芻議下行式小分段高效采礦工藝

張帆

（湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北黃石 435000）

0 引言

根據(jù)中國礦產(chǎn)資源局公布的相關數(shù)據(jù)：截至2022年，我國已經(jīng)成功開發(fā)173 種礦產(chǎn)，且稀土礦資源占據(jù)全球70%以上。為進一步增強我國采礦能力，應善于運用先進工藝，完善采礦計劃，滿足礦產(chǎn)資源需求之上提高采礦效益。同時，還需立足現(xiàn)有采礦特征，加強新工藝應用推廣，借此增加資源儲量。

1 下行式小分段高效采礦工藝的可行性

下行式小分段高效采礦工藝的可行性，主要體現(xiàn)在縮減采礦成本和提高采礦效率兩個方面。為進一步闡述應用優(yōu)勢，此次研究專門采用對比分析法歸納該項技術(shù)可行性價值，與上行式小分段高效采礦技術(shù)、下向分層進路充填采礦技術(shù)比較。假設在相同地質(zhì)條件下，上盤巖土天然密度2.88g/cm3，含水率0.093%，抗壓強度11.41MPa，彈性模量59.43GPa。而礦體及下盤結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為2.99g/cm3（2.89g/cm3）、0.083%（0.094%）、13.21MPa（13.03MPa）、64.59GPa（57.71GPa）。同時呈現(xiàn)上薄下厚特征，其厚度為30～40m，具有100～400m 走向長度，此次研究中分布的巖石以銅礦和鎳礦資源為主，且摻雜著沉凝灰?guī)r及碎屑濁流沉積物。

為進一步闡述此項工藝的可行性，結(jié)合學者周光信等[1]相關研究結(jié)果，確定上述3 種采礦工藝在相同采礦量條件下，顯然此項工藝采礦生產(chǎn)能力更大。另外，成本對比上采礦直接成本較小。炸藥使用過程中消耗量與上行式小分段高效采礦工藝持平。由此證實本文推薦的下行式小分段高效采礦工藝在采礦成本上相對第三種工藝可節(jié)約50%的投入成本，采礦效率上最多可增加250%，表示此項技術(shù)確有顯著可行性，若地質(zhì)條件符合穩(wěn)固礦體條件，應善于依靠此技術(shù)助力采礦企業(yè)謀求高收益、低成本目標，盡量擴大此技術(shù)的適用范圍，建立標準化技術(shù)規(guī)范。3 種采礦工藝下采礦方案對比如表1 所示。

表1 3 種采礦工藝下采礦方案對比

2 下行式小分段高效采礦工藝關鍵點

2.1 回采工藝

采礦項目中在爆破以及回采等工藝操作下，可能隨著時間延長引發(fā)震動能量波動情況，如圖1 所示，要想進一步維護采礦安全，務必利用回采工藝發(fā)揮技術(shù)特性。一般情況下，回采工藝水準多關乎采礦經(jīng)濟指標水平，這也是此項技術(shù)是否彰顯省本價值的重要保障。在上述地質(zhì)條件下，于回采作業(yè)中應先行搭建采礦巷道，隨即配備切割天井，用于助力后續(xù)采礦人員高效完成鑿巖、爆破等諸多任務。而后以隔三采一方法有序回采，并將回采工序調(diào)整為由上到下，先組織采礦人員進行上分段回采，后開展下分段回采工作，始終以膠結(jié)充填法搭配非膠結(jié)充填法夯實回采基礎。

圖1 采礦作業(yè)中擾動條件下震動能量變化情況

為優(yōu)化回采工藝效果，還可以借鑒黑龍江省老柞山金礦回采經(jīng)驗，此金礦多有52MPa 以上抗壓強度的礦石，且?guī)r石密度為3.12t/m3，其中設置的采礦區(qū)具有3～5m 寬和80m 高的地理條件。因早期隨著爆破作業(yè)已然形成松動帶（2m 寬），故而采礦人員專門運用電機車（ZK3-5/250 型）有序?qū)⒌V石運輸至天井內(nèi)，而且選擇301.733m 高度位置上搭設巷道，并以2m 長、2m 寬設計分段巷道，經(jīng)過對回采作業(yè)邊界范圍的有效控制，達成了高效回采目的，整體回采效果良好。

2.2 采場布置技術(shù)

在采礦區(qū)域內(nèi)應用下行式小分段高效采礦工藝時，可以應用采場布置關鍵技術(shù)改善采礦條件。由于采場不同位置巖石成分及穩(wěn)定性多有不同，所以需優(yōu)選回采區(qū)、爆破區(qū)，以便在合理布置下提高采礦效率。為驗證采場布置匹配度，應依據(jù)采場強度差異進行模擬分析，建立采礦仿真結(jié)構(gòu)模型后，可根據(jù)現(xiàn)實條件出具采礦方案。經(jīng)過研究應當以8m 跨度為標準進行交叉布置，此時可促使在12m 高度以下的采場內(nèi)實現(xiàn)安全采礦。事實上，采礦企業(yè)在采礦作業(yè)中除了關注礦產(chǎn)資源帶來的經(jīng)濟效益外，還應注重現(xiàn)場采礦安全水平，否則可能誘發(fā)中斷采礦后果[2]。

按照原有8m 分段高度和23m/kt，75%回采率和8%貧化率指標進行采礦作業(yè)，能夠發(fā)現(xiàn)未改進前采場布置方案中設有斜長水平礦柱（2m），并設置了兩個采場（50m 長，70m 高），之后安排采礦人員按照既定采場布置方案。以2m 分段回采高度進行循環(huán)開采，運用雷管爆破工藝建立2.2m 深度且角度為60°的炮孔。此時雖然按照原有方案也能順利采礦，但顯然以此分段高度布置采場缺少適應性。因此有關人員需在8m 分段高度之上適當延伸至12m，此時采切比和貧化率將分別降至20.6m/kt、7.8%，且回采率增加3.2%，表示提高分段高度實施采場交叉布置，有望優(yōu)化采礦效果。

2.3 鑿巖爆破技術(shù)

鑿巖爆破是采礦工藝中較為重要的技術(shù)，往往決定采礦安全性和采礦效益，因此有關人員需兼顧地質(zhì)條件采用鑿巖爆破技術(shù)有效控制爆破材料用量。通常以鑿石劈巖機進行開礦作業(yè)以及以炸藥進行爆破式鑿巖。在獲得上級部門批復后方可采用炸藥爆破方式，但需注意的是炸藥用量應在0.3kg/t 左右，并同時使用鑿巖設備作為輔助爆破，促進巖石快速開裂[3]。

另外，還可采用一次鑿巖分段爆破高效成井方式，同樣能夠達到省本增效目的，可將其視為鑿巖爆破輔助工藝。首先，安排有關人員設置掏槽，多以三孔桶形掏槽為主，并且科學設計掏槽孔與空孔間距（L）和鉆孔孔徑參數(shù)。具體可以參照式（1）予以分析。

式中：D——采場內(nèi)空孔直徑，mm。

其次，計算后可以確定輔助孔數(shù)量以及相關夾角，以便在傾斜鉆孔中保障采礦質(zhì)量。相關人員需根據(jù)鉆孔孔徑大小確定裝藥量。例如，針對140mm 鉆孔宜使用15kg/m 炸藥量，且裝載高度應為1.6m。若開設120mm 鉆孔，裝藥量應保持在11kg/t 左右，高度應為2.2m，這樣才能保證炸藥均勻分布；最后，在鑿巖爆破作業(yè)中應當確定最佳分段爆破高度。在小分段高效采礦工藝導向下，可以將分段高度控制在5～7m，并進行多次爆破，從起初多次4m 爆破高度增加到9m 爆破高度，最后一次大高度爆破作業(yè)時，還可結(jié)合巖石分布特征進行分層爆破，以便增加爆破成功可能性。需注意的是：應用鑿巖爆破技術(shù)時，需要在炸藥放置前鋪設一層細沙，隨即有序爆破，而且應在多層分次爆響觀察爆破效果，以便提升采礦有效性。

2.4 采場充填技術(shù)

下行式小分段高效采礦工藝的應用，從上述研究中確定有可行性。而以爆破鉆孔作業(yè)后，還需運用采礦充填技術(shù)充分增強強度，一般需滿足3.1MPa 以上的強度標準。此處指的是充填物強度。為進一步預防采礦積水等不良風險，有關人員可以對鉆孔實施分層充填，而且可以按照1∶4 灰砂比配制充填材料，并為不同層級采礦配制差異化充填材料，其灰砂比從采礦底端到上端分別為1∶4、1∶10、1∶4，以便達到強度強化作用[4]。另外，負責采場充填工作的人員，還要將初期充填高度保持在1m 以下，且最高不可超過6m，否則容易在過高充填下引起充填材料變形隱患。充填后記錄材料表面積水狀態(tài)，未見積水表現(xiàn)后即可認定充填質(zhì)量達標。采場充填技術(shù)作為采礦項目收尾保障技術(shù)，在充填作業(yè)前期，也可以運用充填擋墻劃分安全充填區(qū)域。經(jīng)過高強度充填材料的有力支撐，能夠促使礦石損失貧化率得以下降，值得以小分段充填工藝達到提效效果。

3 下行式小分段高效采礦工藝優(yōu)化路徑

3.1 優(yōu)化工藝流程

下行式小分段高效采礦工藝的實踐應用，應當從工藝流程層面提出優(yōu)化建議。通常在該項技術(shù)指引下需要有序完成回采、布置、爆破及充填任務，且每一項流程都應當進行模擬分析，以便出具完善方案。

此處以重慶接龍鐵礦為例，在優(yōu)化前回采過程中以下分段50%步距（5～8m），上下分段同步回采方式，保持6m 左右回采高度，并利用人工裝藥方式進行循環(huán)式回采作業(yè)。而經(jīng)過分析后確定朝著步距回采順序以及進風井分布形態(tài)等方向予以優(yōu)化，優(yōu)化后既能簡化流程，又能提高采礦效率。即在原有6m 回采高度之上控制在3m 左右，并且保有一定寬度的護頂空間（300mm），有利于增強頂板支撐穩(wěn)定性。而且對進風井性質(zhì)予以優(yōu)化，未優(yōu)化前常以中央盲天井充當進風井，此時容易削弱采場進風效果，然而優(yōu)化后僅設置單獨的進風井，并借助滑輪結(jié)構(gòu)運輸廢礦渣，加快出礦速度的同時也能凈化采場環(huán)境。由此證實：針對采礦流程進行針對性優(yōu)化改進，是提升采礦質(zhì)量的保障措施，值得引起有關人員的重視。

3.2 配備智能設備

下行式小分段高效采礦工藝，之所以在采礦項目中擁有優(yōu)良前景，是因為此項技術(shù)確實能夠提高采礦效率，致使采礦企業(yè)擁有可觀收益。為進一步優(yōu)化技術(shù)效果，還可結(jié)合采場地質(zhì)環(huán)境，積極配備智能設備，既可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)采礦設備，又可以為現(xiàn)有爆破等設備提供便捷化服務。具體可以使用采礦機器人，妥善應對現(xiàn)場采礦風險，而且在機械化采礦場景內(nèi)，亦能達到增效目的。

此處列舉兩種適用范圍廣泛的智能設備：①自動采礦設備，此設備實則是依靠無人駕駛系統(tǒng)對礦石實施智能化轉(zhuǎn)運，同時搭配鏟運機，即可加快出礦速度，并且因其無須人力駕駛，無形中可舒緩人力負擔。一般情況下運用此設備支撐下行式小分段高效采礦工藝，可達到5000t/d 左右的礦石運輸量，無論是初期采礦還是后續(xù)出礦，均可在智能設備助力下改善開采條件。②高效充填設備，以往常需要人工充填方式，若能使用自動輸送設備聯(lián)合深錐濃密機（徑長18m），每小時可達到140m3以上的充填能力，每日每小時最多能夠?qū)崿F(xiàn)4397m3充填目標，配備自動鏟運機設備后每班組每日能夠獲得8000t 出礦量。同時，在小分段分層回采下，對于上文提到的不同灰砂比材料的充填作業(yè)事項，在智能設備支持下也能提前規(guī)劃充填順序，優(yōu)化現(xiàn)場采礦安全效果之上，逐步提高生態(tài)效益，削弱礦產(chǎn)生產(chǎn)過程的環(huán)境污染危害[5]。

此外，除上述智能設備外，在鑿巖爆破中也可運用“炸藥垂直自動下放設備”，即按照特定炸藥輸送順序，對爆破位置進行定位分析，且裝藥環(huán)節(jié)也能促使敏化劑及乳化炸藥成分得以充分混合，隨即發(fā)揮最大爆破效果。在下行式小分段高效采礦工藝實踐應用階段，加強智能設備推廣，應成為技術(shù)突破關鍵依托。

3.3 加強安全監(jiān)測

采礦效益和生產(chǎn)安全都占據(jù)重要地位，因而在采礦項目中應當充分加強安全監(jiān)測，包括依靠自動預警系統(tǒng)、GPS 軟件實時獲取采場生產(chǎn)動態(tài)。GPS 軟件的運行可通過GPS 接收器，對現(xiàn)場爆破點位、采礦點位以及回填狀況進行實時監(jiān)督，也可兼顧天氣因素判斷現(xiàn)場安全程度，若存在采礦危險源，則立即響應自動預警系統(tǒng)，為項目負責人發(fā)放預警信息，隨即下達暫緩采礦或提高維護等級等指令。而且還可利用定位器、傳感器對采場人員地點進行監(jiān)測，若存在生產(chǎn)風險，則及時撤離，就此提高安全水平。

4 結(jié)語

綜上所述，下行式小分段高效采礦工藝在現(xiàn)實采礦項目中，具備提高采礦效率和節(jié)省采礦成本優(yōu)勢，理應立足回采工藝、采場布置技術(shù)、鑿巖爆破技術(shù)、采場充填技術(shù)要點，確保在該項技術(shù)支撐下逐步提高采礦效益。隨即從工藝流程、智能設備、安全監(jiān)測等方面著手，經(jīng)過優(yōu)化后取得理想化采礦成效，助力采礦事業(yè)壯大發(fā)展，滿足新時代礦產(chǎn)資源實際需求。