徐 恒 王貽明 艾純明 劉曉輝

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

冒頂片幫和礦坑突水是典型的金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害，是由礦山開采活動(dòng)直接誘發(fā)的人為地質(zhì)災(zāi)害。冒頂片幫是是礦山開采導(dǎo)致的最直接的地質(zhì)災(zāi)害，也是礦山生產(chǎn)安全的主要危害。研究表明，頂板冒落可分為地質(zhì)構(gòu)造因素造成的冒落、應(yīng)力集中造成的冒落和設(shè)計(jì)回采過程中的潛在問題造成的冒落三類［1］。而礦井底板突水災(zāi)害是地下采礦過程中由底板薄弱通道溝通底部含水層和采掘空間進(jìn)而影響礦井正常和安全生產(chǎn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，造成人員和財(cái)產(chǎn)的損失。礦坑突水是金屬礦山多發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，其突發(fā)性強(qiáng)、規(guī)模大、后果嚴(yán)重。礦坑突水已成為金屬礦山的主要地質(zhì)災(zāi)害［2］。地下水和礦山壓力是在突水中經(jīng)常起作用的來源［3］。

針對冒頂片幫和礦坑突水危險(xiǎn)，各礦山采用了多種措施進(jìn)行防治。目前礦山主要采用的防治頂板冒落的措施有:預(yù)留礦柱、人工支護(hù)、人工假頂、切頂和預(yù)留護(hù)頂層等，如云南馳宏鋅鍺股份有限公司麒麟廠礦采用人工充填混凝土形成人工礦柱，有效防止了頂板大面積冒落［4］;蒙自礦冶公司白牛廠礦山采用水壓支柱護(hù)頂，進(jìn)行連續(xù)采礦［5］;鳳凰山銅礦則采用長錨索、短錨桿聯(lián)合護(hù)頂技術(shù)，大大降低了冒頂片幫事故的發(fā)生［6］;內(nèi)蒙獲各琦銅礦針對采礦過程中出現(xiàn)的頂板冒落和局部層狀脫落問題，采用15 m 長錨索支護(hù)，局部問題采用短錨索［7］;康家灣礦區(qū)深部礦體采用預(yù)留護(hù)頂層的方法來對破碎頂板進(jìn)行控制等［1］。對于礦坑突水，無法利用單一的方案進(jìn)行有效的治理，通常需要進(jìn)行多種措施的綜合利用，單一的防治措施主要有留設(shè)礦巖柱、帷幕注漿堵水、放水降壓、超前探水等，如高陽鐵礦即采用注漿堵水和放水降壓等綜合性的防治水措施［8］。另外，為了更安全地采出地下礦石資源，防止引發(fā)井下突水事故，合理選用對圍巖破壞小，減小爆破震動(dòng)的爆破方法也是十分可取的。

在礦山頂板破碎、礦山富水的背景下，根據(jù)礦山地質(zhì)構(gòu)造地應(yīng)力特征、礦體產(chǎn)狀、采區(qū)應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化以及采礦工程巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，合理的選擇采礦方法、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、地壓控制技術(shù)等，結(jié)合礦山開采技術(shù)朝著高效率采礦、無廢害采礦和連續(xù)采礦的趨勢，進(jìn)行機(jī)械化開采，實(shí)現(xiàn)頂板破碎富水礦山的安全高效開采和礦產(chǎn)資源的充分利用，兼顧礦石回采率、貧化率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 采礦方法選擇與采場布置

1.1 開采技術(shù)條件

華東某銅礦為典型的頂板破碎富水礦山。礦山主要有1#與2#礦體，兩者地質(zhì)賦存條件類似。2#礦體已開采完畢，采礦方法主要為點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法，采用水砂充填。1#礦體平均厚度12 m，礦體長度540 m，礦體傾角為傾角70° ～85°，為急傾斜中厚礦體。礦體形態(tài)沿走向呈彎曲的透鏡似板狀，底部有分支復(fù)合現(xiàn)象。礦石堅(jiān)硬穩(wěn)固;礦體上盤為花崗閃長巖，易風(fēng)化，大部已蝕變，吸水變軟，極易成土，屬于不穩(wěn)固巖石;下盤為大理巖，穩(wěn)固性較好，屬穩(wěn)固性巖石。礦石體重3.6 t/m3，松散系數(shù)1.6，礦石地質(zhì)儲(chǔ)量共計(jì)580 萬t，平均地質(zhì)品位1.3。礦區(qū)地表為森林，樹木多以杉木等經(jīng)濟(jì)樹種為主，應(yīng)避免地表塌陷。

礦床工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。1#礦體頂板構(gòu)造破裂較為嚴(yán)重，在2#礦體開采歷史上曾多次發(fā)生冒頂事故，且礦體頂部已被民采破壞，形成容水老窿，對下部礦體開采安全性造成威脅。礦體富水性較強(qiáng)，底板巖溶化較強(qiáng)，裂隙溶洞發(fā)育，與1#礦體地質(zhì)條件一致的2#礦體在開采過程中多次發(fā)生突水災(zāi)害。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來源，礦區(qū)夏季常有暴雨，存在嚴(yán)重的礦坑突水隱患。

在控制地表塌陷和提高礦石回收率方面，充填法具有地壓控制好、回收率高、貧化率低和生產(chǎn)安全性等多方面優(yōu)勢，根據(jù)該礦復(fù)雜的地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定情況，確定為機(jī)械化上向水平分層充填采礦法。在充填材料的選取上，根據(jù)目前國內(nèi)礦山的充填經(jīng)驗(yàn)和研究進(jìn)展，選取復(fù)合型高水速凝材料及尾砂為礦山所用的充填材料，局部地區(qū)進(jìn)行廢石回填。研究表明，高水速凝膠結(jié)充填技術(shù)能有效克服料漿離析與泌水問題，形成的充填體具有均質(zhì)、整體性好、早期強(qiáng)度高等良好的技術(shù)性能，適用于分層采礦技術(shù)。

1.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采順序

沿走向布置礦段，采場長度60 m，開采寬度為礦體厚度，階段高為60 m，分段高度12 m，分層高度3 m。采場間開采順序?yàn)閺纳舷蛳?，采場?nèi)回采順序?yàn)閺膬啥讼蛑醒氲暮笸耸介_采。

1.3 采準(zhǔn)切割工程布置

采準(zhǔn)工程可分為脈內(nèi)采準(zhǔn)巷道和脈外采準(zhǔn)巷道。脈外階段運(yùn)輸巷用于礦石運(yùn)輸、材料設(shè)備和通風(fēng)、行人。在采場頂端位置掘進(jìn)總回風(fēng)平巷，與回風(fēng)井和各階段相通。為了便于探礦和通風(fēng)，從階段運(yùn)輸巷道掘進(jìn)穿脈巷道，斷面為2.0 m ×2.0 m。從穿脈巷道掘脈內(nèi)通風(fēng)人行天井(充填天井)與上階段和總回風(fēng)平巷聯(lián)通，形成貫穿風(fēng)流，天井內(nèi)設(shè)充填管道和人行梯子，兼作礦房的安全出口，斷面為2.0 m×2.0 m。沿運(yùn)輸巷道布置順路濾水井。采用鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行出礦，在階段運(yùn)輸巷道一側(cè)掘進(jìn)斜坡道，經(jīng)各分段巷道與回采工作面聯(lián)通，每條分段巷道負(fù)擔(dān)下、中1、中2、上共4個(gè)分層的回采，供人員、材料和設(shè)備進(jìn)入采場。在采場中部礦體的下盤脈外掘進(jìn)溜礦井，斷面為2.0 m ×2.0 m。切割工作主要為拉底巷道，并以此為自由面擴(kuò)大至采場邊界，形成拉底空間。

綜合考慮銅礦價(jià)值和礦山生產(chǎn)安全等多方面因素，為了提高礦石回收率，減少底柱損失，并為下階段回采頂柱創(chuàng)造條件，保障下階段生產(chǎn)安全，采用人工底柱。人工底柱的構(gòu)筑采用鋼筋混凝土假底的形式，用混凝土澆灌。

1.4 回采工藝

分段回采自下而上逐層進(jìn)行，并且超高一個(gè)分層作為回采下一分層的作業(yè)空間。以穿脈為作業(yè)空間，向采場兩邊回采至礦段端部，以穿脈為界將礦段分成2 個(gè)分區(qū):分區(qū)一與分區(qū)二，分區(qū)長度30 m，分區(qū)一超前分區(qū)二回采，充填時(shí)分區(qū)一采用膠結(jié)充填，分區(qū)二采用尾砂充填。每一個(gè)工作循環(huán)主要包括:鑿巖、爆破、通風(fēng)、撬毛、出礦、頂板支護(hù)、充填等工序，采礦方案見圖1。

圖1 機(jī)械化上向水平分層充填采礦法采礦方案Fig.1 Scheme of the mechanized upward horizontal cut-and-fill stoping

根據(jù)《有色金屬礦山地下開采生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》，頂板不穩(wěn)固時(shí)，允許暴露的面積應(yīng)控制在100 m2以內(nèi)，長期暴露則需支護(hù)。采場支護(hù)的重點(diǎn)為采場靠近上盤的一幫和頂板，在同一分層回采中，首先回采下盤穩(wěn)固部分，再逐漸推進(jìn)至上盤不穩(wěn)固部分，這個(gè)過程中，根據(jù)頂板破碎程度進(jìn)行頂板支護(hù)，支護(hù)采用長錨索加短錨桿聯(lián)合支護(hù)，在部分破碎嚴(yán)重區(qū)域預(yù)留條帶礦柱，同時(shí)采用ZYH－W150 頂板位移監(jiān)測儀進(jìn)行地壓監(jiān)測，在進(jìn)行鑿巖爆破之前，先進(jìn)行采場頂板檢查，嚴(yán)格實(shí)行安全管理，從基礎(chǔ)上防治頂板冒落。

1.4.1 鑿巖爆破

采用YSP44 向上式氣動(dòng)鑿巖機(jī)，淺孔落礦，孔徑為46 mm，一般孔深為4 m?？拙W(wǎng)布置形式采用方形布孔，孔距1.38 m，排距1.38 m，裝藥采用連續(xù)耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥采用2 號(hào)礦山巖石炸藥。每次爆破采高3 m，即1 個(gè)分層高度。每次爆破5 ～7 排炮孔，當(dāng)回采靠近上盤圍巖時(shí)，設(shè)計(jì)采用光面爆破，用微差電雷管爆破，以減小爆破震動(dòng)，降低對圍巖的擾動(dòng)。

1.4.2 通風(fēng)、撬毛

礦山采用中央對角式抽出式通風(fēng)，主扇安裝在地表。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)采用棋盤式，在礦體頂部開鑿了1 條總排風(fēng)道，沿礦體走向每隔一定距離保留一條貫通上下各階段的集中排風(fēng)天井，各天井與階段運(yùn)輸巷道交叉處用風(fēng)橋跨過，各排風(fēng)天井均與上部總排風(fēng)道相連，階段運(yùn)輸巷道與采場排風(fēng)道溝通。新鮮風(fēng)由各階段運(yùn)輸平巷進(jìn)入采場，污風(fēng)通過采場排風(fēng)道進(jìn)入排風(fēng)天井直接到總排風(fēng)道。采場風(fēng)流方向:階段運(yùn)輸巷道→采場作業(yè)面→通風(fēng)天井→總排風(fēng)道。

鑿巖爆破后，用30 ～45 min 左右進(jìn)行通風(fēng)清洗工作面。待炮煙排凈后，安全工人進(jìn)入采場檢查頂板，清除浮石，并進(jìn)行頂板支護(hù)。

1.4.3 采場搬運(yùn)

廢石出碴:采場開始開采時(shí)，底板廢石爆破后，采用0.30 m3的CT500HE 型微型柴油鏟運(yùn)機(jī)，運(yùn)搬廢石至廢石溜井，經(jīng)過礦車運(yùn)輸至主井提升至地表，并卸至廢石場。當(dāng)回采礦石作業(yè)空間形成后，留存部分廢石，后期鏟至尾砂充填區(qū)，進(jìn)行廢石－尾砂充填，以節(jié)省成本，同時(shí)更好地促進(jìn)礦山安全、高效開采。

礦石出礦:礦石崩落后，用WJ －1.5 內(nèi)燃鏟運(yùn)機(jī)搬運(yùn)至礦石溜井，放至階段運(yùn)輸巷道后，采用架線式ZK7 －7/250 型電機(jī)車牽引YCC4(7)型側(cè)卸式礦車運(yùn)輸，礦石由主井提升后運(yùn)至地表。

1.4.4 采場護(hù)頂

礦山在開采過程中，采用長錨索、短錨桿聯(lián)合加固技術(shù)，錨索深度6 m，網(wǎng)度小于4 m×4 m，錨桿深度2.2 m，網(wǎng)度小于1.5 m ×1.5 m，在部分構(gòu)造發(fā)育嚴(yán)重的部位，進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)，或視情況在上盤處留條帶狀礦柱，在主礦體回采結(jié)束后，再考慮進(jìn)行礦柱部分回收。

1.4.5 采場充填

充填沿用礦山已有的充填站和充填系統(tǒng)，主要系統(tǒng)工藝包括脫泥儲(chǔ)砂系統(tǒng)、尾膠制漿系統(tǒng)和井下輸砂系統(tǒng)，充填管道從每個(gè)礦段的回風(fēng)井進(jìn)入采場進(jìn)行充填作業(yè)。分層采完后，為了節(jié)約成本和保障下一礦段開采的安全，對不同分區(qū)采用不同的充填方式。膠結(jié)充填一分區(qū)，形成人工礦柱，強(qiáng)度較高(大于2 MPa)，二分區(qū)進(jìn)行全尾砂充填。充填前，砌筑磚擋墻將充填區(qū)域封閉，一分區(qū)與二分區(qū)之間構(gòu)筑尾砂草袋隔墻。膠結(jié)充填材料為復(fù)合型高水速凝材料和尾砂，充填濃度達(dá)到68%，水泥用量為170 kg/m3，充填能力可達(dá)65 m3/h，充填1 d 后抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.5 MPa，3 d 后達(dá)2 MPa 以上，滿足強(qiáng)度要求，且充填后不用脫水。在二分區(qū)充填至距離頂板約3 m 左右時(shí)，利用復(fù)合型高水速凝材料和尾砂膠結(jié)鋪面，鋪面厚度在0.3 m 左右，增大充填體的表面強(qiáng)度，以利于鏟運(yùn)機(jī)和鑿巖機(jī)運(yùn)行，提高出礦和鑿巖效率。為了加強(qiáng)頂板穩(wěn)固性，進(jìn)行上盤接頂充填。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

經(jīng)礦山開采實(shí)踐，將其與礦山原本采用的點(diǎn)柱式分層尾砂充填法進(jìn)行比較，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)(除炸藥單耗和采礦成本外)，見表1，有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益。相對于礦山2#礦體開采所采用的點(diǎn)柱式上向分層充填開采，機(jī)械化開采采用了完備系統(tǒng)的支護(hù)方案和監(jiān)測手段，開采的安全性更高。

表1 采場技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of technical and economic index of stope

由于采用光面爆破等控制爆破震動(dòng)的爆破方案，造成炸藥單耗和直接成本有所增大;為增大充填體強(qiáng)度和提高采礦效率，采用了膠結(jié)充填，充填成本也有所上升，但總體上礦山作業(yè)安全得到良好保障，生產(chǎn)能力提升效果也極為顯著，因而在炸藥單耗和采礦成本一定程度上的增大對于礦山生產(chǎn)是有益的。

3 結(jié) 論

(1)針對礦山頂板破碎和富水的特性，結(jié)合礦山開采經(jīng)驗(yàn)，變更點(diǎn)柱式上向分層充填采礦為機(jī)械化上向分層充填，采場生產(chǎn)能力提高1/3 左右，實(shí)現(xiàn)了資源的高效開發(fā)利用。

(2)采用機(jī)械化開采，機(jī)械化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，采礦工效高，礦石回收率高、貧化率低，相較于點(diǎn)柱式回采，回收率提升4%，貧化率降低了0.4%，礦石大塊率減小，降低了二次破碎和選礦成本。

(3)采用人工底柱、礦柱的回采方案，大幅度優(yōu)化了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，最大程度地回收銅礦資源;利用礦山自身生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水、廢石、尾礦等材料進(jìn)行充填，減少了建立尾礦庫等相關(guān)設(shè)施的費(fèi)用，具有良好的環(huán)境和社會(huì)效益;礦山支護(hù)方法的系統(tǒng)化，可有效控制和管理地壓，降低頂板冒落和礦山突水風(fēng)險(xiǎn)。

(4)采用采場分區(qū)充填，在盡可能增大充填體強(qiáng)度的同時(shí)也控制了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了充填采礦法在防治礦山突水方面的能力，同時(shí)提升膠結(jié)充填強(qiáng)度也能減少甚至于避免留礦柱，在提升礦石回采率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)采場的快速回采。

(5)在礦山的工程實(shí)踐中，技術(shù)指標(biāo)為:采礦工效為200 ～250 t/班，礦石回采率可達(dá)92%以上，貧化率控制在7%以內(nèi)，雖然由于加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測、提高充填強(qiáng)度而導(dǎo)致采礦成本有所提高，但總體來說，機(jī)械化開采頂板破碎富水礦山是一種指標(biāo)先進(jìn)、工藝合理、作業(yè)安全的采礦方法，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。

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