昆陽磷礦二礦緩傾斜中厚礦體地下采礦方法研究

黃 杰 李樹建 夏鋼源 王孟來 張 斌 劉映輝

（1.云南磷化集團(tuán)有限公司；2.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心）

昆陽磷礦二礦為云南磷化集團(tuán)有限公司的主要生產(chǎn)露天礦山之一，露天開采最低標(biāo)高為東采區(qū)+2 000 m 和西采區(qū)+1 880 m 水平。在現(xiàn)有采礦許可證內(nèi)，露天坑底仍蘊(yùn)藏有大量磷礦資源，為保障云磷化公司可持續(xù)發(fā)展，充分利用磷礦資源，根據(jù)公司戰(zhàn)略發(fā)展，2019 年對昆陽磷礦二礦區(qū)露天開采境界外深部資源進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用地下開采。

我國磷礦山礦體具有普遍的產(chǎn)狀，即薄—中厚的緩傾斜—傾斜產(chǎn)出。二礦區(qū)礦體不僅具有普遍磷礦產(chǎn)狀，又具有特殊的地質(zhì)條件，為雙層磷礦夾廢石產(chǎn)出，上盤圍巖和夾層穩(wěn)固性稍差。多層緩傾斜薄—中厚礦體為采礦界公認(rèn)難采礦體［1-5］。根據(jù)昆陽磷礦二礦露天開采現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)情況，結(jié)合地下開采資源賦存狀況、礦區(qū)社會環(huán)境及礦區(qū)地質(zhì)資料，構(gòu)建真實(shí)礦區(qū)三維地質(zhì)模型，提出緩傾斜中厚礦體可行的地下采礦方法并進(jìn)行對比研究探討，為昆陽磷礦二礦露天轉(zhuǎn)地下開采提供支撐，確保二礦區(qū)地下安全、高效開采，保障公司磷礦資源持續(xù)有效供給。

1 開采技術(shù)條件

昆陽磷礦二礦區(qū)位處滇池聚磷區(qū)南西，東鄰昆陽磷礦一至四采區(qū)，西接待云寺磷礦區(qū)，北部為海口磷礦，位于晉寧縣二街鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)距昆明市南西212°方向平距44.5 km，距晉寧縣城300°方向直線距離9 km。

礦區(qū)共發(fā)育2 層礦，即上礦層（?1z1-3）和下礦層（?1z1-1），在2 層礦間還發(fā)育有一層黏土質(zhì)頁巖夾層（?1z1-2），見圖1。昆陽磷礦二礦總體為一向南東緩傾斜的單斜構(gòu)造，礦層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，其產(chǎn)狀與上覆地層基本一致，礦層產(chǎn)狀一般為走向NE～SW，傾向SE，傾角一般為2°～31°，平均傾角為15°，圖2 為昆陽磷礦二礦露天邊坡。

上礦層（?1z1-3）分布在58#～74#勘探線，礦層平均厚度為6.88 m，P2O5平均含量為21.50%。夾層（?1z1-2）主要分布在礦區(qū)西南部63#～74#勘探線，礦區(qū)東部零星分布，巖性為灰白、黃色黏土，厚度為0～3.08 m。夾石厚度為0～3.15 m，平均為1.08 m。 下礦層（?1z1-1）分布在58#～74#勘探線，礦層平均厚度5.65 m，P2O5平均含量為27.55%。

礦床開采技術(shù)條件為中等的以復(fù)合問題為主的礦床類型，其中礦區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜程度屬中等，水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度屬中等，地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬中等類型。

礦巖穩(wěn)固性方面，上礦層直接頂板巖性為白云巖、含磷白云巖，裂隙發(fā)育。上礦層巖性主要為磷塊巖，頂部為白云質(zhì)磷塊巖，底部為白云質(zhì)硅質(zhì)條帶狀磷塊。上下礦層夾層巖性主要為黏土質(zhì)頁巖，天然狀態(tài)下呈硬塑狀，飽水后呈可塑—軟塑狀。下礦層巖性主要為帶狀磷塊巖、砂屑狀磷塊巖及礫屑狀磷塊巖，地表裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填。下礦層直接底板巖性主要為白云巖，夾硅質(zhì)巖條帶或團(tuán)塊。

分別采用不同分級方法對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級，包括普氏分級法和RMR分級法。

普氏分級法是較長一段時期內(nèi)常用的巖石分級方法，其分級原理是通過普氏堅(jiān)固性系數(shù)f將巖石分為10 級15 種。研究得出各巖性的普氏堅(jiān)固性系數(shù)，見表1。

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從表1中可以看出，昆陽磷礦二礦礦巖在干燥的情況下屬于中等—較堅(jiān)固類型巖體。

RMR分類方法由南非科學(xué)和研究委員會（CSIR）的Z.J.Bieniawski 提出，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)成果，對研究區(qū)域的礦巖穩(wěn)定性進(jìn)行分級。該方法采用打分法對巖體進(jìn)行評價，根據(jù)所得評分值代數(shù)和將巖體劃分為5 類。RMR 法條款簡單明確，以實(shí)測參數(shù)為基礎(chǔ)，考慮了影響巖體質(zhì)量的諸多因素，在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)及計(jì)算，并對各相同巖性綜合考慮后可得各巖性的RMR值及相應(yīng)的評價等級，見表2。與普氏分級相比，2種方法的分級結(jié)果基本一致，頂板白云巖、黑色粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、砂巖及夾層屬于差巖體，底板白云巖、磷塊巖屬于一般巖體，整體來說，昆陽磷礦礦巖屬于差巖體—一般巖體。

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2 采礦方法研究

針對磷礦特殊的開采技術(shù)條件，緩傾斜厚至中厚礦體賦存，頂板白云巖、黑色粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、砂巖及夾層屬于差巖體，底板白云巖、磷塊巖屬于一般巖體，地表不允許塌陷及變形。本次研究初步選定了3種采礦方法，分別為盤區(qū)上向分層充填法、房柱嗣后充填法和分段空場嗣后充填法，其中盤區(qū)上向分層充填法為目前業(yè)界使用較常規(guī)的上向進(jìn)路式充填方案，房柱嗣后充填法針對磷礦體特性采用掘進(jìn)機(jī)落礦的非爆連續(xù)切割回采工藝，分段空場嗣后充填法為沿走向布置的上向中深孔鑿巖嗣后充填方案。

2.1 盤區(qū)上向分層充填法

該方案的主要特點(diǎn)是無需掘進(jìn)分段平巷，采用斜坡道聯(lián)系各分層。斜坡道的布置形式可以是折返式，亦可以是直線式，采礦方法標(biāo)準(zhǔn)圖見圖3。

2.1.1 采場參數(shù)

盤區(qū)沿礦體走向布置，每個盤區(qū)長度為400 m，寬度為礦體厚度，高度為中段高度90 m，分層回采高度為5 m。盤區(qū)間柱寬度為10 m（間柱可在鄰近采場回采時進(jìn)行回收），不留頂?shù)字?/p>

采場回采結(jié)束后空區(qū)最大高度不大于5 m，頂板應(yīng)整齊，略成拱形，拱高1 m左右。

2.1.2 回采工藝

在有空頂高度的正?；夭傻囟危捎镁蜻M(jìn)臺車鉆鑿水平淺孔壓頂落礦，孔徑為40 mm，孔深3.3 m，W=0.8～1.0 m，a=1.0～1.2 m。在交替后底部無空頂空間的回采條帶，采用掘進(jìn)臺車鉆鑿水平淺孔掘進(jìn)式開采，掏槽眼直徑為40 mm，孔深3.5 m，輔助眼、二環(huán)眼、底眼孔深3.3 m，成型眼孔徑為40 mm，孔深3.3 m，W=0.8～1.0 m，a=1.0～1.2 m。對于部分不方便采用掘進(jìn)臺車鑿巖的礦體，則采用氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖。采用炸藥卷爆破，非電雷管和磁電雷管起爆。壓頂采用控制爆破，保證頂板平整和穩(wěn)定。

落礦后，對于爆破作業(yè)面區(qū)域頂板和兩幫不平整部分及倒掛部分采用撬頂?shù)劝踩胧?。根?jù)頂板穩(wěn)固情況，對不穩(wěn)固采場可采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)，在確認(rèn)作業(yè)現(xiàn)場安全后方可出礦。出礦采用2 m3鏟運(yùn)機(jī)配礦用汽車運(yùn)輸。

2.1.3 采場充填

單條進(jìn)路礦石回采完畢后，可進(jìn)行充填準(zhǔn)備及作業(yè)。在出礦巷道口砌筑充填擋墻，充填管道從充填回風(fēng)井下至每個中段的采場，充填至上一分層的巷道底板水平。由于礦山采用無軌機(jī)械設(shè)備，為充分發(fā)揮這些設(shè)備的作業(yè)效率，需要較高強(qiáng)度的充填體作為路面路基，留設(shè)0.4～0.6 m的高強(qiáng)度膠結(jié)充填體。

2.1.4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為盤區(qū)生產(chǎn)能力40 萬t/a，貧化率8%，回采率90%。

2.2 房柱嗣后充填法

2.2.1 采場參數(shù)

將礦體劃分為盤區(qū)進(jìn)行開采，盤區(qū)長度為400 m，中段高度為90 m，為了便于盤區(qū)回采后進(jìn)行封閉，盤區(qū)之間考慮留連續(xù)隔離礦柱，根據(jù)巷道布置和盤區(qū)隔離的需要，盤區(qū)間連續(xù)礦柱尺寸為20 m。采礦方法標(biāo)準(zhǔn)圖見圖4。

盤區(qū)內(nèi)將礦體沿傾向方向上劃分為礦房、礦柱進(jìn)行回采。礦房尺寸根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的采幅確定，礦房寬度為5 m，礦房回采高度為5 m，后期可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際揭露礦體穩(wěn)定性情況進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)礦體產(chǎn)狀，先回采下層礦，后回采上層礦。

2.2.2 回采工藝

為減少可移動膠帶的移機(jī)頻率，以布置在盤區(qū)中間的膠帶為中心，兩翼布置回采礦房，交替回采。采用后退式回采。

回采可采用機(jī)械切割，不使用爆破。盤區(qū)采礦設(shè)備選擇掘進(jìn)機(jī)落礦，后接可移動膠帶輸送機(jī)。

根據(jù)產(chǎn)能要求及礦體實(shí)際產(chǎn)狀，可選擇掘進(jìn)機(jī)開采，最大回采高度為5.2 m，最大回采寬度為6.1 m，最大行走角度為18°，圖5 為推薦采用的掘進(jìn)機(jī)示意圖。

2.2.3 采場充填

礦房一層礦石回采完畢后，可進(jìn)行充填準(zhǔn)備及作業(yè)。在采場底部砌筑充填擋墻，充填管道從回風(fēng)巷下至采場，充填至上一中段的巷道底板水平。

由于采用無軌機(jī)械設(shè)備，為充分發(fā)揮這些設(shè)備的作業(yè)效率，需要較高強(qiáng)度的充填體作為路面路基，留設(shè)0.4～0.6 m的高強(qiáng)度膠結(jié)充填體。

2.2.4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為盤區(qū)生產(chǎn)能力40 萬t/a（3臺掘進(jìn)機(jī)），貧化率12%，回采率85%。

2.3 分段空場嗣后充填法

2.3.1 采場參數(shù)

中段高度為90 m，首先沿礦體走向方向按100～150 m 長劃分為盤區(qū)，盤區(qū)之間留設(shè)10 m 的盤區(qū)礦柱。在盤區(qū)內(nèi)沿礦體走向方向布置采場，采場長度為50～75 m。在采場內(nèi)沿礦體傾向?qū)⒉蓤霭?2 m寬、50～75 m 長劃分為回采單元，分段高度為10 m。采礦方法標(biāo)準(zhǔn)圖見圖6。

2.3.2 回采工藝

在每個回采單元的各分段鑿巖巷道內(nèi)采用采礦鑿巖臺車鉆鑿上向扇形中深孔，中深孔直徑為65 mm，孔深為10～25 m，排距為1.6 m，孔底距為2.2～2.6 m。在每個回采單元的端部布置切割平巷和切割天井，最終一次爆破形成2 m 寬的切割槽。中深孔爆破采用BQF-100 型裝藥器裝藥，粒狀炸藥，微差起爆，每次爆破3～5 排炮孔。礦石崩落至底部出礦塹溝內(nèi)（底部塹溝在爆破前為鑿巖巷道，爆破后形成集礦塹溝）。

在每個回采單元爆破過程中，采用2 m3鏟運(yùn)機(jī)由相鄰采場的鑿巖巷道通過出礦進(jìn)路進(jìn)入本單元底部的出礦塹溝內(nèi)出礦，鏟運(yùn)機(jī)鏟取礦石后倒入脈外溜井，溜井內(nèi)礦石經(jīng)振動放礦機(jī)放入膠帶。

2.3.3 采場充填

待回采單元出礦結(jié)束后，即可進(jìn)行擋墻砌筑（要求采用磚砌擋墻或沙袋），隨后連接充填管網(wǎng)，利用上分段巷道進(jìn)行充填。充填要求嚴(yán)格接頂。

2.3.4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為盤區(qū)生產(chǎn)能力20 萬t/a，貧化率20%，回采率80%。

3 方案對比

3.1 定性比較

3.1.1 優(yōu)缺點(diǎn)比較

初選的3種采礦方法優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

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3.1.2 技術(shù)方案比較

采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行采礦理論上可行，但需要經(jīng)過現(xiàn)場進(jìn)一步試驗(yàn)；另外2種方案目前的采礦工藝比較成熟，技術(shù)上都可行。

3.1.3 綜合適用性比較

根據(jù)上述采礦方法及工藝的描述，其綜合定性指標(biāo)相對評價如表4所示。

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3.1.4 社會效益比較

從爆破震動對地表建筑物及居民生活影響上看，擾動最小的是采用掘進(jìn)機(jī)采礦的方法，爆破擾動相對較大的為分段空場嗣后充填法。3 種采礦方法引起地表變形（如水平變形、傾斜、曲率）的影響都是可控的。

3.2 定量比較

初選的3 種采礦方法在其他地下礦山都有著較為成熟的應(yīng)用，類比同類礦山的相關(guān)經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)（采礦成本及回采率、貧化率等），見表5。

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3.2.1 采礦成本

從實(shí)踐上看，初選的3種采礦方法采礦成本基本都能控制65 元左右，方案Ⅰ采礦成本約為68 元/t，方案Ⅱ采礦成本約為60 元/t，方案Ⅲ采礦成本約為72元/t。

方案Ⅱ最優(yōu)，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ最差。

3.2.2 回采率及貧化率

從回采及貧化指標(biāo)比較看，方案I 采用淺孔鑿巖回采較為靈活，可以應(yīng)對不同傾角、不同厚度的礦體開采，因此回采率較高、貧化率最低；方案Ⅱ采用掘進(jìn)機(jī)全斷面掘進(jìn)采礦，僅此于方案I，方案Ⅲ由于采用中深孔鑿巖爆破，對礦體的適應(yīng)性較差，厚度較小的礦體會產(chǎn)生較大的損失和貧化，回采率和貧化率在這三個方案中均最差?；夭陕逝判颍悍桨涪癖P區(qū)上向分層充填法＞方案Ⅱ房柱嗣后充填法＞方案Ⅲ分段空場嗣后充填法；貧化率排序：方案Ⅰ盤區(qū)上向分層充填法＜方案Ⅱ房柱嗣后充填法＜方案Ⅲ分段空場嗣后充填法。

3.2.3 盤區(qū)生產(chǎn)能力

3 種方案均將礦體劃分為盤區(qū)進(jìn)行開采，其中，方案I和方案Ⅱ盤區(qū)長度為400 m，中段高度為90 m，方案Ⅲ按100～150 m 長劃分為盤區(qū)，盤區(qū)之間留設(shè)10 m 的盤區(qū)礦柱。方案I 和方案Ⅱ盤區(qū)生產(chǎn)能力可達(dá)到40 萬t/a，方案Ⅲ盤區(qū)生產(chǎn)能力達(dá)20 萬t/a。3 個方案均可滿足生產(chǎn)能力要求，方案Ⅲ產(chǎn)能最小。

3.3 小 結(jié)

通過以上各方法的定性和定量比較，雖然分段空場嗣后充填法的安全性較好（進(jìn)路內(nèi)出礦），但考慮到上向扇形深孔采場邊界控制困難，容易造成超爆超采，損失指標(biāo)較差，且采切比較大，成本較高，優(yōu)先排除。其次，盤區(qū)上向分層充填法開采工序較為復(fù)雜，對充填的要求較高，如充填不及時，將無法進(jìn)行回采，針對昆陽磷礦開采的特點(diǎn)，也建議不予采用。方案Ⅲ在安全性、回采連續(xù)性、指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)能力方面較為均衡，均可以滿足要求。經(jīng)分析比較，優(yōu)選方案為方案Ⅱ房柱嗣后充填法，采用掘進(jìn)機(jī)落礦非爆連續(xù)切割回采工藝。

4 結(jié) 論

（1）昆陽磷礦二礦區(qū)露天開采境界外深部礦體為緩傾斜厚—中厚的礦體賦存；分別采用普氏分級法和RMR 分級法對其巖體質(zhì)量進(jìn)行分級，得出頂板白云巖、黑色粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、砂巖及夾層屬于差巖體，底板白云巖、磷塊巖屬于一般巖體。

（2）針對特殊開采技術(shù)條件，研究選定3 種采礦方法，分別為盤區(qū)上向分層充填法、房柱嗣后充填法和分段空場嗣后充填法，其中，盤區(qū)上向分層充填法為目前業(yè)界使用較常規(guī)的上向進(jìn)路式充填方案，房柱嗣后充填法針對磷礦體特性創(chuàng)新性提出采用掘進(jìn)機(jī)落礦的非爆連續(xù)切割回采工藝，分段空場嗣后充填法為沿走向布置的上向中深孔鑿巖嗣后充填方案。

（3）研究針對初選開采方案進(jìn)行定性和定量比較得出：分段空場嗣后充填法的安全性較好，但容易造成超爆超采，且采切比較大，成本較高；盤區(qū)上向分層充填法對充填的要求較高，如充填不及時將無法進(jìn)行回采，建議不予采用。經(jīng)分析比較，較適宜的方案為房柱嗣后充填法，采用掘進(jìn)機(jī)落礦非爆連續(xù)切割回采工藝，該方法為磷礦地下開采創(chuàng)新。