衛(wèi) 明

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦， 安徽懷寧縣 246131)

安慶銅礦深部礦體大直徑深孔采礦法回采實(shí)踐

衛(wèi) 明

(銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦， 安徽懷寧縣 246131)

概述了安慶銅礦高階段采場(chǎng)大直徑深孔回采工藝技術(shù)，對(duì)其采準(zhǔn)工程、鑿巖爆破、出礦及充填等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，并圍繞該厚大型礦體高階段采場(chǎng)回采進(jìn)行了地壓控制，采用錨索支護(hù)，保證采場(chǎng)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)順利回采。

安慶銅礦;大直徑深孔采礦;采準(zhǔn)工程;控制爆破;錨索支護(hù)

1 安慶銅礦礦山概況

1.1 礦山開采技術(shù)條件

安慶銅礦是大型銅鐵采選企業(yè)，設(shè)計(jì)日采選能力3500 t，礦山主礦體為矽卡巖型鐵銅礦體，礦體走向125°～304°，傾向總體上為南西，部分傾向北東，主體部分為急傾斜礦體，賦存標(biāo)高－180～－880 m，礦體走向長(zhǎng)度大于700 m，平均厚度40～50 m，厚大區(qū)域礦體平均厚度達(dá)100 m以上。主要采用高階段大直徑深孔回采嗣后充填采礦法開采。采場(chǎng)垂直礦體走向布置，按照隔一采一的回采順序，分礦房、礦柱2步驟回采，采場(chǎng)寬度均為15 m，回采階段高度120 m，實(shí)行分段鑿巖(分段高60 m)，連續(xù)回采，階段出礦。鑿巖設(shè)備為Simba－261型潛孔鉆機(jī)，炮孔直徑165 mm。采用斗容3.8～4.0 m3的ST－10系列鏟運(yùn)機(jī)出礦，采場(chǎng)空區(qū)實(shí)行嗣后一次性充填，礦房回采后用尾砂膠結(jié)充填，礦柱回采后用廢石、尾砂充填。

1.2 礦區(qū)巖體特征

礦區(qū)整體上是一個(gè)“基底－蓋層”結(jié)構(gòu)，蓋層厚度較大，為沉積巖，塊體結(jié)構(gòu);基底由圍巖和礦體組成，圍巖主要有變質(zhì)粉砂巖、矽卡巖、大理巖、閃長(zhǎng)巖，礦體主要有含銅磁黃鐵礦、透輝石矽卡巖、含銅磁鐵礦、磁鐵礦。主要礦巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦區(qū)巖石物理力學(xué)參數(shù)

安慶銅礦巖體屬中等穩(wěn)定，節(jié)理裂隙較發(fā)育，礦區(qū)中粉砂巖夾泥灰?guī)r，遇水泥化，易形成破碎帶，礦體上盤圍巖主要是大理巖，下盤圍巖主要是矽卡巖和閃長(zhǎng)巖，均較穩(wěn)定。

1.3 礦區(qū)原巖應(yīng)力特征

安慶銅礦地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力的方向基本水平，方位由上部的近東西向轉(zhuǎn)向下部的近北東－南西向，主要受礦區(qū)構(gòu)造應(yīng)力控制。

隨著開采進(jìn)一步深入，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的影響在增大，地應(yīng)力也隨之增大。－280～－400 m中段之間，最大主應(yīng)力為12～20 MPa，屬于中等應(yīng)力區(qū)，而－580 m水平的最大主應(yīng)力為23～24 MPa，屬高應(yīng)力區(qū)。因此可得，隨著開采深度進(jìn)一步加大，原巖應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性的影響增加。由于受東西向應(yīng)力場(chǎng)和褶皺的影響，構(gòu)成復(fù)式倒轉(zhuǎn)背斜，礦區(qū)NW－SE方向斷裂較多，且被煌斑巖充填，礦區(qū)主斷層F1橫貫礦區(qū)，向南北延伸，將主礦體分成東西2塊(即1#，2#礦體)，F(xiàn)1斷層破碎帶膠結(jié)較好。

1.4 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響采場(chǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)因素之一，安慶銅礦－280～－400 m階段礦房采場(chǎng)穩(wěn)定性良好，個(gè)別礦柱采場(chǎng)因空區(qū)暴露高度、充填體質(zhì)量和巖體構(gòu)造等因素的影響，出現(xiàn)原巖礦柱、充填體等部分垮落。－400～－510 m礦房采場(chǎng)回采過(guò)程中，因采場(chǎng)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)(達(dá)90 m以上)，給礦柱采場(chǎng)回采造成很大的困難。參考國(guó)外部分類似礦山的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采場(chǎng)長(zhǎng)度宜控制在40 m以內(nèi)，對(duì)于礦體厚度達(dá)50 m以上的，分上盤、下盤采場(chǎng)回采。同時(shí)采取合理的回采順序及回采工藝技術(shù)，確保充填體質(zhì)量，才能實(shí)現(xiàn)礦房、礦柱采場(chǎng)的順利回采。

2 大直徑深孔采礦法采場(chǎng)回采實(shí)例

礦區(qū)巖體、原巖應(yīng)力特征、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是制約采場(chǎng)安全、穩(wěn)定回采的內(nèi)在要素，回采工藝技術(shù)為外在要素，安慶銅礦就采準(zhǔn)工程布置、炮孔孔網(wǎng)參數(shù)、崩礦方式、爆破參數(shù)、出礦方式、地壓控制、充填工藝等進(jìn)行了不斷的探索。

9#柱為安慶銅礦1#礦體主采場(chǎng)之一，－510 m中段以下為礦房采場(chǎng)，以上則為礦柱采場(chǎng)。礦體底部在－618 m水平基本尖滅，－560 m中段以上礦體厚大，最大厚度達(dá)84 m左右。－560 m以下礦體傾角在50°以上。－510～－560 m中段上盤礦體部分上凸，總體呈馬鞍狀形態(tài)，下盤礦體傾角較陡。

9#柱從礦體底部的－618 m中段回采。首先回采－560～－618 m中段。該段礦體形態(tài)呈上寬下窄的“V”字形，礦體形態(tài)對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定有利，因此用一個(gè)回采單元回采，為一步驟回采采場(chǎng)。－510～－560 m中段礦體厚度60～85 m，在深部地應(yīng)力升高條件下，為避免和減少兩側(cè)礦柱的垮落，將－510～－560 m中段劃分為上下盤2個(gè)回采單元，使得每個(gè)回采單元的側(cè)面暴露寬度控制在40 m左右，實(shí)現(xiàn)9#柱采場(chǎng)安全開采。其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安慶銅礦采場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 采準(zhǔn)工程布置

(1)在－618 m中段采用單側(cè)塹溝的底部結(jié)構(gòu)，布置受礦硐室和單側(cè)出礦進(jìn)路，出礦進(jìn)路布置在9#房一側(cè);

(2)在－560 m中段首先形成下部中段穿孔使用的深孔鑿巖硐室，下部中段開采結(jié)束后此鑿巖硐室則改為上部中段的受礦硐室，采用平底－雙側(cè)進(jìn)路出礦的底部結(jié)構(gòu);

(3)在－510 m中段布置上、下盤回采單元的鑿巖硐室。

2.2 鑿巖爆破

鑿巖爆破參數(shù)主要根據(jù)1#礦體－560 m中段深部爆破漏斗小型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定。為防止超采及減少采場(chǎng)側(cè)幫垮落，在采場(chǎng)兩側(cè)的炮孔按光面爆破的要求布孔。光面爆破的最小抵抗線為2.4 m，孔間距為2.2 m，邊孔距采場(chǎng)左右邊界線0.6 ～0.8 m;中間孔排距2.9～3 m，孔間距為3 m。在 －560～－510 m中段為保證上盤采場(chǎng)充填體穩(wěn)定及下盤采場(chǎng)回采安全，在上、下盤采場(chǎng)分界線下盤1.8 m處按松動(dòng)爆破的要求布置1排炮孔，炮孔孔間距2.5 m。

采用“VCR”法掏槽—倒梯段分段側(cè)向崩礦回采工藝，可有效控制爆破規(guī)模、減小爆破振動(dòng)對(duì)相鄰區(qū)域的影響，并為采場(chǎng)邊排孔實(shí)施控制爆破創(chuàng)造條件。選用低密度乳化油炸藥，炸藥為柱狀包裝，每卷炸藥重10 kg或5 kg，藥卷直徑Φ150 mm。首先進(jìn)行槽區(qū)掏槽爆破，每次掏槽的高度為2.5 m，每孔裝藥量為30 kg。槽區(qū)爆破高度為8～12 m時(shí)，即可進(jìn)行槽區(qū)上下盤相鄰兩側(cè)礦巖側(cè)向爆破。側(cè)向崩礦時(shí)，炮孔采用不耦合裝藥，空氣間隔結(jié)構(gòu)，中間孔先行起爆，邊排孔滯后起爆。中間孔每層裝藥量為30 kg，空氣間隔長(zhǎng)為1.5 m，選用竹筒間隔。裝好藥后用砂子或巖屑堵塞藥面，每次堵塞長(zhǎng)度為1.2～1.5 m。采用“V”型斜線起爆順序，以減少中間孔的動(dòng)態(tài)抵抗線。根據(jù)地壓監(jiān)測(cè)結(jié)果和巖體力學(xué)數(shù)值分析，破頂層安全厚度取6～8 m。由于破頂層礦量較多，盡可能增加雷管段數(shù)，減少最大單響藥量，降低爆破振動(dòng)對(duì)周圍區(qū)域的影響。

邊排孔采用控制爆破技術(shù)落礦，實(shí)行光面爆破以保證采場(chǎng)邊界規(guī)整，并有利于相鄰采場(chǎng)回采時(shí)充填體能夠保持穩(wěn)定。邊孔要求采用“一”字型起爆，同段孔數(shù)在3個(gè)或3個(gè)以上。邊孔每層裝藥量為10 kg，采用不耦合裝藥，空氣間隔結(jié)構(gòu)，空氣間隔長(zhǎng)度為1.2 m，每次爆破的堵塞長(zhǎng)度為1.2 m。徑向不耦合系數(shù)為1.1，中間孔超前爆破，使邊排孔里的每層藥包均有臨空面，然后再爆破邊排孔。采用毫秒微差爆破技術(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定，合理的起爆方式為中間孔與邊排孔合理間隔時(shí)間為75～100 ms，邊孔間微差間隔時(shí)間為25～50 ms。

采用非電環(huán)形起爆系統(tǒng):起爆器→激發(fā)導(dǎo)爆管→瞬發(fā)雷管→主導(dǎo)爆索→孔口非電毫秒微差雷管→孔內(nèi)導(dǎo)爆索→低密度乳化炸藥。每個(gè)炮孔孔內(nèi)采用雙導(dǎo)爆索全長(zhǎng)起爆，孔口采用2發(fā)同段非電毫秒微差雷管。微差雷管導(dǎo)爆管一端分別搭接在不同的主導(dǎo)爆索上，雷管一端在孔口處分別與孔內(nèi)導(dǎo)爆索綁在一起，再帶響孔內(nèi)各層炸藥。將主導(dǎo)爆索引出端與瞬發(fā)雷管粘在一起，再將激發(fā)導(dǎo)爆管延長(zhǎng)200 m外安全距離處用起爆器起爆。

2.3 采場(chǎng)出礦及充填

采場(chǎng)出礦為從裝礦進(jìn)路中裝礦經(jīng)穿脈巷道運(yùn)至脈外溜礦井。采場(chǎng)爆破期間，崩落礦石盡量留在采場(chǎng)內(nèi)，對(duì)兩側(cè)礦巖起臨時(shí)支撐作用;總體爆破完畢后，再進(jìn)行大量出礦。受礦硐室的殘礦采用遙控鏟運(yùn)機(jī)清理，應(yīng)避免人員直接進(jìn)入受礦硐室作業(yè)。大塊礦石統(tǒng)一運(yùn)至附近裝礦進(jìn)路中用炸藥進(jìn)行二次破碎。

9#柱－510～－618 m中段為礦房采場(chǎng)，采場(chǎng)回采完后要及時(shí)采用尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)，控制地壓和保證相鄰礦柱采場(chǎng)將來(lái)回采時(shí)充填體能穩(wěn)定自立。為保證充填體強(qiáng)度，充填濃度≥70%，充填能力要求≥600 m3/d。具體充填方案為:－618 m中段采場(chǎng)充填自下而上分為4層，高度分別為6，51.5，1和0.5 m。充填灰砂比分別為 1∶4、1∶10、1∶4，上部為0.5 m厚的澆筑混凝土。

充填過(guò)程中，要求保證一定砂倉(cāng)砂面的高度，確保造漿濃度，通過(guò)自動(dòng)控制儀表嚴(yán)格控制灰砂配比和充填濃度。采用多點(diǎn)下料、多點(diǎn)脫水，嚴(yán)格禁止引管水、洗管水進(jìn)入采場(chǎng)，以減少離析現(xiàn)象，保證充填體的均勻性。同時(shí)要加強(qiáng)充填過(guò)程管理，加強(qiáng)尾砂粒級(jí)、充填濃度、充填強(qiáng)度、水泥質(zhì)量檢測(cè)工作，確保充填質(zhì)量。

3 地壓控制

－560 m中段鑿巖硐室掘進(jìn)完畢，地壓活動(dòng)明顯，硐室頂板出現(xiàn)冒落并有明顯裂縫，點(diǎn)柱亦出現(xiàn)垂直裂縫。－510 m中段鑿巖硐室局部也出現(xiàn)相應(yīng)破壞，這與靠近F1斷層及區(qū)域地壓活動(dòng)有關(guān)。整個(gè)鑿巖硐室及時(shí)采用長(zhǎng)錨索+錨桿+噴漿聯(lián)合方式加固，局部破碎地段采取了掛網(wǎng)噴漿支護(hù)。

－510～－560 m中段上盤礦體呈馬鞍狀形態(tài)，上盤采場(chǎng)回采結(jié)束空區(qū)頂板形成懸臂狀大理巖薄板，大理巖節(jié)理較發(fā)育，且受多次爆破振動(dòng)影響，懸臂狀薄板極不穩(wěn)固。如大理巖薄板垮落則極易造成井下安全事故以及礦石大量貧化，因此必須對(duì)其進(jìn)行加固。根據(jù)9#柱地質(zhì)條件、礦體賦存特征及礦巖穩(wěn)固情況等，經(jīng)研究采用大直徑爆破孔預(yù)留段(圍巖部分)錨索注漿錨固技術(shù)加固大理巖薄板。

3.1 錨索材料和結(jié)構(gòu)

(1)采用豎井廢棄鋼絲繩作為錨索索體材料，根據(jù)不同鉆孔的具體情況，分別采用副井首繩和主井首繩。安慶銅礦目前的副井首繩直徑31 mm，抗拉強(qiáng)度 1700 N/mm2，最小破斷拉力 57.5 t，主井首繩直徑39 mm，抗拉強(qiáng)度1670 N/mm2，最小破斷拉力 90.9 t。

(2)利用爆破剩余的大孔作為錨索孔，錨索結(jié)構(gòu)分為堵孔段、內(nèi)錨段、填充段和外錨段。堵孔段長(zhǎng)度約0.5 m，包括堵孔塞、堵孔砂和堵孔砂漿。內(nèi)錨段長(zhǎng)度為6 m，是錨索底部的受力端，其繩索底端為解散繩體并向上翻轉(zhuǎn)的錨頭結(jié)構(gòu)。外錨段長(zhǎng)度為4 m，是錨索頂部及孔口的受力端，其外錨頭由橫臥孔口的鋼筋與繩體通過(guò)繩卡連接而成。內(nèi)錨段和外錨段灌入的水泥砂漿其灰砂比均為1∶1。填充段是內(nèi)錨段與外錨段之間的部位，由灰砂比為1∶10的砂漿灌入而成。填入低強(qiáng)度的膠結(jié)體使得錨索具有一定的韌性，能抵抗較大的變形，同時(shí)提高其抗爆破破壞的能力。

(3)灌漿水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

3.2 錨索支護(hù)施工

(1)材料制作與準(zhǔn)備。根據(jù)每個(gè)鉆孔的孔深切割鋼絲繩，鋼絲繩的長(zhǎng)度大于孔深1.5 m。用柴油清洗鋼絲繩，除去鋼絲繩表面的油污和鐵銹，并對(duì)鋼絲繩一端打毛，形成內(nèi)錨頭。另外根據(jù)設(shè)計(jì)要求制作對(duì)中器、外錨鋼筋、洗孔器等，并準(zhǔn)備此次錨固所需要的各種材料。

(2)洗孔。將洗孔器接至高壓水管，放入孔內(nèi)上下沖洗孔壁至孔壁干凈為止。

(3)堵孔。首先采用堵孔塞堵塞孔底，堵孔塞的高度約高于孔底0.2 m，然后放入少量黃沙以便堵住孔塞與孔壁間的空隙，再灌入約0.2 m高的水泥砂漿，使孔底完全被封住。孔底的最終封堵高度約為0.5 m，孔底封堵后，應(yīng)靜置24 h，以便堵孔砂漿凝固。

(4)送繩。送繩前，先檢查孔內(nèi)是否有積水，若有積水，用風(fēng)管吹干。先用測(cè)繩準(zhǔn)確量出堵塞后的孔深，將對(duì)中器套入鋼絲繩(每根錨索套3個(gè)對(duì)中器)并用鐵絲固定，然后將制作好的鋼絲繩放入孔內(nèi)，利用扒桿、滑輪懸吊鋼絲繩，使鋼絲繩在孔內(nèi)的長(zhǎng)度等于孔的深度。在孔口用繩卡將鋼絲繩與孔口鋼筋連接，使鋼絲繩固定，然后可松解滑輪和扒桿。

(5)灌漿。分別按灰砂比為1∶1和1∶10配制2種水泥砂漿，前者宜采用機(jī)械攪拌，以保證攪拌質(zhì)量。水灰比以保證砂漿有適宜的流動(dòng)性為好，取0.35～0.4。首先將灰砂比為 1∶1的砂漿灌入孔內(nèi)，用測(cè)繩測(cè)量高度，灌漿高度達(dá)6 m時(shí)，內(nèi)錨段灌漿完成，改用灰砂比為1∶10的砂漿灌漿，繼續(xù)用測(cè)繩測(cè)量高度，當(dāng)高度至孔口還有4 m時(shí)，填充段灌漿完成，再改用灰砂比為1∶1的砂漿灌至適當(dāng)高出孔口，形成孔口封閉，完成外錨段灌漿。

－510 m中段懸臂狀大理巖薄板錨索錨固共利用大孔16個(gè)，孔深合計(jì)287 m，錨索長(zhǎng)度311 m。錨索安裝完畢直至上盤采場(chǎng)空區(qū)充填結(jié)束，頂板大理巖未出現(xiàn)明顯垮落，說(shuō)明大孔錨索錨固效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，采場(chǎng)穩(wěn)定是采場(chǎng)回采的核心環(huán)節(jié)，只有在充分研究礦、圍巖，充填體的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，選擇合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采工藝技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)順利回采。安慶銅礦經(jīng)過(guò)多年的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，探索出一套較為完善的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)技術(shù)體系，為高階段大直徑深孔采礦法在安慶銅礦的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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2011－02－15)

衛(wèi) 明(1968－)，男，安徽金寨人，高級(jí)工程師，主要從事采礦技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工和管理工作。