沉積型軟巖凹陷采坑新臺(tái)階開(kāi)拓方法研究

摘要：烏拉根鉛鋅礦巖體為軟～較軟巖巖石，露采進(jìn)入凹陷采坑后，受坑底地下水影響，巖石破碎泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重限制了新臺(tái)階開(kāi)拓進(jìn)度，增加了年度采剝計(jì)劃任務(wù)產(chǎn)量完成難度。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，制定了采坑地下水疏干治理措施，為新臺(tái)階開(kāi)拓創(chuàng)造條件，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究軟巖臺(tái)階的開(kāi)拓方案，優(yōu)化采剝作業(yè)面參數(shù)和工藝流程，形成一套較為經(jīng)濟(jì)、安全的沉積型軟巖采坑開(kāi)拓方法，以保障礦山的正常采剝生產(chǎn)作業(yè)。

關(guān)鍵詞：沉積型軟巖；凹陷采坑；地下水疏干；新臺(tái)階開(kāi)拓；采剝工序優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TD854 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）11-0118-03

The Study on the New Step Development Method for Excavation Pits in Sedimentary Soft Rock Depressions

LIN Kunxing， TAO Zhengdong

（Xinjiang Zijin Zinc Co.， Ltd.， Wuqia 845450， China）

Abstract： The Ulagen lead-zinc mine rock mass is soft to relatively soft rock. After open-pit mining enters the concave mining pit， the rock is severely fragmented and mudified due to the influence of groundwater at the bottom of the pit， which seriously limits the progress of new step development and increases the difficulty of completing the annual mining and stripping plan tasks. After on-site investigation and research， measures for dewatering and treating underground water in mining pits have been formulated to create conditions for the development of new steps. On site experiments have been conducted to study the development plan of soft rock steps， optimize the parameters and process flow of mining and stripping operations， and form a relatively economical and safe sedimentary soft rock mining pit development method to ensure the normal mining and stripping production operations of the mine.

Keywords： sedimentary soft rock; recessed pit; groundwater dewatering; new bench development; mining and stripping process optimization

烏拉根礦區(qū)位于南天山南麓，地勢(shì)北高南低，東高西低，自然條件惡劣，天氣干燥。該礦床屬于典型的海底噴流沉積-熱液改造型鉛鋅礦，具有明顯的地層控礦特征，礦體整體由東向西逐漸緩傾伏，嚴(yán)格受烏拉根向斜控制，向斜南翼礦體呈北東-南西向帶狀展布，向斜北翼礦體呈北西-南東向展布。礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面位于西側(cè)的康蘇河谷谷底，高程為2 045 m，為礦區(qū)地表水流和地下水的匯水中心。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

礦體均賦存于富水性較弱的砂巖含水層，上覆富水性一般的灰?guī)r裂隙含水層以側(cè)向補(bǔ)給的方式通過(guò)礦體頂板向礦坑充水，大氣降水直接匯入露天坑。當(dāng)揭露含礦的砂巖、含礫砂巖和砂礫巖含水巖組時(shí)，裂隙孔隙水便會(huì)涌入露天坑，成為礦坑充水水源。

礦體圍巖巖性較簡(jiǎn)單[1]，頂?shù)装鍘r性多為砂巖、砂礫巖，屬于軟～較軟巖巖石，巖石較破碎，遇水易軟化。礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)規(guī)模為25 000 t/d，礦區(qū)已形成走向長(zhǎng)約3 000 m，寬約1 000 m，采深約400 m的露采坑，露天最低平臺(tái)為1 984 m，低于最低侵蝕基準(zhǔn)表面標(biāo)高（2 045 m），成為地下水的排泄區(qū)域，累計(jì)涌水量達(dá)7 000 m3/d，超預(yù)測(cè)涌水量2倍。導(dǎo)致新水平開(kāi)拓時(shí)，因工作面積水量大且排水不及時(shí)，礦巖長(zhǎng)時(shí)間泡水軟化嚴(yán)重，出現(xiàn)穿孔成孔率低、單次爆破量極小、鏟裝作業(yè)效率大幅降低，單臺(tái)階無(wú)法正常一次性采剝，需要分3～5次才能完成開(kāi)拓的問(wèn)題。這些問(wèn)題直接增加了生產(chǎn)成本，生產(chǎn)推進(jìn)滯后。因此，針對(duì)含水沉積型層狀軟巖的露天開(kāi)采，如何實(shí)現(xiàn)控本增效，又滿足礦山出礦能力，是目前急需解決的問(wèn)題。

2 總體研究思路

總體研究思路采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)踏勘相結(jié)合的研究方法。根據(jù)露天開(kāi)采特點(diǎn)結(jié)合前期礦山水文地質(zhì)和防治水方面的研究成果，制定地下水預(yù)疏干方案，確保在無(wú)水或少水的條件下進(jìn)行新水平開(kāi)拓作業(yè)。根據(jù)《烏拉根根鉛鋅礦25 000 t/d采礦工程初步設(shè)計(jì)》提出深凹臺(tái)階出入溝和開(kāi)段溝采用平裝車全斷面掘溝方式，塹溝底寬為20 m。實(shí)際情況是受地下水影響，無(wú)法達(dá)到一次性開(kāi)拓出設(shè)計(jì)高度15 m新臺(tái)階的目的，全斷面掘溝的方法不適用于烏拉根鉛鋅礦露采坑底賦存的沉積型含水軟巖。因此，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)正確地選擇新臺(tái)階開(kāi)拓方法，確定合理的臺(tái)階參數(shù)。同時(shí)，優(yōu)化穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸采剝工藝流程，降低采剝成本，提高采剝?cè)O(shè)備的作業(yè)效率，加快新臺(tái)階開(kāi)拓速度。

3 礦區(qū)地下水疏干

礦區(qū)根據(jù)相對(duì)隔水層按埋藏深度劃分為3組含水層組，即上部砂巖含水層、中部灰?guī)r含水層和深部砂巖含水層，各含水層之間水力聯(lián)系微弱。影響新水平開(kāi)拓進(jìn)度的地下水80%來(lái)源于中部灰?guī)r含水層，淺部與深部含水層富水性弱，影響較小。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，明確地下水疏干采取“分層治理、超前疏干”的工作思路[2]。

礦區(qū)上部砂巖含水層受大氣降雨滲透補(bǔ)給，日均涌水量小于100 m3，影響能力有限，臺(tái)階爆破后地下水從破裂的隔水層流出，自上而下由排水系統(tǒng)匯集至坑底集水坑。深部砂巖含水層為礦區(qū)的賦礦層組，滲透系數(shù)為0.006 5 m/d，由向斜兩翼西側(cè)河流裂隙通道補(bǔ)給，水文觀測(cè)水量小但有穩(wěn)定的補(bǔ)給來(lái)源，因此在坑底西側(cè)設(shè)置集水明坑標(biāo)高始終處于采坑最低點(diǎn)，深部砂巖含水層通過(guò)排水明渠自流至集水明坑，坑內(nèi)設(shè)潛水泵抽排至臨時(shí)泵站水箱，后通過(guò)臨時(shí)泵站排出采坑。中部灰?guī)r含水層裂隙較發(fā)育，水量豐富，采用疏干井工程預(yù)疏干[3]，將地下水位始終控制在露采礦坑底部以下。在露采平臺(tái)上垂直地層走向按間距50 m布置疏干井，設(shè)計(jì)井深90 m（深入不透水泥巖層10 m），疏干井直徑為400 mm，內(nèi)置?325 mm濾水管，孔壁間縫隙用30～50 mm砂礫充填疏干井，數(shù)量由地下水涌水量和單井排水量確定。具有靈活布置，投入小的優(yōu)勢(shì)，難點(diǎn)是同一生產(chǎn)平臺(tái)疏干井與移動(dòng)式采剝生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)交叉作業(yè)，疏干井后續(xù)連續(xù)運(yùn)行和維護(hù)較為困難。

通過(guò)上述地下水疏干治理措施，烏拉根鉛鋅礦地下水疏干效果良好，目前坑底采剝作業(yè)面環(huán)境已得到較大改善，為下步的采剝生產(chǎn)創(chuàng)造有利的施工條件。

4 開(kāi)拓方法研究

礦山現(xiàn)狀為凹陷露天采坑，最高作業(yè)臺(tái)階位于采場(chǎng)東南側(cè)，臺(tái)階標(biāo)高為2 344 m，最低臺(tái)階標(biāo)高為1 984 m，上部臺(tái)階為剝離組合臺(tái)階，坑底為采礦平臺(tái)。結(jié)合礦區(qū)的地形、礦體賦存條件及開(kāi)采現(xiàn)狀特點(diǎn)，礦山設(shè)計(jì)采剝工藝如下：下部采礦平臺(tái)采用緩幫橫向開(kāi)采工藝，上部剝巖平臺(tái)采用組合臺(tái)階陡幫剝離工藝，便于均衡生產(chǎn)剝采比，推遲剝巖高峰期[4]。每組剝離臺(tái)階自上而下逐個(gè)臺(tái)階輪流開(kāi)采，當(dāng)推進(jìn)到預(yù)定的寬度后，設(shè)備轉(zhuǎn)移到下一臺(tái)階開(kāi)采。

臺(tái)階開(kāi)段溝采用縱向布置在礦體上盤(pán)，工作線自礦體上盤(pán)往下盤(pán)推進(jìn)，工作面由西向東推進(jìn)。深凹臺(tái)階出入溝和開(kāi)段溝采用平裝車全斷面掘溝方式，塹溝底寬為20 m。

露采進(jìn)入凹陷采坑后，雖然經(jīng)過(guò)地下水疏干措施基本解決了采剝作業(yè)面的積水問(wèn)題，但是坑底巖石（砂巖、砂礫巖、泥巖）長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，導(dǎo)致巖石較軟、泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，臺(tái)階炮孔（17 m，超深2 m）穿孔結(jié)束后出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，有效裝填長(zhǎng)度僅為5～6 m，并出現(xiàn)開(kāi)段溝道路泥化車輛輪胎打滑、鏟裝效率慢和安全生產(chǎn)管理壓力增大等問(wèn)題。原設(shè)計(jì)深凹臺(tái)階出入溝和開(kāi)段溝采用平裝車全斷面掘溝方式，適用場(chǎng)景與實(shí)際現(xiàn)狀嚴(yán)重不符。

針對(duì)上述問(wèn)題，礦山采取了穿孔結(jié)束后及時(shí)裝藥爆破，放緩開(kāi)段溝道路坡度，安排動(dòng)力強(qiáng)勁并安裝防滑輪胎的礦車進(jìn)行運(yùn)輸，安排作業(yè)效率較高的CAT374、CAT390、EC1250大型反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行鏟裝等一系列措施，但經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)仍存在新臺(tái)階開(kāi)段溝炮孔利用率低、運(yùn)輸坡道較長(zhǎng)、鏟裝作業(yè)面積水效率低下以及安全管理問(wèn)題突出等問(wèn)題，新臺(tái)階的開(kāi)拓進(jìn)度還是無(wú)法滿足生產(chǎn)需要，無(wú)法達(dá)到每年下降2～3個(gè)臺(tái)階的計(jì)劃目標(biāo)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，只需降低臺(tái)階高度即可解決以上問(wèn)題[5]，因此原設(shè)計(jì)的全斷面掘溝方式變更為坑底軟巖臺(tái)階“分層掘溝、分層采剝”的方式，分層高度根據(jù)炮孔的有效裝填高度確定為5 m，設(shè)計(jì)臺(tái)階高度15 m分上、中、下3層進(jìn)行采剝。

礦山露采坑底按照“分層掘溝，分層采剝”的方式組織生產(chǎn)，有效解決了鉆孔利用率低、開(kāi)溝段坡道長(zhǎng)度降低、坡度減緩以及鏟裝效率低等問(wèn)題，加快了新臺(tái)階開(kāi)拓速度。

5 沉積型軟巖采剝工藝優(yōu)化

5.1 穿孔、爆破優(yōu)化

原設(shè)計(jì)坑底爆破孔網(wǎng)參數(shù)采礦、剝離均為7.0 m×5.5 m，底盤(pán)抵抗線為4 m，鉆孔傾角（后排）為55°～65°，孔徑為150 mm，炮孔深度為17 m，超深為2 m?？拥总泿r穿孔17 m后出現(xiàn)塌孔，且均為水孔，炮孔有效裝填長(zhǎng)度為5～6 m，嚴(yán)重浪費(fèi)鉆機(jī)作業(yè)效率，增加了穿孔成本?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)優(yōu)化，在開(kāi)段溝時(shí)孔網(wǎng)參數(shù)為5 m×4 m，正常爆破孔網(wǎng)參數(shù)沿用7 m×5.5 m，孔深調(diào)整為5 m，孔徑調(diào)整為138 mm（匹配乳化炸藥藥卷直徑110 mm），炮孔穿孔結(jié)束后在24 h內(nèi)完成炮孔質(zhì)量驗(yàn)收和爆破作業(yè)，避免炮孔壁泡水出現(xiàn)塌孔。

5.2 鏟裝作業(yè)優(yōu)化

坑底鏟裝作業(yè)采用5.6 m3液壓反鏟挖掘機(jī)配70 t自卸汽車進(jìn)行礦巖鏟裝運(yùn)輸作業(yè)，后續(xù)更新設(shè)備時(shí)可更換更大規(guī)格型號(hào)的設(shè)備，提高采剝作業(yè)效率?？拥诅P裝作業(yè)方向由西向東，平臺(tái)底部開(kāi)挖坡度為0.2°，地下水自流至西側(cè)集水坑，避免鏟裝工作面積水。

5.3 運(yùn)輸作業(yè)優(yōu)化

礦山采用全汽車公路開(kāi)拓運(yùn)輸方案。新臺(tái)階開(kāi)段溝運(yùn)輸?shù)缆肪o跟鏟裝工作面，按照臨時(shí)道路標(biāo)準(zhǔn)修筑，道路以遇水軟化的泥巖、砂巖為主，按照原設(shè)計(jì)臺(tái)階高度為15 m，坡度為4.6°修筑運(yùn)輸?shù)缆?，斜坡道長(zhǎng)度在180 m以上，現(xiàn)有的70 t級(jí)同力礦卡輪胎打滑，需鋪墊戈壁料，路面保持干燥方能爬坡到頂，但實(shí)際開(kāi)段溝過(guò)程中空間受限工期緊張且成本高昂。因此，分層采剝高度變更為5 m后，開(kāi)溝工作面道路坡度可放緩至3°左右且斜坡道長(zhǎng)度縮短至100 m以內(nèi)，道路路面無(wú)明水的情況下不影響爬坡運(yùn)輸。

6 結(jié)論

烏拉根鉛鋅礦沉積型軟巖開(kāi)拓方法的試驗(yàn)研究工作開(kāi)展以問(wèn)題為導(dǎo)向，制定相應(yīng)的解決措施方案，通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)合理性。總體上項(xiàng)目研究是成功的，先通過(guò)地下水疏干治理，為新臺(tái)階開(kāi)拓創(chuàng)造條件，然后試驗(yàn)確定臺(tái)階分層掘溝、分層開(kāi)采方案，優(yōu)化采剝作業(yè)面參數(shù)和工藝流程，形成一套較為可靠的沉積型軟巖凹陷采坑開(kāi)拓方法，確保完成露采年度采剝生產(chǎn)任務(wù)并保持采區(qū)連續(xù)均衡穩(wěn)定的供礦能力。

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