大團(tuán)山礦床大盤區(qū)一步驟回采地壓控制技術(shù)優(yōu)化

董世華

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司冬瓜山銅礦）

大團(tuán)山礦床是冬瓜山銅礦主要礦床之一，擔(dān)負(fù)著冬瓜山銅礦老區(qū)主要礦石產(chǎn)量［1-2］。該礦床采用大盤區(qū)開采，每個(gè)盤區(qū)均采用一步驟回采方案。大盤區(qū)開采具有開采效率高、生產(chǎn)能力大、生產(chǎn)工藝簡單、開采成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在采空區(qū)暴露面積大、采場空間跨度大等不利因素。針對回采過程中礦房易冒落而導(dǎo)致的影響安全回采和礦石貧化損失較大的問題，冬瓜山銅礦相關(guān)技術(shù)人員持續(xù)開展了研究，制定并采取了針對性措施，有效地控制了地壓顯現(xiàn)和礦石貧化損失［3-4］，實(shí)現(xiàn)了安全高效低成本開采。本研究通過對相關(guān)技術(shù)措施進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)分析，供國內(nèi)類似礦山開采實(shí)踐參考。

1 大團(tuán)山礦床概況

1.1 地質(zhì)特征

大團(tuán)山礦床為層控式矽卡巖型礦床，由1條主礦體和多條小礦體組成。主礦體產(chǎn)狀與圍巖基本一致，走向NE30°～35°，傾向SE，傾角中等，在不同地段傾角略有變化最大70°，最小10°，一般為35°～50°。主礦體走向長830 m，斜深最大652 m，工程見礦厚度最大69.47 m，最小1.35 m，平均29.65 m；礦體形態(tài)較簡單，呈似層狀，賦存標(biāo)高-316～-788 m。礦床礦石致密堅(jiān)硬、節(jié)理裂隙不發(fā)育，礦芯完整性尚好。礦體頂?shù)装鍘r性為矽卡巖夾角巖、大理巖夾角巖及石英閃長巖，巖性單一、層位穩(wěn)定、完整性好，屬堅(jiān)硬巖石。礦石無結(jié)塊性和自燃性。礦床水文地質(zhì)簡單。

1.2 開采概況

1.2.1 一期開采概況

-460 m 以上礦體為一期工程開采范圍，采用豎井開拓法，設(shè)計(jì)施工了-390，-430，-460 m 3個(gè)開拓中段，其中-460 m 中段為有軌運(yùn)輸中段。采用傳統(tǒng)的中深孔崩礦、電耙出礦、2 m3側(cè)卸式礦車運(yùn)礦的生產(chǎn)工藝，采礦方法為中深孔落礦分段空場法［5］。

1.2.2 二期開采情況

-460 m 以下至-580 m 以上礦體為二期工程開采范圍。為了提高開采效率，降低開采成本，大團(tuán)山礦床二期工程建設(shè)時(shí)，中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司（以下簡稱“中鋼礦院”）的相關(guān)技術(shù)人員對大團(tuán)山-580 m 中段采礦方法進(jìn)行了選擇與論證，從礦段開采技術(shù)條件、大團(tuán)山-460 m 以上空區(qū)穩(wěn)定性分析，以及大團(tuán)山-580 m 中段開采過程數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了研究，推薦采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法，將-19線A至43號(hào)線區(qū)域內(nèi)劃分為5 個(gè)盤區(qū)，每個(gè)盤區(qū)均采用一步驟回采方案［6-7］。在礦體走向方向留有23#、27#、31A、35#4 個(gè)大礦柱，礦柱寬度均為30 m，采空區(qū)極限跨度控制在120 m 以內(nèi)。開拓了-490，-520，-580 m 中段，其中-580 m 中段為有軌運(yùn)輸中段。開拓方法為豎井和斜坡道聯(lián)合開拓法。采用大直徑深孔落礦、3.5 m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦、4 m3底側(cè)卸式礦車運(yùn)礦的生產(chǎn)工藝。

1.2.3 三期開采情況

-580 m 以下至-730 m 以上礦體為三期工程開采范圍。大團(tuán)山礦床三期工程建設(shè)時(shí)，銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心和中鋼礦院的相關(guān)技術(shù)人員對大團(tuán)山礦床-580 m 以下至-730 m 以上礦體進(jìn)行了采礦方法論證與礦巖穩(wěn)定性研究。-580 m 以下盤區(qū)（采場）劃分承接上部盤區(qū)劃分，并在盤區(qū)適當(dāng)位置預(yù)留礦柱，Ⅰ#、Ⅱ#盤區(qū)在-580 m 水平留厚20 m的斜礦柱，Ⅲ#盤區(qū)在-565 m留20 m斜礦柱（圖1Ⅲ—Ⅲ剖面），Ⅳ#、Ⅴ#盤區(qū)在-565 m 留25 m 寬垂直礦柱（圖1Ⅰ—Ⅰ剖面），將上部采空區(qū)與下部開采隔開。39 線以北受陰澇破碎帶影響暫不設(shè)計(jì)回采，待39線以南開采結(jié)束后，條件成熟后再考慮回采。開拓了-610，-670，-730 m 中段，其中-730 m 中段為有軌運(yùn)輸中段。采礦方法沿用-580 m 中段采礦方法，以大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法為主。鑿巖采用T-150 高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)鉆鑿下向深孔，炮孔直徑φ165 mm。布孔設(shè)計(jì)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。部分不適用于大孔落礦的礦體采用中深孔落礦分段空場嗣后充填法回采。薄礦體采用淺孔空場法回采。-670 m 中段主要生產(chǎn)盤區(qū)礦房尺寸：Ⅲ#盤區(qū)礦房長約95 m，寬為礦體厚度（平均25 m），高120 m（-555～-675 m水平）；Ⅳ#盤區(qū)礦房長約95 m，寬為礦體厚度（平均37 m），高150 m（-520～-670 m 水平）；Ⅴ#盤區(qū)的礦房長約95 m，寬為礦體厚度（平均60 m），高105 m（-565～-670 m水平）。

2 大盤區(qū)一步驟回采礦房地壓控制技術(shù)優(yōu)化

大盤區(qū)一步驟回采礦房易冒落問題是多年來冬瓜山銅礦一直致力于解決的難題［8-9］，隨著對大盤區(qū)開采的研究以及對采場地壓特點(diǎn)認(rèn)識(shí)的不斷深入，礦房地壓控制技術(shù)不斷優(yōu)化，礦石貧化損失大的問題以及安全回采問題得到較好解決。本研究以大團(tuán)山-670 m 中段Ⅲ#盤區(qū)回采為例，分析冬瓜山銅礦大團(tuán)山礦床大盤區(qū)一步驟回采礦房地壓控制技術(shù)優(yōu)化思路。

2.1 爆破設(shè)計(jì)優(yōu)化

回采順序是影響礦房地壓的重要因素，為了便于分析盤區(qū)的回采順序，將盤區(qū)劃分為若干個(gè)爆破區(qū)域，并對每個(gè)區(qū)域按照爆破順序進(jìn)行編號(hào)。每個(gè)爆破區(qū)域內(nèi)包含若干次爆破，每次爆破依次后退式進(jìn)行。

2.1.1 優(yōu)化前爆破設(shè)計(jì)方案

優(yōu)化前盤區(qū)回采整體上采用由下而上、由中部向兩側(cè)后退式回采方案。優(yōu)化前大團(tuán)山Ⅲ#盤區(qū)爆破區(qū)域起爆順序如圖1 所示。由圖1 中Ⅳ—Ⅳ剖面可知：礦房回采從中部由下而上，再從中部向兩側(cè)由下而上進(jìn)行，礦房跨度及暴露面積相應(yīng)地由中部向兩側(cè)不斷擴(kuò)大，圍巖冒落風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，一旦礦房出現(xiàn)局部冒落，兩側(cè)繼續(xù)爆破時(shí)，冒落的廢石就會(huì)被爆下礦石覆蓋，出現(xiàn)“包餃子”現(xiàn)象，導(dǎo)致貧化損失很大。由圖1中Ⅲ—Ⅲ剖面可知：在垂直礦體走向上礦房一開始就處于最大跨度狀態(tài)，采空區(qū)在最大跨度狀態(tài)下暴露時(shí)間較長，不利于采空區(qū)穩(wěn)定。該爆破設(shè)計(jì)方案易產(chǎn)生圍巖冒落，不但影響安全回采，而且會(huì)導(dǎo)致礦石貧化損失大。

2.1.2 優(yōu)化后爆破設(shè)計(jì)方案

在充分顧及采場地壓特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合盤區(qū)回采具體條件和回采工藝，對大盤區(qū)一步驟回采礦房地壓控制技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采取了爆破范圍拱形控制及盤區(qū)中部后采措施。

2.1.2.1 爆破范圍拱形控制措施

利用免壓拱解除采場地壓，通過優(yōu)化爆破范圍和爆破順序來控制礦房斷面形態(tài)，使爆破形成的采空區(qū)形態(tài)近似于拱形，利用形成免壓拱的方法使待采礦塊處于卸壓區(qū)內(nèi)。拱內(nèi)礦塊在失穩(wěn)前經(jīng)爆破均勻破碎，解除原有的高應(yīng)力狀態(tài)，釋放應(yīng)力，并使來自原巖體的載荷轉(zhuǎn)移到該區(qū)域之外，從而改善了待采礦塊的回采條件。待礦塊中的最大拱形成后，再增大采空區(qū)跨度，直至礦塊采完。

優(yōu)化后的大團(tuán)山Ⅲ#盤區(qū)爆破區(qū)域起爆順序如圖2 所示。由圖2 中Ⅲ—Ⅲ剖面可知：爆破區(qū)域1、3構(gòu)成的圖形以及爆破區(qū)域1、3、9 構(gòu)成的圖形為近似拱形的一部分，Ⅲ#盤區(qū)以近似于形成拱形實(shí)施爆破，最后實(shí)現(xiàn)區(qū)域10、11 爆破，增大拱的跨度。該措施的實(shí)施有效地控制了地壓，較好地控制了回采過程中廢石混入。

2.1.2.2 盤區(qū)中部后采措施

盤區(qū)中部后采相當(dāng)于在盤區(qū)中部暫留了一條礦柱，在其回采前，起到控制礦房跨度、支撐上覆巖層壓力的作用，有利于礦房穩(wěn)定?；夭珊螅舨煽諈^(qū)出現(xiàn)圍巖冒落則圍巖落在礦石墊層上，采用等量均勻順序放礦或不等量均勻順序放礦措施，保持礦巖接觸面在放礦過程中均勻下降，可較好地避免“包餃子”現(xiàn)象發(fā)生，控制二次貧化損失。

由圖2 中Ⅳ—Ⅳ剖面可知：圖中陰影部分（爆破區(qū)域6、7、8）相當(dāng)于暫留水平礦柱，待其兩側(cè)礦塊采完后再對其進(jìn)行爆破。暫留水平礦柱爆破時(shí)先開采兩側(cè)的爆破區(qū)域6、7，將其逐步縮小，最后開采爆破區(qū)域8。從圖2Ⅰ-Ⅰ剖面可以看出，爆破設(shè)計(jì)時(shí)新增了一條從-565～-555 m 斜坡聯(lián)絡(luò)道。該巷道為落實(shí)盤區(qū)中部后采措施的退采通道。中部后采措施實(shí)施后，有效保證了礦房穩(wěn)定，礦石貧化損失得到了有效控制。

2.2 回采過程地壓控制管理措施優(yōu)化

優(yōu)化前，在回采過程中采取邊采礦邊大量出礦措施，礦房中存窿礦量少，后續(xù)爆破對礦房的影響大，易產(chǎn)生冒落。

采取自下而上強(qiáng)采少出礦、采完強(qiáng)出礦措施。采取了自下而上強(qiáng)采少出礦措施，讓爆堆盡快充填礦房，來改善采場圍巖的受力狀態(tài)，增強(qiáng)采場圍巖的穩(wěn)定性，阻擋圍巖冒落，緩和地壓顯現(xiàn)。當(dāng)盤區(qū)中布置多層出礦底部結(jié)構(gòu)時(shí)（圖2），一旦上層底部結(jié)構(gòu)出礦可以為后續(xù)爆破提供補(bǔ)償空間時(shí)，則停止下層底部結(jié)構(gòu)出礦，讓爆堆充填礦房。采礦結(jié)束后采取自上而下強(qiáng)出礦措施，在地壓顯現(xiàn)之前，盡快完成回采工作。若采礦結(jié)束后出現(xiàn)圍巖冒落，則在加強(qiáng)出礦的同時(shí)應(yīng)保持礦巖接觸面在放礦過程中均勻下降，控制二次貧化損失。該措施實(shí)施后，不但緩和了地壓顯現(xiàn)，而且創(chuàng)造了擠壓爆破條件，充分利用了爆破能量，礦石破碎效果得到改善。

3 實(shí)施效果

在大團(tuán)山礦床早期的-580 m 中段以上各盤區(qū)回采以及較早時(shí)期的-670 m 中段Ⅳ#盤區(qū)回采過程中，均出現(xiàn)了不同程度的礦房局部冒落現(xiàn)象，不但影響安全回采，而且礦石貧化損失較大。2013 年大團(tuán)山礦床貧化率高達(dá)18.23%，損失率為15.2%。在近幾年的大團(tuán)山-670 m 中段Ⅴ#盤區(qū)（2020 年元月回采結(jié)束）和Ⅲ#盤區(qū)（2021 年10 月采礦結(jié)束）回采過程中，通過采取上述優(yōu)化措施后，大盤區(qū)一步驟回采礦房易冒落問題得到較好地解決，礦石的貧化率、損失率明顯下降。2019 年大團(tuán)山礦床貧化率為13.69%，損失率為12.88%；2020 年貧化率為11.87%，損失率為12.79%，取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了安全高效低成本開采。

4 結(jié) 論

（1）控制跨度是防止采空區(qū)冒落的關(guān)鍵措施，待礦塊內(nèi)含礦量最大拱形成后再增大采空區(qū)垮度，避免了礦體頂板圍巖過早暴露，是盤區(qū)開采取得成功的關(guān)鍵。

（2）以采空區(qū)形態(tài)近似于拱形安排爆破順序，使得待采礦塊處于卸壓區(qū)內(nèi)，是控制圍巖冒落的重要措施。

（3）強(qiáng)采少出，讓爆堆充填礦房，改善采場圍巖的受力狀態(tài)，減小后續(xù)爆破對采場的影響，是維護(hù)采空區(qū)穩(wěn)定和控制貧化損失的有效措施。