韓 斌 吳建勛 王 鵬，2 孫 偉 姚 松 蘇先鋒

(1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.吉林板廟子礦業(yè)有限公司，吉林白山134300;3.金誠(chéng)信礦山研究院，北京101500)

板廟子金礦位于吉林省白山市境內(nèi)，礦區(qū)地勢(shì)屬中低山區(qū)，地形較復(fù)雜;礦體內(nèi)溶洞區(qū)發(fā)育，礦巖裂隙及溶洞內(nèi)含大量積水，開(kāi)采地質(zhì)條件惡劣;地表存在大量良田，不允許崩落，礦區(qū)附近有大量建筑及當(dāng)?shù)鼐用瘢瑢?duì)爆破振動(dòng)要求嚴(yán)格［1-4］。針對(duì)上述較為苛刻的采礦條件，板廟子金礦借鑒國(guó)內(nèi)外類(lèi)似礦山的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)［5-12］，借助深孔鑿巖臺(tái)車(chē)、裝藥臺(tái)車(chē)、遙控鏟運(yùn)機(jī)、濕噴臺(tái)車(chē)等一系列先進(jìn)的大型無(wú)軌機(jī)械化設(shè)備［13］，應(yīng)用數(shù)碼雷管高精度爆破、一次爆破成井、靈活多樣的溶洞區(qū)回采技術(shù)［14-15］，試驗(yàn)成功了30 m分段高度的大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦新工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜難采厚大礦體的大規(guī)模、高效、低損失貧化開(kāi)采，對(duì)國(guó)內(nèi)類(lèi)似礦山開(kāi)采具有良好的借鑒作用。

1 開(kāi)采技術(shù)條件

金礦帶賦存層位為上元古界青白口系釣魚(yú)臺(tái)組底部赤鐵石英砂巖與其下伏的下元古界珍珠門(mén)組大理巖不整合面部位的硅化構(gòu)造角礫巖帶。共圈定了4個(gè)工業(yè)礦體，其中I號(hào)礦體為主礦體，II、III、IV號(hào)礦體為次要礦體，III號(hào)礦體為低品位礦體。各礦體地質(zhì)特征見(jiàn)表1。礦體直接圍巖為硅化構(gòu)造角礫巖，上盤(pán)圍巖為釣魚(yú)臺(tái)組石英砂巖，巖層結(jié)構(gòu)完整，為厚層狀的堅(jiān)硬巖石。礦體下盤(pán)巖石是珍珠門(mén)組大理巖，為半堅(jiān)硬－堅(jiān)硬的厚層狀巖石。近礦圍巖多為構(gòu)造角礫巖，在成礦過(guò)程中有一定程度的硅化膠結(jié)，有的地段可能不甚穩(wěn)固，特別是被晚期北西向斷裂切割的地段，巖石有后期的破碎，穩(wěn)定性較差。礦體內(nèi)溶洞區(qū)發(fā)育，單溶洞體積最大達(dá)6 300 m3;礦巖裂隙及溶洞內(nèi)含有大量積水，一次最大突水量曾達(dá)1 700 m3。礦區(qū)地表有大量的良田，附近有部分村民及建筑，地表不允許有大的塌陷。

表1 板廟子金礦礦體地質(zhì)特征Table 1 Geological features of Banmiaozi Gold Mine

2 采礦方法

2.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)

(1)采場(chǎng)布置方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)。采場(chǎng)垂直礦體走向布置，主礦體傾角一般均大于50°，其礦塊構(gòu)成要素見(jiàn)表2，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1;對(duì)于傾角小于50°的部分礦體，分段高度采用15 m，采場(chǎng)長(zhǎng)、寬尺寸依礦體賦存特點(diǎn)確定。

(2)采準(zhǔn)切割工程。主要采準(zhǔn)切割工程包括分段巷道、出礦穿脈巷道、切割天井、上部穿脈鑿巖巷道、上部沿脈鑿巖巷道。分段巷道布置在礦體上盤(pán)，距上盤(pán)礦體15 m;上下分段出礦穿脈巷道兼做切割巷道，用作采場(chǎng)出礦、切割深孔施工、掏槽補(bǔ)償空間和掏槽天井的施工通道;切割天井垂直布置于切割槽(出礦穿脈切割道)的中部，距礦體下盤(pán)的三角區(qū)布置2～3排輔助掏槽炮孔，位置選擇要有利于切割井掏槽和減小掏槽爆破對(duì)下盤(pán)圍巖的破壞;上部穿脈鑿巖巷道用于施工切割井孔、切割掏槽孔、掏槽孔爆破裝藥和作沿脈鑿巖巷道的通道;下部出礦穿脈巷道要與上部穿脈鑿巖道對(duì)齊，便于切割井和切割掏槽爆破出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行處理;上部沿脈鑿巖巷用于中深孔施工和中深孔爆破裝藥。

圖1 大直徑深孔崩礦嗣后膠結(jié)充填采礦法Fig.1 Large diameter long hole drilling with back-cementation-filling mining method

(3)采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)。由于該礦采用無(wú)軌斜坡道開(kāi)拓系統(tǒng)，應(yīng)用遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦，故采用了平底式底部結(jié)構(gòu)［18］。這種底部結(jié)構(gòu)直接利用回采進(jìn)路作為出礦巷道，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)漏斗式或塹溝式底部結(jié)構(gòu)采切工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、施工周期長(zhǎng)的弊病。

2.2 回采工藝

2.2.1 回采順序

自分段巷道掘穿脈道至礦體下盤(pán)，沿礦體下盤(pán)掘沿脈鑿巖道，同時(shí)在下部分段掘出礦穿脈巷至礦體下盤(pán)，并沿礦體走向掘進(jìn)下盤(pán)沿脈道，之后鑿切割天井爆破孔、切割槽垂直深孔及采場(chǎng)扇形中深孔，采用一次爆破成井方式形成切割天井，之后分2～3次爆破形成切割槽，最后一次爆破采場(chǎng)扇形深孔。采用遙控鏟運(yùn)機(jī)由下分段出礦進(jìn)路將礦石裝上后經(jīng)出礦穿脈巷、分段巷搬運(yùn)到分段巷裝車(chē)點(diǎn)，將礦石裝入40 t礦用卡車(chē)運(yùn)至地表礦石堆場(chǎng)(鏟運(yùn)機(jī)裝礦點(diǎn)至裝車(chē)點(diǎn)的距離不超過(guò)250 m)。待出礦完畢后構(gòu)筑充填擋墻，自上分段架設(shè)充填管線實(shí)施空區(qū)充填。其中一期采場(chǎng)采用膠結(jié)充填，二期采場(chǎng)先膠結(jié)打底充填后，再采用廢石非膠結(jié)充填或尾砂非膠結(jié)充填。

2.2.2 鑿巖

礦山采用Simba 1354全自動(dòng)深孔鉆機(jī)配合鉆孔精確定位系統(tǒng)進(jìn)行中深孔鑿巖工作，鑿巖效率為510 m/d，其中深孔鑿巖參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 深孔鑿巖參數(shù)Table 3 Long hole drilling parameters

2.2.3 裝藥及爆破

板廟子金礦采用Normet的MC 605裝藥臺(tái)車(chē)進(jìn)行深孔散裝炸藥的機(jī)械化裝藥，所用炸藥為散裝ANFO炸藥，裝藥效率為0.9 t/h，上向裝藥孔深可達(dá)46 m，綜合返藥量低至0.8%。為最大限度減少爆破對(duì)礦區(qū)周?chē)r(nóng)戶及地表建筑物的影響，以及減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖、充填體的破環(huán)，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用高精度數(shù)字雷管進(jìn)行深孔微差爆破與扇形孔超前拉底爆破，單次爆破最大總裝藥量顯著增加，但單響藥量可控制在75 kg以內(nèi)，很好地降低了爆破震動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境和社區(qū)的影響。礦石損失率由初步設(shè)計(jì)的12%降低至6%以下，表4是高精度數(shù)字雷管爆破與傳統(tǒng)中深孔爆破工藝的參數(shù)對(duì)比。

表4 爆破工藝參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of blasting process parameters

同時(shí)以Simba－H1354導(dǎo)向釬桿精確鑿孔、超大直徑六空孔掏槽、高精度數(shù)字雷管螺旋式微差爆破為手段，實(shí)現(xiàn)了4 m2小斷面條件下高30 m切割井的一次爆破成井施工工藝。

針對(duì)溶洞區(qū)采場(chǎng)裝藥、開(kāi)采難度大的問(wèn)題，采用了如下幾種方法:①對(duì)于較大的溶洞區(qū)，通過(guò)改變爆破順序和回采順序，利用溶洞區(qū)作為補(bǔ)償空間實(shí)施爆破，無(wú)需施工切割天井;②利用“隔山打?！钡谋品绞?，即利用相鄰采場(chǎng)巷道遠(yuǎn)距離鑿孔裝藥爆破等方式，解決溶洞區(qū)無(wú)法掘進(jìn)或鑿巖、裝藥的礦體落礦問(wèn)題，或采用上、下分段相向鑿巖爆破等方式;③對(duì)于規(guī)模較小的溶洞區(qū)，則利用相關(guān)材料加固、修復(fù)炮孔，最大限度避免溶洞區(qū)對(duì)采礦作業(yè)的影響，減少礦石損失。

2.2.4 出礦

礦山采用中深孔鑿巖、全礦房一次爆破方式，采場(chǎng)的暴露面積較大，為此礦山應(yīng)用CAT R1700G大型遙控鏟運(yùn)機(jī)(6 m3)進(jìn)行采空區(qū)的快速出礦工作，出礦效率為120 t/h。鏟運(yùn)機(jī)將礦石從采礦點(diǎn)運(yùn)出后，經(jīng)出礦穿脈巷，分段巷搬運(yùn)到各分段巷裝車(chē)點(diǎn)，再經(jīng)由CAT45 t卡車(chē)通過(guò)斜坡道直接運(yùn)至地表礦倉(cāng)。

2.2.5 支護(hù)

板廟子金礦采準(zhǔn)、切割巷道以往采用干噴+管縫錨桿+樹(shù)脂錨桿的支護(hù)方式，雖然支護(hù)效果良好，但存在干噴混凝土工藝復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境差、混凝土強(qiáng)度低、掛鋼網(wǎng)支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、管縫錨桿錨固力低等諸多缺點(diǎn)［16-17］。經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，上述巷道采用了先進(jìn)的“濕噴混凝土+樹(shù)脂錨桿”機(jī)械化支護(hù)方法，即出渣結(jié)束后先采用Spraymec 1050 WPC濕噴臺(tái)車(chē)噴射纖維混凝土支護(hù)，經(jīng)2～3 h的養(yǎng)護(hù)，采用H282雙臂液壓鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械化安裝樹(shù)脂錨桿，新的支護(hù)工藝使噴射混凝土強(qiáng)度由C10、C15提高至C30，錨桿的錨固力由80 kN提高至200 kN，1個(gè)循環(huán)支護(hù)作業(yè)時(shí)間由原來(lái)的10～12 h縮短至5～6 h。

2.3 充填工藝

板廟子金礦針對(duì)不同工序和特點(diǎn)的采場(chǎng)，應(yīng)用不同充填工藝與料漿輸送方式。形成了以尾砂、廢石等做充填材料，依靠自流、泵送兩大泵送方式進(jìn)行的以尾砂膠結(jié)充填為主，廢石膠結(jié)充填和廢石充填相結(jié)合的充填工藝。有效地控制地壓、保障作業(yè)安全、降低了采礦成本、大幅度減少了廢石對(duì)礦山環(huán)境的破壞。

(1)充填材料。膠結(jié)劑采用32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，礦山所用尾砂采用外購(gòu)尾砂，添加自產(chǎn)廢石破碎后用于井下充填。

(2)充填能力。目前礦山井下生產(chǎn)能力約為75萬(wàn)t/a，年需充填體積約為28萬(wàn)m3/a。充填攪拌站充填能力為1 200 m3/d。

(3)充填系統(tǒng)。充填料漿采用地面集中攪拌制備方式，自產(chǎn)破碎的廢石與鐵礦尾砂采用前裝機(jī)混合后，采用斗車(chē)和皮帶由585 m水平運(yùn)至670 m水平充填攪拌站的臥式攪拌倉(cāng)，與水泥漿均勻攪拌后，經(jīng)充填鉆孔和3條充填管路分別送往南區(qū)、中區(qū)和北區(qū)，完成自流輸送。對(duì)于650 m標(biāo)高以上和局部充填倍線不足，無(wú)法自流充填的采場(chǎng)采用泵送方式充填，充填系統(tǒng)與充填材料提升運(yùn)輸系統(tǒng)見(jiàn)圖2。充填系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 充填系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 5 Main technical parameters of backfilling system

圖2 充填系統(tǒng)及充填材料提升運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.2 Filling system and filling materials hoisting-transportation system

(4)充填體強(qiáng)度要求。一期采場(chǎng)充填時(shí)，首先進(jìn)行10 m高的打底充填，要求充填體強(qiáng)度值為1.2～1.5 MPa，水泥摻入量為14%，之后采用較低強(qiáng)度的膠結(jié)充填，要求充填體強(qiáng)度為0.8～1.0 MPa，水泥摻入量為9%。對(duì)于二期采場(chǎng)，首先進(jìn)行10 m高的打底充填，要求充填體強(qiáng)度值為1.2～1.5 MPa，水泥摻入量為14%，后續(xù)則采用全廢石回填，或采用低強(qiáng)度充填料漿充填，充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.5 MPa，水泥摻入量為6%，上述充填料漿質(zhì)量濃度均為75%［18-19］。

2.4 富水礦體的開(kāi)采

針對(duì)礦體內(nèi)積水量大的特點(diǎn)，采取了如下措施:①采用多種方式封閉地表河床，阻止地表河水灌入井下回采區(qū);②超前施工礦體下部開(kāi)拓巷道，使礦體內(nèi)水位下降至采場(chǎng)最低水平以下，以最大限度減少地下水對(duì)采礦作業(yè)的影響;③加強(qiáng)井下采場(chǎng)通風(fēng)，以盡可能降低井下作業(yè)區(qū)域的濕度［20］。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

針對(duì)富水溶洞區(qū)復(fù)雜難采礦體，該礦基于裝藥臺(tái)車(chē)機(jī)械化裝藥、高精度控制爆破、及遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦、大型機(jī)械化濕噴和鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械化安裝高預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨桿等一系列關(guān)鍵技術(shù)與工藝，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、低成本、高回收率目標(biāo)，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表6。同時(shí)，基于前述新技術(shù)的大量應(yīng)用，大大改善了采礦作業(yè)環(huán)境，降低了采礦勞動(dòng)強(qiáng)度，固體廢棄物充填也改善了礦山環(huán)境，取得了顯著的社會(huì)效益。

表6 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)Table 6 Main economic and technical indexes

3 結(jié)論

(1)大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法在板廟子金礦的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了溶洞區(qū)復(fù)雜難采礦體的高效、安全開(kāi)采。分段高度30 m的采場(chǎng)鉆孔深度達(dá)46 m，鑿巖機(jī)生產(chǎn)效率為510 m/d，遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦效率達(dá)120 t/h，單采場(chǎng)生產(chǎn)能力2 000 t/d，自流充填的料漿濃度為72% ～78%，充填能力為110 m3/h。

(2)利用遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦安全性好的優(yōu)勢(shì)，采用了平底式底部結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)漏斗式或塹溝式底部結(jié)構(gòu)采切工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、施工周期長(zhǎng)的弊病。傾角大于50°的礦體，采用30 m高分段采礦，減少了采切工程，并通過(guò)散裝ANFO炸藥機(jī)械化裝藥、高精度數(shù)字雷管微差爆破，實(shí)現(xiàn)了大藥量、低震動(dòng)采場(chǎng)控制爆破，使采礦回收率達(dá)到94%，貧化率控制在7%以內(nèi)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了4 m2小斷面切割天井的一次爆破成井施工工藝。根據(jù)不同的溶洞賦存位置和體積，通過(guò)優(yōu)化爆破回采順序、修復(fù)炮孔、“隔山打?！北频榷喾N方式，有效解決了溶洞區(qū)的采礦難題。

(3)采用Atlas Simba 1354深孔鑿巖臺(tái)車(chē)、Normet MC 605裝藥臺(tái)車(chē)、CAT R1700G遙控鏟車(chē)、CAT45t卡車(chē)、Normet Spraymec 1050 WPC濕噴臺(tái)車(chē)、H282雙臂液壓鑿巖臺(tái)車(chē)等一大批先進(jìn)的無(wú)軌機(jī)械化采礦設(shè)備，大幅度提高了采礦效率，降低了井下作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效改善了井下作業(yè)環(huán)境。

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