淺孔留礦法在軟弱巖層中的應(yīng)用與改進

邱凡陳，林之岳，鐘 鳴

（江西銅業(yè)集團銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334200）

1 引言

開采礦區(qū)東西長約1700 m，南北寬約200 m，礦化面積約0.34 km2。礦體主要賦存于絹云母千枚巖的壓扭性構(gòu)造裂隙中，僅有極少數(shù)產(chǎn)于石英斑巖體的張性裂隙中。走向近東西向，傾向北西，產(chǎn)狀與絹云母千枚巖片理產(chǎn)狀基本一致，局部地段稍有斜交。礦體產(chǎn)狀陡立，舒緩波狀延深，長50～900 m，延深30～600 m。礦體厚度1～10 m，以1～3 m居多，且沿走向和傾向都比較穩(wěn)定，礦體傾角在70～85°，為典型的急傾斜薄礦脈。礦脈沿走向和傾向均呈舒緩波狀，并有膨大縮小和尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象。北山區(qū)段保有儲量448.4萬t，平均品位Pb：1.87%、Zn：2.69%，另伴生金、銀、硫等元素[1］。

礦山當(dāng)前采礦方法主要為無底柱淺孔留礦法，該方法對礦體產(chǎn)狀適用性較好，但是由于礦體產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀近似一致，而且礦體圍巖千枚巖片理發(fā)育，加上后期構(gòu)造破壞，回采過程中在采動應(yīng)力作用下容易形成片幫、冒頂和巷道變形破壞[2-3］。因此，基于礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，本著“安全、高效、經(jīng)濟”的原則，開展軟弱破碎礦巖不利條件下采礦工藝的設(shè)計優(yōu)化工作具有重大意義。

2 現(xiàn)階段留礦法應(yīng)用存在的問題

礦山已經(jīng)進行了近30年的淺孔留礦法生產(chǎn)實踐，積累了較多的生產(chǎn)經(jīng)驗。但在生產(chǎn)實踐過程中仍然存在如下突出問題需要加以解決，以提高礦山安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益：

（1）礦體圍巖主要為絹云母千枚巖，巖性軟弱，千枚巖片理與礦脈走向近似一致但與最大主應(yīng)力方向斜交，在地應(yīng)力、千枚巖片理、礦脈走向的共同作用下，極易冒頂和片幫，支護難度大，安全問題突出[4］。

（2）采場內(nèi)兩幫圍巖尤其是頂板圍巖，片幫冒落易造成礦石貧化嚴(yán)重，當(dāng)片幫冒落量大時，極易造成回采高度難以達到設(shè)計要求，從而大大降低采場回采率[5］。據(jù)最近3年（2012－2015年）采場出礦情況統(tǒng)計，采場平均回收率76%，最低僅為39.9%。尤其是2015年，隨著開采深度的增加，地壓活動日趨頻繁，采場回收率較2012－2014年大大降低，平均僅為66.4%。可以預(yù)計，隨著開采深度進一步增加，其回收率指標(biāo)還會進一步降低。

（3）存窿礦集中出礦過程中，隨著支撐上下盤圍巖的礦石放出，上下盤圍巖經(jīng)常大片冒落，堵塞出礦口[6］。處理片落大塊的措施包括出礦口大塊二次破碎和高壓水沖洗，前者削弱了出礦口保護墩穩(wěn)定性，造成保護墩變形失效，后者進一步削弱了頂板圍巖穩(wěn)定性（因千枚巖遇水泥化），加劇了頂板圍巖片幫冒落程度。

（4）礦山經(jīng)過近30年留礦法開采，在上部形成了大量采空區(qū)，地壓活動頻繁，而且隨著開采深度增加，引發(fā)的地壓活動更為嚴(yán)重，已成為制約礦山安全生產(chǎn)的重大隱患。

3 留礦法采礦工藝改進

3.1 采場回采順序優(yōu)化

基于礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀和深部礦體開采設(shè)計，階段開采順序仍采用下行式開采順序。礦塊開采順序繼續(xù)采用雙翼后退式，雙翼回采可同時回采礦塊數(shù)多，可縮短階段回采時間，兩翼已采用淺孔留礦法回采的采場可以及時封閉，避免人員設(shè)備進入，進而大大降低安全隱患和巷道維護費用，尤其是軟弱巖層條件下礦體的開采[7］。

由于礦區(qū)存在多條平行礦脈，必須合理確定各礦脈之間的開采順序，避免因開采順序不合理加大其他礦脈開采難度。基于圍巖移動角理論[8］，其合理的開采順序為：

（1）礦脈間無礦帶厚度小于1～2 m時，幾條礦脈合并開采，出礦品位滿足要求條件下，優(yōu)先考慮混采；

（2）礦脈間無礦帶厚度小于5 m時，且相鄰礦脈可以作為一個采場開采時，可將中間夾層作為采場間柱處理；

（3）礦脈間無礦帶厚度大于5 m，但小于40 m時，只能先采上盤礦脈，再采下盤礦脈；

（4）礦脈間無礦帶厚度大于40 m時，且上下盤礦脈均不在對方的巖石移動范圍之內(nèi)，可不分先后或同時回采。

3.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

采場高度保持在45 m，但考慮到特殊的片理狀千枚巖結(jié)構(gòu)，上采高度達到20 m會出現(xiàn)明顯的地壓顯現(xiàn)和圍巖破壞，因此在20 m高度處應(yīng)加強噴錨支護或采取其他綜合地壓控制措施[9］。

采場長度現(xiàn)階段均在90～110 m之間，約是普通淺孔留礦法采場長度（50～60 m）的2倍。雖然較大的采場長度可以減少采切工程量和采場間柱礦量，但安全問題也較為突出。綜合考慮經(jīng)濟和安全因素，采場長度存在進一步優(yōu)化的必要。采場長度若采用常規(guī)淺孔留礦法的50 m，與現(xiàn)階段100 m的采場長度相比，安全性會有所提高，但采準(zhǔn)工程量也會增加約13%，且需多留設(shè)礦柱近1000 t，經(jīng)濟上并不具有優(yōu)勢。考慮到-240 m中段11-12線10-4礦體采場跨度70 m，與現(xiàn)階段100 m的采場跨度相比，采準(zhǔn)工程量僅增加約6%，多留設(shè)礦柱礦量也只有500 t，但回采強度增大、回采作業(yè)安全性明顯提高，因此建議采用70 m的采場長度。

3.3 出礦方式改進

礦山當(dāng)前采用有軌裝巖機出礦，出礦效率較低，保護墩穩(wěn)定性差，應(yīng)進行無軌鏟運機出礦方案和有軌裝巖機出礦方案對比分析，確定合理的出礦方式。

礦山采用無軌鏟運機出礦有其必要性和可行性，由于深部設(shè)計均采用無軌出礦，盡早在生產(chǎn)中段試驗采用無軌鏟運機出礦，可為深部資源大規(guī)模開采提供重要的技術(shù)支撐；現(xiàn)有斜坡道開拓工程已經(jīng)連通現(xiàn)有生產(chǎn)中段，為試驗采用無軌鏟運機出礦提供了便利條件。

與有軌裝巖機出礦方案相比[10］，采用無軌鏟運機出礦的優(yōu)點見表1。

綜上所述，采用無軌鏟運機出礦能明顯提高出礦機械化程度和出礦效率，有效降低工人勞動強度，提高工作效率；縮短出礦周期，減少出礦進路的條數(shù)，增大保護墩面積，提升保護墩穩(wěn)定性。因此，建議出礦方式由當(dāng)前的有軌裝巖機出礦變更為無軌鏟運機出礦。

圖1 無軌鏟運機和有軌裝巖機出礦示意圖

3.4 保護墩參數(shù)優(yōu)化

3.4.1 保護墩厚度優(yōu)化

鏟運機出礦進路寬度設(shè)計為3 m，為便于鏟運機鏟裝，出礦進路礦與脈外運輸巷道呈45°傾角。此種斜巷布置形式，導(dǎo)致保護墩的尖三角部分在出礦過程中容易垮塌破壞，必須適當(dāng)加大保護墩厚度。然而，加大保護墩厚度勢必增大出礦進路間距，兩條進路之間殘留礦量增大，損失率增加，因此必須對保護墩厚度進行優(yōu)化[11-12］。

標(biāo)準(zhǔn)鏟運機出礦設(shè)計采場長度70 m，布置6條出礦進路（見圖2）。為進行保護墩厚度試驗，將4#和5#進路中間的保護墩厚度增加到5 m，其他保護墩厚度確定為4 m。通過在實際出礦過程中對比分析兩種厚度保護墩的穩(wěn)定性，進而確定適合的保護墩厚度。

圖2 不同保護墩厚度優(yōu)化方案

3.4.2 保護墩水平面積優(yōu)化

為提高出礦進路穩(wěn)定性，進路一般采用拱形斷面。但該種斷面形式容易破壞眉線。脈外出礦巷道和礦體拉底層一般處于同一水平（圖3b）[13］，保護墩橫截面積約為13m2，如果將脈外出礦巷道設(shè)計較礦體拉底層低1 m的水平（見圖3a），保護墩的面積將增加至17.5m2，增大約35%，保護墩穩(wěn)定性大大提升。根據(jù)鏟運機爬坡能力，6～8 m距離內(nèi)空車爬坡上行1 m并無大礙。

圖3 不同保護墩傾角優(yōu)化方案

3.5 爆破參數(shù)優(yōu)化

礦區(qū)淺孔留礦法采用YT-45鉆機鑿巖上向孔，孔徑為40mm，孔深為2.0m。采用乳化炸藥爆破，25ms微差雷管配激發(fā)火雷管起爆。單孔裝藥1.5～1.6 m，采用32 mm藥卷裝藥，單孔炸藥量約為1.6 kg?，F(xiàn)有鑿巖設(shè)備兩臺，每班可打孔約120～160個。現(xiàn)階段生產(chǎn)采場詳細(xì)炮孔設(shè)計如圖4所示。實際應(yīng)用中存在孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)置不盡合理、炸藥單耗過高、鑿巖效率較低以及鑿巖安全性較差等問題[14］。

圖4 采場爆破參數(shù)現(xiàn)狀

為保證上采過程中保留巖體，按設(shè)計輪廓面成型并盡量減小對圍巖破壞，采用輪廓控制的預(yù)裂爆破低擾動爆破技術(shù)[15］。

預(yù)裂爆破孔間距a不僅影響裝藥量的大小，而且直接關(guān)系到預(yù)裂巖壁的質(zhì)量，由于片理狀千枚巖的巖性較脆，要盡量減小爆破作用對兩幫的破壞，因此a=（10～15）d = 40～60 cm，取50 cm[16］。

由于現(xiàn)階段炮孔排距大于孔距，沒有起到沿抵抗線方向拋擲的作用，因此主爆孔排距和孔距均取1.0 m，實現(xiàn)正方形布孔。預(yù)裂孔和主爆孔具體布置如圖5所示。

圖5 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計

4 回采主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

根據(jù)礦山現(xiàn)階段生產(chǎn)實際情況和遠期規(guī)劃，選定3個典型采場進行改進的淺孔留礦法工業(yè)試驗，試驗采場主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)如表2所示，相比現(xiàn)階段留礦法，相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)都有較大提升。雖然機械化設(shè)備的應(yīng)用采礦成本有所增加，但是在回采效率提高的條件下開采總成本降低。

表2 回采主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場工業(yè)試驗顯示，改進措施的應(yīng)用使得生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)顯著改善，采場生產(chǎn)能力提升25%，回收率增加5%，貧化率降低5%，出礦能力提高87%，初步實現(xiàn)急傾斜薄礦脈“安全、高效、經(jīng)濟”開采。

（2）改進后的淺孔留礦法通過適當(dāng)增加采準(zhǔn)工程，減小采場跨度，用無軌產(chǎn)運機替代有軌裝巖機，增大出礦進路間保護墩厚度，應(yīng)用預(yù)裂爆破控制采場輪廓，減少圍巖擾動破損等方式，能有效解決在圍巖與礦體產(chǎn)狀近似一致的千枚巖軟弱巖層條件下，淺孔留礦法應(yīng)用過程中存在的圍巖極易冒頂片幫、采場回收率低、存窿礦出礦困難、地壓活動頻繁等問題。