吉林省某玉石礦非爆破采礦方法研究*

戴巖，翟增碩，谷中元

(長(zhǎng)春工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有30余種玉石礦被開采，礦山數(shù)量在170處左右，其開發(fā)利用狀況備受關(guān)注[1-2]。寶玉石礦要求原礦完整性好、內(nèi)部微損傷小，故在采礦方法運(yùn)用方面應(yīng)有其自身的特點(diǎn)[3]，但在實(shí)際生產(chǎn)中，直接引入金屬礦的采礦方法對(duì)玉石礦進(jìn)行開采仍是主流。

近年來，部分學(xué)者就玉石礦的采礦方法進(jìn)行了探索。陳平等[4]采用聚能控制爆破技術(shù)對(duì)遼寧省岫巖縣玉石礦的采礦工藝進(jìn)行了改進(jìn)。趙建平等[5]針對(duì)通天玉石礦極薄急傾斜的賦存特點(diǎn)，提出了一種基于線型聚能爆破技術(shù)的改進(jìn)采礦方法。郭曉旭[6]對(duì)削壁充填法在玉石礦中的開采進(jìn)行了應(yīng)用研究，認(rèn)為該方法對(duì)玉石礦的開采較為適宜。黃佑洪、汪柳俊等[7-8]分別從鋸切和爆破方法對(duì)紫袍玉帶石的開采進(jìn)行了研究，采出礦石的完整性均有所提升。這些探索對(duì)玉石礦開采水平的提升具有積極作用，但總體上仍以爆破方法為主。相關(guān)實(shí)踐證明，如果采礦方法不能很好考慮玉石礦自身特點(diǎn)，那么必然會(huì)導(dǎo)致玉石礦內(nèi)部損傷嚴(yán)重[9-10]。

吉林省某礦山同時(shí)擁有玉石礦與鉛鋅礦，其在鉛鋅礦開采方面比較成熟，但在玉石礦開采方面卻相對(duì)較弱，采出礦石質(zhì)量不高，嚴(yán)重影響了玉石礦經(jīng)濟(jì)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。因此，亟需針對(duì)玉石礦賦存特點(diǎn)和產(chǎn)品需要開展采礦方法研究。

1 玉石礦開采條件特征

該玉石礦山位于吉林省磐石市，礦區(qū)內(nèi)主要出露地層為古生界二疊系下統(tǒng)大河深組，主要巖性為安山巖、流紋巖、流紋質(zhì)凝灰?guī)r及灰?guī)r等。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，但對(duì)玉石礦體基本沒有破壞作用。根據(jù)目前的勘探成果，礦區(qū)內(nèi)賦存有14條鉛鋅礦體和10條石英質(zhì)玉礦體，其中玉石礦體特征見表1。

表1 玉石礦體特征

玉石礦體主要為熱液蝕變產(chǎn)物，圍巖主要為英安質(zhì)凝灰?guī)r、安山質(zhì)凝灰?guī)r和泥質(zhì)板巖，礦體與圍巖接觸界限較為清晰，玉石礦體內(nèi)部無夾石分布。

根據(jù)地質(zhì)勘探資源和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬于簡(jiǎn)單類型，但礦區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，隱伏構(gòu)造影響的破碎帶、蝕變帶于局部地段較發(fā)育，且礦床中礦體部分置于巖體風(fēng)化帶內(nèi)及附近，這些因素都給礦床開采帶來不利影響。故礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬于中等類型。因此，礦床開采技術(shù)條件屬?gòu)?fù)合問題的礦床。

2 采礦方法選擇

2.1 現(xiàn)用采礦方法及問題

由于對(duì)玉石礦開采缺乏經(jīng)驗(yàn)，目前礦山對(duì)玉石礦采用與鉛鋅礦同樣的采礦方法進(jìn)行開采。對(duì)厚度5 m及以下的礦體采用淺孔留礦法，對(duì)厚度5 m以上的礦體采用分段空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開采。

但是從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看，不管是淺孔留礦法還是分段空?qǐng)龇?，均存在如下難以克服的問題：

（1）由于采用爆破方法落礦，采出的玉石礦完整性差、成材率低，且不可避免地使玉石出現(xiàn)微裂隙，導(dǎo)致后續(xù)雕琢加工困難；

（2）由于要求采出的玉石原礦具有較大塊度，爆破中炸藥裝藥量較普通爆破要小，導(dǎo)致大量礦石不能采出，加上爆炸近區(qū)的粉礦損失，對(duì)礦體厚度大于5 m的玉石礦的回采率僅為45%左右；

（3）礦體局部較為破碎，在爆炸沖擊作用下，安全性差，局部頂板不穩(wěn)固，安全隱患較為突出；

（4）相對(duì)于鉛鋅礦，采出的玉石礦塊度較大，無論是淺孔留礦法還是分段空?qǐng)龇?，均存在既不能使用底部結(jié)構(gòu)也不能使用自行設(shè)備的問題，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)條件差。

2.2 新采礦方法的選擇

針對(duì)上述存在的問題，采礦方法的選擇過程中應(yīng)考慮的因素有以下幾方面。

（1）盡量采用非爆破開挖代替爆破開挖。盡管采用精細(xì)控制爆破方法可能會(huì)減小爆炸沖擊對(duì)玉石的損傷，但這種方法技術(shù)要求較高，且安全性改善有限。

（2）自行設(shè)備最好能直接進(jìn)入采場(chǎng)。由于采出玉石的塊度一般較大，依賴人工搬運(yùn)的勞動(dòng)強(qiáng)度太大，很難提高生產(chǎn)效率。

（3）由于玉石礦脈與圍巖的界限非常清晰，圍巖中幾乎不含玉石，因此，采礦過程中最好能將圍巖留在原地支撐采空區(qū)。這樣，既能保證空區(qū)安全，也能減小運(yùn)輸成本和廢石處理成本。

由此，進(jìn)一步根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，提出了采用分層上向垂直走向進(jìn)路切割干式充填法和分層上向沿走向進(jìn)路切割干式充填法代替原有采礦方法的思路，其中前者用于開采礦體厚度大于5 m的玉石礦，后者用于開采礦體厚度小于等于5 m的玉石礦。兩種采礦方法的標(biāo)準(zhǔn)方案分別如圖1和圖2 所示。

圖1 分層上向垂直走向進(jìn)路切割干式充填法

圖2 分層上向沿走向進(jìn)路切割干式充填法

由圖1和圖2可知，兩種采礦方法的主要區(qū)別就是礦體厚度大于5 m的礦塊垂直走向布置，礦體厚度小于5 m的礦塊沿走向布置。

3 采礦方法設(shè)計(jì)

3.1 分層上向垂直走向進(jìn)路切割充填法

3.1.1 礦塊布置及結(jié)構(gòu)參數(shù)

階段高度為50 m，礦塊長(zhǎng)度為50 m，礦塊寬度為礦體水平厚度；分段高度為11～16.5 m，分層高度為5.5 m，進(jìn)路寬度為6 m，頂柱為6 m，間柱8～10 m，不留底柱。礦房?jī)?nèi)留設(shè)寬度為6 m的礦柱，保證垂直走向回采進(jìn)路最大暴露面積在200 m2以內(nèi)，留設(shè)房?jī)?nèi)礦柱時(shí)要保證上下中段的礦柱直立對(duì)應(yīng)。

3.1.2 采準(zhǔn)切割

采準(zhǔn)、切割工作主要包括階段運(yùn)輸巷道、采區(qū)斜坡道、分段巷道、分層聯(lián)絡(luò)道及脈內(nèi)分層聯(lián)絡(luò)平巷、回采進(jìn)路、人行通風(fēng)天井。

設(shè)計(jì)沿礦體走向布置礦塊，階段運(yùn)輸平巷布置在礦體下盤15～20 m巖石較穩(wěn)固處。每50 m劃分為一個(gè)礦塊。

在礦體下盤巖移界限外布置斷面為4.45 m×4.0 m的采區(qū)斜坡道。斜坡道坡度為10%～12%，彎道半徑為8～10 m，每11～16.5 m高自斜坡道向礦體開掘分段巷道（沿礦體走向布置），把采場(chǎng)人行通風(fēng)天井（或西、東風(fēng)井）連接起來，作為出礦、通風(fēng)、設(shè)備的通道。

采用分層聯(lián)絡(luò)道與分段巷道、脈內(nèi)分層聯(lián)絡(luò)平巷連通，聯(lián)絡(luò)道、聯(lián)絡(luò)平巷、分段巷道斷面均與采區(qū)斜坡道相同。

分層高度為5.5 m，每個(gè)聯(lián)絡(luò)道負(fù)擔(dān)2～3個(gè)分層的開采。脈內(nèi)分層聯(lián)絡(luò)平巷沿礦體走向布置在礦體內(nèi)，把所有進(jìn)路連接起來，作為脈內(nèi)出礦、通風(fēng)、設(shè)備的通道。自脈內(nèi)分層聯(lián)絡(luò)平巷垂直礦體走向掘進(jìn)回采進(jìn)路。每個(gè)分層巷道內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況可設(shè)置2個(gè)左右分割硐室。在采區(qū)斜坡道與分層巷道連接的聯(lián)絡(luò)道附近設(shè)置沉淀池。

3.1.3 回采工藝

回采進(jìn)路垂直走向布置。進(jìn)路間距為6 m，同一分層內(nèi)，回采進(jìn)路之間相互平行，進(jìn)路斷面為6 m×5.5 m。

（1）落礦?；夭桑ㄇ懈睿┣霸谝夭傻挠袷虏坑娩摷?圓木將其墊實(shí)。依據(jù)采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)，回采設(shè)備采用DC-CS3000型硐室開采鏈臂鋸和ZY-37G-6P繩鋸機(jī)。設(shè)計(jì)開采玉石塊度暫定截面塊度為（1～1.3）m×（1～1.3）m×（1～1.3）m，采場(chǎng)切割出玉石最大塊度禁止超過叉車搬運(yùn)能力，不許超過6 t。采用DC-CS3000型硐室開采鏈臂鋸分別切割玉石塊體的上下平面和兩側(cè)立面。先切割礦體的下平面，切割完成后用木質(zhì)楔子墊在鋸縫內(nèi)，為以后搬運(yùn)出塊體提供空間。上下平面及兩側(cè)立面切割完成后，由下平面插入導(dǎo)向輪，然后穿入ZY-37G-6P繩鋸機(jī)的金鋼石串珠索鋸，開始切割玉石塊體的立向背面。

（2）出礦。玉石塊體切割完畢后，采用XJ953-16D型16 t叉車將塊體搬運(yùn)至運(yùn)礦車內(nèi)，直接運(yùn)至地表的臨時(shí)礦石堆場(chǎng)。大塊可在采場(chǎng)或分割硐室內(nèi)分割成小塊體，均采用16 t叉車搬運(yùn)。

（3）采場(chǎng)通風(fēng)。采場(chǎng)內(nèi)無需爆破，回采過程中全程使用噴水切割，濕式作業(yè)，作業(yè)人員均佩戴防塵口罩，每個(gè)進(jìn)路配一臺(tái)JK58-1No3.5型局扇，進(jìn)入采場(chǎng)的風(fēng)流滿足工作人員需風(fēng)量即可。階段運(yùn)輸巷道新鮮風(fēng)流→采區(qū)斜坡道→分層聯(lián)絡(luò)道→回采進(jìn)路（借助局扇壓風(fēng)）清洗回采工作面→人行通風(fēng)天井（或西、東風(fēng)井）→污風(fēng)排至上階段回風(fēng)巷道。

在實(shí)際鉆進(jìn)施工過程中，如果發(fā)現(xiàn)護(hù)筒中排出的水分以及泥漿中出現(xiàn)氣泡問題，或是護(hù)筒中水位突然下降都表明存在筒壁坍塌問題。產(chǎn)生此類問題主要原因是因?yàn)槭┕^(qū)域土質(zhì)較為松散，泥漿護(hù)壁較差，在上述護(hù)筒埋設(shè)過程中牢固性較差，護(hù)筒中存在較多污水。鉆頭在鉆孔過程中轉(zhuǎn)速較快，成孔之后待灌混凝土?xí)r間較長(zhǎng)?？梢栽谒缮⒍容^大的土層中埋設(shè)護(hù)筒，將回填土有效密實(shí)。使用的泥漿優(yōu)質(zhì)性較高，能夠提升泥漿比重與土質(zhì)黏度。對(duì)護(hù)筒適度升高，終孔之后補(bǔ)給適量泥漿，確保水頭高度得到有效控制。然后對(duì)鋼筋籠質(zhì)量進(jìn)行控制，避免鋼筋籠制作中出現(xiàn)較大變形問題。在實(shí)際吊放過程中要對(duì)準(zhǔn)孔位，對(duì)灌注速度進(jìn)行控制[3]。

（4）撬毛、支護(hù)。對(duì)采場(chǎng)頂板穩(wěn)固性分級(jí)，并實(shí)施安全確認(rèn)制度。切割后的采場(chǎng)頂板無爆破擾動(dòng)，穩(wěn)定性好，一般不需要支護(hù)。對(duì)采場(chǎng)內(nèi)局部不穩(wěn)固處浮石，采用JY-5多功能服務(wù)車進(jìn)行撬毛工作，對(duì)頂板或兩幫不穩(wěn)固處采用錨桿或錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)。

（5）礦柱回采及充填。礦塊留設(shè)的礦柱不予回采。進(jìn)路回采完畢，拆除水管線，采用UK-12型礦用運(yùn)礦卡車運(yùn)輸廢石、配以WJD-2鏟運(yùn)機(jī)充填 進(jìn)路。

3.2 分層上向沿走向進(jìn)路切割充填法

3.2.1 礦塊布置及結(jié)構(gòu)參數(shù)

階段高度為50 m，礦塊長(zhǎng)度為50 m，礦塊寬度為礦體水平厚度；分段高度為11～16.5 m，分層高度為5.5 m；進(jìn)路寬度為4～6 m，頂柱為6 m，間柱為8～10 m，不留底柱。保證空區(qū)最大暴露面積在400 m2以內(nèi)，留設(shè)礦柱時(shí)要保證上下中段的礦柱直立對(duì)應(yīng)。

3.2.2 采準(zhǔn)切割

采準(zhǔn)、切割工作主要包括階段運(yùn)輸巷道、采區(qū)斜坡道、分段巷道、分層聯(lián)絡(luò)道及回采進(jìn)路、人行通風(fēng)天井。采用分層聯(lián)絡(luò)道與分段巷道、回采進(jìn)路連通，聯(lián)絡(luò)道、分段巷道斷面均與采區(qū)斜坡道相同?；夭蛇M(jìn)路沿礦體走向掘進(jìn)。除以上內(nèi)容以外，其余均與“垂直走向布置采準(zhǔn)切割”設(shè)計(jì)相同。

回采進(jìn)路沿走向布置，同一分層內(nèi)布置一條回采進(jìn)路，進(jìn)路斷面為（4～5）m×5.5 m。落礦、出礦、采場(chǎng)通風(fēng)、支護(hù)、礦柱回采及充填等工藝均與分層上向垂直走向進(jìn)路切割充填法相似。

3.3 效果分析

在礦山選定的區(qū)域開展了采礦方法試驗(yàn)，新的采礦方法克服了既有的以爆破為基礎(chǔ)的采礦方法存在的炸藥單耗高和原礦完整性低的缺點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)還表明，新的采礦方法獲得完整大塊玉石的比例由既有方法的不到50%提高至80%以上，礦石回采率也從不到45%提升至55%左右，經(jīng)濟(jì)效果非常顯著。

4 結(jié)論

針對(duì)吉林省某玉石礦存在的成材率低、安全性差和回采率的難題，根據(jù)不同玉石礦體的厚度，提出了分層上向垂直走向進(jìn)路切割干式充填法和分層上向沿走向進(jìn)路切割干式充填法兩種非爆破采礦方法，并進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，與既有采礦方法相比，新的采礦方法取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，玉石成材率和礦石回采率都得到了大幅提升。