楊清平，岑佑華

（1.中國(guó)有色金屬建設(shè)股份有限公司， 北京 100029；2.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北黃石市 435005）

贊比亞MUFULIRA銅礦的采礦技術(shù)及其發(fā)展

楊清平1，岑佑華2

（1.中國(guó)有色金屬建設(shè)股份有限公司， 北京 100029；2.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北黃石市 435005）

根據(jù)贊比亞聯(lián)合銅業(yè)有限公司Mufulira銅礦（穆富里拉銅礦）礦體不同的賦存特征，結(jié)合采礦方法選擇的基本原則，對(duì)Mufulira銅礦以前采用的瀑布式采礦法、分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮畈傻V法與垂直走向布置分段空?qǐng)龇ú傻V方法進(jìn)行回顧，重點(diǎn)闡述目前采用的機(jī)械化空?qǐng)霾傻V法、深孔崩礦階（分）段空?qǐng)龇?、分段崩落法、沿走向后退式回采法、由下盤(pán)向上盤(pán)后退式分段崩落法和由上盤(pán)向下盤(pán)后退式分段崩落法的采礦工藝流程與效果，最后對(duì)該礦采礦技術(shù)今后發(fā)展方向進(jìn)行展望。

Mufulira銅礦；采礦方法；采礦工藝；發(fā)展方向

1 Mufulira礦概況及其礦床開(kāi)采條件

Mufulira礦隸屬于Mopani copper mines（MCM），該礦業(yè)公司由加能國(guó)際Glencore Iternational AG和第一量子公司First Quantum Minerals Limited（FQM）在2000年合資組建，是贊比亞第二大礦業(yè)公司，該公司2003年銅產(chǎn)量為12.75萬(wàn)t，到2006年達(dá)到20萬(wàn)t以上。Mufulira礦位于贊比亞銅礦帶向北延伸帶上，1933年開(kāi)始開(kāi)采，是一座特大型的地下礦山。礦體厚度和傾角變化大，根據(jù)不同的礦巖條件，采用了多種不同的采礦方法，在個(gè)別回采區(qū)域，一些適合Mufulira銅礦開(kāi)采條件的采礦方法一直被采用，在其它的回采區(qū)域，根據(jù)條件的變化，最初的回采工藝得到不斷完善和發(fā)展。Mufulira銅礦歷年來(lái)最大年開(kāi)采礦石量達(dá)到380萬(wàn)t以上。截止2010年底累計(jì)開(kāi)采礦石約2.50億t，出礦Cu品位2.64%。

Mufulira銅礦是目前贊比亞開(kāi)采最深的地下礦山，已經(jīng)開(kāi)采到1540m以下。主要的礦化為浸染狀硫化礦脈，出現(xiàn)在3個(gè)含礦層中：A礦體位于3個(gè)礦體最上盤(pán)，是3個(gè)礦體中最小的礦體，位于礦區(qū)東部，在采礦下降到810m水平后基本上開(kāi)采完，主要是在石英巖中呈輝銅礦化，其邊緣為斑銅礦伴生黃銅礦化；C礦體位于3個(gè)礦體最下盤(pán)，是最大的一個(gè)礦體，走向延長(zhǎng)5500m，平均厚度14m，礦化在西部主要是黃銅礦－斑銅礦伴之以輝銅礦化，到東部斑銅礦化增強(qiáng)；B礦體位于C礦體東部上盤(pán)，走向長(zhǎng)度3000m，平均厚度10m。目前最具開(kāi)采潛力的礦體出現(xiàn)在東部，該區(qū)域處于B、C礦體之間，屬于一個(gè)低品位礦帶，該低品位礦帶與B、C礦體同時(shí)回采也是經(jīng)濟(jì)的，稱之為“BC”聯(lián)合礦體。Mufulira銅礦1540m水平以上總資源量為2.95億t礦石，平均全銅品位3.40%。截至2010年底，剩余保有可采儲(chǔ)量4500萬(wàn)t礦石，平均全銅品位3.15%，該礦山共有4條豎井：11＃豎井870m、14＃豎井875 m、Kanono5＃豎井575m、Lubwe6＃豎井575m，另還有4條盲斜井，構(gòu)成井下開(kāi)拓系統(tǒng)。

Mufulira銅礦賦存于向斜構(gòu)造的南翼，傾向北東，平均傾角約45°，局部?jī)A角0°～90°。礦區(qū)揭露巖層為羅恩組地層，產(chǎn)于下羅恩組風(fēng)化帶的下部，巖體穩(wěn)定性好，在采礦過(guò)程中很少進(jìn)行支護(hù)。上羅恩組覆蓋于下羅恩組之上，主要由白云巖和頁(yè)巖組成，白云巖滲透性好、風(fēng)化強(qiáng)烈、含水豐富，采礦之前必須對(duì)礦體上盤(pán)白云巖含水層進(jìn)行疏干。井下涌水約為80000m3／d，提升1t礦石要排出5t水。

2 采礦方法

在Mufulira銅礦，根據(jù)礦體不同的賦存特征，如礦體厚度、傾角、上盤(pán)穩(wěn)固性、區(qū)域地質(zhì)品位，結(jié)合采礦方法選擇的基本原則（礦石回收率高、安全性好、貧化率小、成本低），采用了不同的采礦方法。

2.1 以前采用的采礦方法

2.1.1 瀑布式采礦法

瀑布式采礦法（Cascade，見(jiàn)圖1）或沿礦體走向底盤(pán)漏斗分段礦房法是1964年在Mufulira銅礦推廣應(yīng)用的，它主要適用于淺?。▋A角25°～35°）的礦體。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：階段高度40～60m，分段高度15～20m，采場(chǎng)沿礦體走向布置，采場(chǎng)長(zhǎng)30～40m，斜頂柱5～6m。之后，又經(jīng)歷了好幾次變化，但是在兩個(gè)方面保持不變：使用采場(chǎng)底部采礦巷道作為采場(chǎng)頂部回采的集礦巷道；不留房間礦柱。

這種方法最初適用于穆富里拉西部“C”礦體淺部?jī)A斜區(qū)域，起初采用放礦漏斗，后來(lái)采用沿脈鑿巖道代替。切割槽形成后，從沿脈鑿巖和采礦鑿巖道進(jìn)行回采爆破，采用扇形中深孔，傾角70°～90°。從采場(chǎng)底部采礦鑿巖道通過(guò)出礦聯(lián)絡(luò)巷出礦，出礦聯(lián)絡(luò)道也用于斜頂柱鑿巖和爆破。當(dāng)回采工作面后退式回采到出礦聯(lián)絡(luò)巷即進(jìn)行斜頂柱爆破。斜頂柱的作用是阻止廢石進(jìn)入空?qǐng)鰞?nèi)。每次爆破，必須仔細(xì)控制出礦品位，防止過(guò)多貧化。這種方法操作比較簡(jiǎn)單，炮孔排列規(guī)整、作業(yè)安全、機(jī)械化程度高。但鑿巖道位置要求比較嚴(yán)格，以便達(dá)到最優(yōu)的回收率（75%以上），同時(shí)貧化率相對(duì)比較低（不超過(guò)25%）。

圖1 瀑布式采礦法

2.1.2 分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮畈傻V法

分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮畈傻V法（Mechanised Open Stoping With Sandfill，MOS／SF，見(jiàn)圖2）礦石回采方式與分段礦房法相比有以下不同：

（1）礦房間柱和斜頂柱的尺寸雖然降到最低限度，但還是要留有一定數(shù)量的礦石作為永久損失；

（2）當(dāng)?shù)V石最大限度回收完后，所有的出礦點(diǎn)和進(jìn)入采場(chǎng)的通路用混凝土隔墻封閉；

（3）混凝土隔墻封閉完后，采場(chǎng)采用分級(jí)尾砂充填，充填水通過(guò)安裝在混凝土隔墻內(nèi)側(cè)的脫水籠泄水。

采用這種方法的礦石回收率大約為70%～75%，貧化率可以忽略不計(jì)，特別是對(duì)于急傾斜礦體更有利。對(duì)于緩傾斜礦體，布置在廢石中的部分巷道能夠自由冒落，貧化約15%。

圖2 分段空?qǐng)鏊煤笪采俺涮畈傻V法

2.1.3 垂直走向布置分段空?qǐng)龇?/p>

垂直走向布置分段空?qǐng)龇ǎ═ransverse Open Stope，TOS）是1970年后在Mufulira銅礦推廣應(yīng)用的，主要是在分段崩落法采區(qū)采準(zhǔn)和中深孔已經(jīng)完成，要求采用尾砂充填采礦法的情況下，為能夠提高礦石回收率而提出的。使用原有的分段崩落法采準(zhǔn)工程剖面上易引起巖體明顯破壞，此方法在“BC”礦體回采中被證明是一種控制頂板不陷落非常成功的方法，隨后在未開(kāi)采的區(qū)域使用。采準(zhǔn)工程變得比較簡(jiǎn)單，除出礦水平布置3條出礦進(jìn)路外，切割巷降低到2條。這消除了對(duì)礦柱的破壞和降低了采準(zhǔn)工程量。TOS采場(chǎng)沿走向長(zhǎng)平均27m、房間柱6 m、頂柱3m，4個(gè)分段回采礦量10萬(wàn)t。雖然采場(chǎng)底部是主要出礦水平，但所有分段水平都可以同時(shí)作業(yè)。采場(chǎng)生產(chǎn)能力每月可達(dá)到30000t，礦石回收率70%，貧化率可忽略不計(jì)。TOS采礦分以下5個(gè)階段：

（1）采準(zhǔn)工程完成后，沿著下分段的頂柱的頂部拐到采場(chǎng)上盤(pán)掘進(jìn)切割天井，切割井布置在采場(chǎng)中央（東西方向），切割槽沿南北方向形成，長(zhǎng)大約占采場(chǎng)出礦進(jìn)路的1／3；

（2）然后沿南北切割槽向東西方向擴(kuò)槽，形成東西切割槽；

（3）當(dāng)最低水平東西向切割槽形成后，開(kāi)始形成南北向切割槽和上部水平環(huán)行切割巷。然后從切割巷以單獨(dú)的工作面朝底盤(pán)后退式回采，每個(gè)分段由上向下依次進(jìn)行；

（4）最后爆破上部水平東西向用于出礦的通道；

（5）采場(chǎng)回采完成后，所有敞開(kāi)的通道采用混凝土隔墻封閉，隨后，采用分級(jí)尾砂充填。

該采礦方法后來(lái)逐步淘汰，主要原因是礦柱損失礦量過(guò)大和礦體的特征發(fā)生變化，導(dǎo)致幾乎沒(méi)有適合這種方法的新回采區(qū)域。

2.2 目前采用的采礦方法

2.2.1 機(jī)械化空?qǐng)霾傻V法

機(jī)械化空?qǐng)霾傻V法（Mechanised Open Stoping，MOS，見(jiàn)圖3）是由傳統(tǒng)的空?qǐng)龇ㄑ葑兌鴣?lái)，傳統(tǒng)的空?qǐng)龇ú捎昧税堑V平巷和格篩，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而MOS采用高效率鏟運(yùn)機(jī)出礦，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。但其基本原理仍保持一樣。

圖3 機(jī)械化空?qǐng)霾傻V法

采場(chǎng)最初回采預(yù)留間柱和頂柱，礦柱設(shè)計(jì)的目的是用來(lái)支撐礦體頂板和阻止廢石移動(dòng)到相鄰的回采采場(chǎng)。對(duì)開(kāi)始回采的采場(chǎng)，直接在每個(gè)采場(chǎng)礦柱旁形成1個(gè)切割槽，以提供爆破自由面，再沿切割槽后退式爆破扇形孔，形成空?qǐng)觥Ｗ詈蟊崎g柱和頂柱，爆落的礦石全部進(jìn)入空?qǐng)隼?，爆破方式和方法根?jù)礦體厚度、傾角和局部條件來(lái)確定。

MOS采場(chǎng)底部采用平底結(jié)構(gòu)，由底盤(pán)集礦巷道與出礦進(jìn)路組成。采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，鏟運(yùn)機(jī)從采場(chǎng)裝礦后卸到與礦溜井相連的采場(chǎng)分枝溜井，礦溜井沿礦體底盤(pán)布置，間距大約100m。該方法具有很大的靈活性，對(duì)于礦體厚度和傾角變化大的區(qū)域均能采用。該方法礦石回收率平均75%、貧化率35%，貧化率高主要是由于礦柱崩落后頂板冒落造成的。每個(gè)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力為每月15000～30000t。

2.2.2 深孔崩礦階（分）段空?qǐng)龇?/p>

深孔崩礦階（分）段空?qǐng)龇ǎ˙lasthole Open Stope，簡(jiǎn)稱BOS，見(jiàn)圖4）主要適用于礦體傾角55°及55°以上的礦體。它是利用高效率的潛孔鉆機(jī)鉆鑿高精度的大直徑深孔，這種方法是最近提出的，也是一種最經(jīng)濟(jì)和最有發(fā)展?jié)摿Φ牟傻V方法。

圖4 深孔崩礦階（分）段空?qǐng)龇?/p>

在上部鑿巖水平布置1條沿脈鑿巖道和6條穿脈巷道；在底部出礦水平布置1～2條沿脈鑿巖道、1條底盤(pán)鑿巖道和4條出礦進(jìn)路。出礦水平布置分枝溜井與礦石溜井相通。切割天井直徑1.8m，采用天井鉆機(jī)施工。平均35%的采準(zhǔn)工程布置在礦體內(nèi)。深孔采用阿特拉斯ROC－306型潛孔鉆機(jī)由上向下施工，鑿巖硐室高約5m。深孔平行礦體傾向布置，孔徑150～165mm，孔深平均55m。上部水平鑿巖硐室保安礦柱上向深孔采用特制鉆架從底盤(pán)鑿巖道工作面進(jìn)行施工。在出礦水平，采用加德拉丹佛公司CH－123型鑿巖機(jī)從沿脈鑿巖道鉆鑿直徑55mm的扇形中深孔。

采場(chǎng)最初回采切割是在集礦水平形成拉底層和切割槽，即從沿脈鑿巖道沿礦體走向向東西兩端形成拉底層，然后從切割天井往頂盤(pán)后退式回采，形成采場(chǎng)切割槽。其中1條切割巷爆破全部采用微差爆破以降低藥包數(shù)量，并使每發(fā)雷管延期達(dá)到最小值。深孔底部采用沙子做的炮泥填塞，頂部填塞沙子的高度一般為2m，采用分段間隔裝藥，每個(gè)間隔的藥包通過(guò)起爆母線與起爆藥包和電雷管聯(lián)在一起。礦柱的上向中深孔爆破一般采用裝藥管和裝藥器裝藥。BOS采區(qū)每個(gè)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力為每月4～6萬(wàn)t，礦石回收率大約74%，貧化率36%。當(dāng)?shù)V體寬度小于15m時(shí)，采用垂直距離比較低的分段和直徑105～115mm的深孔，深孔長(zhǎng)度30m，深孔采用柱狀藥包爆破，它比直徑150～165mm深孔能更好地控制炸藥密度。經(jīng)驗(yàn)表明：裝藥間隔距離過(guò)大，不能取得好的爆破效果和控制好上下盤(pán)界線，只要求在狹窄的分段空?qǐng)龇ú蓤?chǎng)使用。

2.2.3 分段崩落法

分段崩落法（Sub－level caving，簡(jiǎn)稱SLC）是一種礦石回收率能夠達(dá)到100%，貧化率達(dá)到最低限度的采礦方法。在生產(chǎn)實(shí)際中，礦石回收率平均88%、貧化率35%。SLC最早應(yīng)用于1962年，主要應(yīng)用在礦山的東采區(qū)，取代“BC”礦體的礦塊崩落法。它的設(shè)計(jì)是以瑞典分段崩落法采準(zhǔn)為基礎(chǔ)。采用SLC能夠取得較高的生產(chǎn)率，到1970年，這種方法使用比例大約占到礦山回采方法的60%。1970年后，由于3＃尾礦庫(kù)下面需要采用尾砂充填采礦法，SLC被停止使用，但在其它崩落法區(qū)域仍然被采用，其生產(chǎn)能力每月降低到10萬(wàn)t。SLC主要缺點(diǎn)是由于礦體傾角比較緩、頂盤(pán)比較穩(wěn)固，且由于賦存于具有較大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的“BC”聯(lián)合礦體，變化大，加上一些采礦的污染物如從覆蓋層填充到采場(chǎng)的砂子，由于具有不同的流動(dòng)特性，故很難形成滿意的覆蓋層。

2.2.4 沿走向后退式回采法

沿走向后退式回采法（Mechanised Strike Retreat，MSR，見(jiàn)圖5）是一種鑿巖道布置在礦體內(nèi)，鑿巖、爆破和出礦在鑿巖道中進(jìn)行的一種崩落法。采場(chǎng)沿礦體走向布置。該法主要適用于礦體傾角超過(guò)70°、厚度小于15m的礦體，更重要的原因是采用空?qǐng)龇ú磺袑?shí)際。為取得最大回收率和最小貧化率，中深孔采用了70°前傾角。這種技術(shù)能阻止出礦掌子面的廢石直接下落，減小爆破拋擲，并能維持下一排扇形炮孔爆破補(bǔ)償空間。垂直方向上，多分段同時(shí)回采時(shí)，兩分段采場(chǎng)作業(yè)面保持45°的梯段下降。典型采場(chǎng)的生產(chǎn)能力為每月在10000～15000t。

目前使用MSR僅僅是作為SLC落礦和MOS采場(chǎng)拉底層崩落的一種過(guò)渡的采礦方法。該采礦方法礦石回收率大約77%，貧化率88%，55%的采準(zhǔn)工程布置在礦體內(nèi)。

2.2.5 由下盤(pán)向上盤(pán)后退式分段崩落法

由下盤(pán)向上盤(pán)后退式分段崩落法（SLC With Hangingwall Retreat）切割槽沿礦體下盤(pán)布置，工作面往礦體上盤(pán)集礦巷道后退，為了控制冒落和保護(hù)出礦進(jìn)路，在礦體走向和傾向上，回采作業(yè)面保持45°的梯段回采順序。礦溜井布置在“A、B”礦帶之間，間距由下部運(yùn)輸?shù)赖沫h(huán)形距離來(lái)確定。

圖5 沿走向后退式回采法

該采礦法的通風(fēng)方式是：在上盤(pán)鑿巖道采用直徑966mm軸流式壓入式風(fēng)機(jī)，在下盤(pán)鑿巖道采用直徑1200mm軸流式抽出式風(fēng)機(jī)；個(gè)別回采作業(yè)面采用直徑480～610mm壓入式風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助通風(fēng)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是采準(zhǔn)廢石量較少。其缺點(diǎn)是：風(fēng)機(jī)風(fēng)筒需求量大，準(zhǔn)備困難；從下盤(pán)斜坡道和通風(fēng)井掘進(jìn)到采場(chǎng)作業(yè)面的聯(lián)絡(luò)道增加了部分采準(zhǔn)工程；只局限于有相同傾角的礦體。

2.2.6 由上盤(pán)向下盤(pán)后退式分段崩落法

為了消除SLC With Hangingwall Retreat內(nèi)在的問(wèn)題，采用了由上盤(pán)向下盤(pán)后退式分段崩落法（SLC With Footwall Retreat，見(jiàn)圖6）。用這種方法后退式回采，需要布置一定數(shù)量的廢石井聯(lián)絡(luò)巷、通風(fēng)巷和出礦點(diǎn)。這種方法通風(fēng)工程布置比較簡(jiǎn)單、風(fēng)筒用量少、下盤(pán)聯(lián)絡(luò)巷使用時(shí)間長(zhǎng)。

圖6 由上盤(pán)向下盤(pán)后退式分段崩落法

采礦順序是從上盤(pán)切割槽開(kāi)始，然后沿穿脈鑿巖道朝下盤(pán)后退式回采。在朝上盤(pán)后退式的同時(shí)，在礦體走向和傾向上，回采作業(yè)面保持45°的梯段回采順序。新鮮風(fēng)流從斜坡道進(jìn)入下盤(pán)鑿巖道后到回風(fēng)天井，作業(yè)面采用直徑480～610mm（19～4英寸）抽出式風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。

3 今后采礦技術(shù)發(fā)展方向

隨著井下開(kāi)采深度進(jìn)一步向下延伸，礦山地壓、井下涌水、排水、通風(fēng)壓力越來(lái)越大，均將對(duì)礦山開(kāi)采生產(chǎn)能力及生產(chǎn)安全造成較大影響。為保證礦山持續(xù)的生產(chǎn)能力，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下礦山正常安全開(kāi)采，提高礦山綜合經(jīng)濟(jì)效益，Mufulira銅礦今后的發(fā)展方向應(yīng)在以下幾個(gè)方面：

（1）開(kāi)展地壓活動(dòng)規(guī)律與礦山開(kāi)采環(huán)境監(jiān)控技術(shù)研究，盡快建立起由人工觀察、微震監(jiān)測(cè)和應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成的地壓監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握開(kāi)采引起的巖體應(yīng)力活動(dòng)和變形規(guī)律、預(yù)測(cè)地壓危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)程度、優(yōu)化開(kāi)采順序和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出地壓控制措施；

（2）開(kāi)展地下水綜合防治技術(shù)研究，加快礦床疏干，減少地下水對(duì)礦山開(kāi)采的影響；

（3）開(kāi)展采礦方法的優(yōu)化研究，優(yōu)化采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與爆破工藝；開(kāi)展降低損失、貧化的研究，優(yōu)化回采技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；

（4）開(kāi)展高壓力等復(fù)雜條件下巷道穩(wěn)定性分析和支護(hù)工藝研究，提高巷道穩(wěn)定性；

（5）開(kāi)展深井開(kāi)采通風(fēng)降溫技術(shù)及通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)研究，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，提高通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率和自動(dòng)化控制程度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量按需調(diào)節(jié)，改善礦井作業(yè)環(huán)境，降低通風(fēng)成本；

（6）開(kāi)展礦山生產(chǎn)科學(xué)管理工程與礦山生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)研究，建立深井礦山開(kāi)采信息可視化集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦山現(xiàn)代化的科學(xué)管理。

［1］陶干強(qiáng)，等.無(wú)底柱分段崩落法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（8）：1269－1272.

［2］趙興東.謙比希礦深部開(kāi)采隔離礦柱穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（1）：2616－2622.

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2011－10－09）

楊清平（1965－），男，湖北孝感人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事采礦技術(shù)研究及應(yīng)用工作。