(jù)爆破方案施工深孔（如圖5），深孔施工完成后，以利文斯頓爆破漏斗原理為基礎(chǔ)［5-7］，充分利用球狀藥包爆破特點(diǎn)，采用小斷面掏槽與倒梯段側(cè)向崩礦相結(jié)合的留礦爆破回采工藝。

圖5 深孔施工示意圖

（5）出礦。用鏟運(yùn)機(jī)或其他高效率出礦設(shè)備從出礦巷道及出礦進(jìn)路中運(yùn)出破碎礦石30%～40%，為下一分層爆破提供補(bǔ)償空間。

（6）底柱回收。利用全尾膏體充填工藝，待盤區(qū)礦房出盡礦石后，封堵底部結(jié)構(gòu)中的采聯(lián)道，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)，為保證采空區(qū)底部的充填強(qiáng)度并為下中段VCR采礦法應(yīng)用提供穩(wěn)定的鑿巖巷道及硐室，要求底部10～15m采礦高強(qiáng)度充填（4MP以上）。充填完成并養(yǎng)護(hù)后，對(duì)底柱采取水平分層充填采礦法回收（視底柱高度決定1個(gè)或2個(gè)分層），最后一個(gè)分層施工時(shí)按礦房鑿巖巷道形式設(shè)計(jì)施工，為下中段深孔施工創(chuàng)造條件。

4.4 VCR采礦法與現(xiàn)有采礦方法的比較

武山銅礦正處于采礦方法的變革期，對(duì)于新采礦方法的選擇，要充分結(jié)合礦山實(shí)際情況，當(dāng)前武山銅礦單個(gè)采場(chǎng)采礦效率低、全員勞動(dòng)生產(chǎn)率低、采礦作業(yè)工序繁雜、采礦作業(yè)成本高是主要問題。若采取高效率的VCR采礦法，上述問題將大為改善。從上述四個(gè)方面進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，VCR采礦法優(yōu)勢(shì)比較明顯。

表1 VCR采礦法與現(xiàn)采礦方法效益表現(xiàn)比較

4.5 應(yīng)用VCR采礦法的幾點(diǎn)問題

（1）VCR采礦方法關(guān)鍵點(diǎn)在于深孔鉆鑿及球形藥包裝藥爆破［6］，以取得良好的礦石塊度及提高圍巖的穩(wěn)定性，避免出礦過程中的卡堵及礦體邊界圍巖過度擾動(dòng)。為此，為了更好地應(yīng)用此方法，還需邀請(qǐng)專業(yè)的科研院所針對(duì)武銅的具體情況進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)。

（2）結(jié)合國(guó)內(nèi)外礦山應(yīng)用此方法的實(shí)例，出礦過程中，難以保證不會(huì)出現(xiàn)卡堵的情況。因此，針對(duì)卡堵現(xiàn)象應(yīng)制定相應(yīng)的措施，特別是對(duì)大塊的破碎，是采取長(zhǎng)臂大塊破碎機(jī)還是采取機(jī)械化鉆孔裝藥破碎，應(yīng)對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的安全情況擇優(yōu)選取或多種方法并行。

（3）采取VCR法后，由于爆破礦體大、產(chǎn)量高，影響生產(chǎn)能力提升的主要問題將集中在出礦環(huán)節(jié)上，如何提升出礦效率將是該方法應(yīng)用后需重點(diǎn)考慮的因素。

（4）由于底部結(jié)構(gòu)及部分頂部鑿巖硐室可能在原巖中施工，各種巷道的頂板支護(hù)將會(huì)是保證施工安全的重要措施，同時(shí)支護(hù)的穩(wěn)定性、可靠性不僅影響安全，也將影響生產(chǎn)效率。為此，使用專業(yè)化的支護(hù)設(shè)備，能大大緩解上述難題。

（5）VCR采礦法底部結(jié)構(gòu)形式并非只有上述一種，還有無(wú)底柱及人工砼底柱等多種方式［8］。根據(jù)武山銅礦生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這里推薦上述有底柱形式，施工較為經(jīng)濟(jì)、安全性也相對(duì)較好。但無(wú)論哪種底部結(jié)構(gòu)，可能都會(huì)面臨出盡采礦區(qū)內(nèi)礦石時(shí)鏟運(yùn)機(jī)等出礦設(shè)備暴露在采空區(qū)內(nèi)的現(xiàn)象，有松石傷害的風(fēng)險(xiǎn)。為此，多數(shù)礦山的經(jīng)驗(yàn)都是對(duì)最后剩余的礦石采用遙控設(shè)備作業(yè)，以降低對(duì)人的傷害風(fēng)險(xiǎn)。

（6）對(duì)于VCR法中貧化的問題，與武山銅礦現(xiàn)有采礦方法相差不會(huì)太大。主要原因在于現(xiàn)有采礦方法中充填跑冒現(xiàn)象比較多，其中跑冒后的尾砂（江砂）大部分進(jìn)入了礦石，這些尾砂進(jìn)入礦石后貧化已比較嚴(yán)重（從地質(zhì)品位與入選品位比較就能發(fā)現(xiàn)問題所在）。而VCR采礦法，因其嗣后充填的性質(zhì)，礦石貧化只有大爆破過程中難以剔除的廢石混入，充填砂將不再會(huì)進(jìn)入礦石中。

5 結(jié)束語(yǔ)

武山銅礦已開啟三期改擴(kuò)建工程，建萬(wàn)噸標(biāo)桿井采銅礦山在即，在現(xiàn)有采礦方法的基礎(chǔ)上，合理地改進(jìn)施工斷面或施工方法，同時(shí)投入效率更高、能力更大、自適性更好的采礦機(jī)械設(shè)備，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短部分工序的施工作業(yè)時(shí)間、及時(shí)處理安全隱患，從而達(dá)到安全、高效、降成本的目的，而針對(duì)這些方法及目標(biāo)的達(dá)成，現(xiàn)階段進(jìn)路式采礦法局限性很大。只有探索高效的采礦方法，才有可能在未來(lái)的三期采礦作業(yè)過程中使效率及成本達(dá)到最佳狀態(tài)。結(jié)合武山銅礦礦體賦存情況及生產(chǎn)實(shí)際，推薦試用VCR采礦法，通過在南礦帶E3采場(chǎng)簡(jiǎn)單模擬該方法，提出了方法試用時(shí)可能存在的問題，為后期可選采礦方法提供一定的參考。