胡天壽 詹立榮 王 宇

(1.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司)

對(duì)于露天與地下聯(lián)合開(kāi)采的礦山，理論上露天開(kāi)采坑底位置越淺，地下開(kāi)采采場(chǎng)距露天坑底越深，越有利于隔離層的整體穩(wěn)定。然而，目前不少礦山由于露天開(kāi)采生產(chǎn)能力大、作業(yè)安全等優(yōu)勢(shì)，露天開(kāi)采下降速度遠(yuǎn)大于井下開(kāi)采下降速度，導(dǎo)致之前預(yù)留的隔離層厚度不斷降低。由于露天爆破振動(dòng)以及地下開(kāi)采擾動(dòng)的影響，若隔離層厚度過(guò)小，其能否保持穩(wěn)定性、保證露天和地下同時(shí)開(kāi)采安全等問(wèn)題將變得復(fù)雜和不可確定[1-2]。此時(shí)，地下開(kāi)采可能會(huì)突然發(fā)生崩落破壞，給地下采場(chǎng)造成強(qiáng)動(dòng)力的沖擊。隔離層發(fā)生崩落破壞時(shí)產(chǎn)生的壓縮空氣從連通的巷道泄出，速度極高，形成具有極大破壞性的空氣沖擊波，給井下作業(yè)人員及設(shè)備帶來(lái)極大危險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致礦井報(bào)廢[3-5]。而留設(shè)的隔離層厚度過(guò)大又必然會(huì)造成資源的浪費(fèi)，即使采用露采方式在生產(chǎn)后期對(duì)隔離層進(jìn)行回收，其回采率也較低，回收時(shí)工藝難度也更加復(fù)雜。另外，隔離層厚度過(guò)大，也不利于目前礦山的產(chǎn)量平衡和穩(wěn)定。因此，隔離層需要根據(jù)實(shí)際開(kāi)采的情況及時(shí)做出調(diào)整，并對(duì)排產(chǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化，以確?；夭傻陌踩唾Y源的回收。

1 工程概況

永平銅礦為一座大型露天地下聯(lián)合開(kāi)采礦山，產(chǎn)品為銅精礦和硫精礦。露天開(kāi)采于1984年投產(chǎn)，地下開(kāi)采采用兩步驟分段空?qǐng)鲭A段出礦嗣后充填法，于2009年投產(chǎn)。目前礦山整體開(kāi)采規(guī)模為10 000 t/d，露天和地下各5 000 t/d。

露天開(kāi)采設(shè)計(jì)最低標(biāo)高為-50 m，地采中段高度為50 m，首采-100 m中段，在露采和地采之間留設(shè)+0～-50 m標(biāo)高共50m作為臨時(shí)隔離層。由于露采的下降速度遠(yuǎn)大于地采的下降速度，目前隔離層的最小厚度為42 m，沒(méi)有發(fā)生貫穿破壞，尚處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著開(kāi)采的加劇，預(yù)留的隔離層厚度將不斷減小。因此，隔離層需要根據(jù)實(shí)際開(kāi)采的情況及時(shí)作出調(diào)整，并優(yōu)化產(chǎn)量銜接工作。

2 隔離層調(diào)整方案

礦山井下目前回采-100 m中段，西部采場(chǎng)與露天采場(chǎng)間厚度遠(yuǎn)大于50 m，穩(wěn)定性基本不受影響；而東部采場(chǎng)位于露天坑下方，是受隔離層影響的主要區(qū)域。其一步驟礦柱已全部充填完畢，二步驟礦房部分已充填，部分已回采尚未充填，剩余部分尚未開(kāi)采。因此，考慮到后期排產(chǎn)的連續(xù)性，本研究推薦以-100 m中段東部盤區(qū)露天正下方的部分采場(chǎng)區(qū)域?yàn)樾碌母綦x層位置，優(yōu)先進(jìn)行回采充填作業(yè)，將礦石置換出來(lái)后，以此部分連續(xù)充填體為新的隔離層。

為了保證露天與地下在同一垂直面作業(yè)時(shí)的隔離層厚度始終不小于50 m，本研究對(duì)新隔離層在-100 m 中段的水平范圍進(jìn)行了極限分析。

根據(jù)礦山排產(chǎn)，露天開(kāi)采終了境界的最低工作平臺(tái)標(biāo)高為-50 m。露天終了境界與-100 m中段東部盤區(qū)的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖1。

從圖1可知，-100 m中段E1～E7盤區(qū)均位于露天開(kāi)采下方，其采場(chǎng)的位置與露天坑底的距離表明，這部分采場(chǎng)的回采對(duì)露天開(kāi)采存在不同程度的影響。其中，E2、E3、E4盤區(qū)的全部采場(chǎng)都處于露天終了境界最小工作平臺(tái)(-50 m)的正下方；E1和E5盤區(qū)的部分采場(chǎng)位于露天終了境界邊坡下方；E6和E7盤區(qū)位于露天終了境界側(cè)翼(-30 m平臺(tái)側(cè)翼)。

若露天坑繼續(xù)向+0 m以下延伸，則隔離層小于50 m的尚未充填的采場(chǎng)包括E1-4(1)(單個(gè)采場(chǎng)內(nèi)礦塊編號(hào)，下同)、E1-4(2)、E1-6(1)、E1-6(2)、E1-6(3)、E2-1(2)、E2-3(2)、E2-5(2)、E2-7(1)、E2-7(2)、E2-7(3)、E3-4、E4-3、E5-1、E5-3、E5-7、E6-2、E6-4、E6-6、E7-1、E7-3。

因此，為保證隔離層厚度不小于50 m，設(shè)置E1～E7盤區(qū)中尚未充填的這21個(gè)采場(chǎng)和已充填完的采場(chǎng)一起形成的連續(xù)充填體為新的隔離層?？紤]到露天臺(tái)階下降的時(shí)間不一，新隔離層的充填時(shí)間、緊緩次序亦有不同。總體順序是根據(jù)露天臺(tái)階推進(jìn)方向和臺(tái)階下降時(shí)間，優(yōu)先充填露天終了境界最小工作平臺(tái)正下方E2、E3、E4盤區(qū)，然后充填露天終了境界邊坡下方的E1和E5盤區(qū)部分采場(chǎng)，最后充填露天終了境界側(cè)翼E6和E7盤區(qū)，確保露天臺(tái)階推進(jìn)和下降到-50 m標(biāo)高前，地下采場(chǎng)已充填完畢，形成新隔離層。

3 露坑聯(lián)采產(chǎn)量銜接方案

為了保證露天地下聯(lián)合開(kāi)采的安全，露天臺(tái)階的下降必須在新隔離層設(shè)置完成后，即相應(yīng)采場(chǎng)形成連續(xù)充填體后才能進(jìn)行。因此，對(duì)應(yīng)工作面之間的回采順序顯得尤為重要。通過(guò)合理的產(chǎn)量銜接方案及排產(chǎn)順序，確保在隔離層調(diào)整期礦山的生產(chǎn)能力不發(fā)生大的波動(dòng)。

3.1 露天坑-2 m臺(tái)階保有礦巖量及服務(wù)期核算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，+90 m臺(tái)階以上露天境界已經(jīng)剝采完成，故以+90 m臺(tái)階為上部邊界，制作露天現(xiàn)狀境界與露天終了境界的復(fù)合實(shí)體三維模型，見(jiàn)圖2。通過(guò)布爾運(yùn)算，得到理論上目前-2 m臺(tái)階以上的露天境界內(nèi)保有礦巖量(露天終了境界內(nèi)礦巖量--2 m臺(tái)階以下保有礦巖量-露天現(xiàn)狀境界內(nèi)礦巖量)。

圖1 露天終了境界與-100 m中段東部盤區(qū)的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系示意

圖2 露天開(kāi)采境界三維模型

通過(guò)三維體積計(jì)算可知，-2 m臺(tái)階以上保有礦巖的總體積為260.88萬(wàn)m3。礦巖比例按1∶1.7進(jìn)行反算，得出三維模型中-2 m臺(tái)階以上保有礦量為282.58萬(wàn)t，廢石量為468.35萬(wàn)t。此結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)提供的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

3.2 露采剩余礦量(不含新開(kāi)臺(tái)階)服務(wù)年限

礦山工作制度為330 d/a。按照露天165萬(wàn)t/a(15萬(wàn)t/月)的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行核算，截止到2017年4月底，露天開(kāi)采-2 m臺(tái)階以上的剩余保有礦量為206.10萬(wàn)t。若露天坑暫時(shí)不向下延伸，則-2 m臺(tái)階以上的礦石僅夠服務(wù)13.7個(gè)月(1.25 a)。

3.3 新隔離層設(shè)置所需時(shí)間

目前-100 m中段一步驟礦柱已全部充填完畢。二步驟礦房中E2-1(1)、E3-2、E3-6、E4-1、E4-5、E5-5已充填完畢；E2-1(2)、E2-5(2)、E6-4已回采完畢，正在充填；E1-4(1)、E2-7(1)、E4-3、E5-1正在回采；剩余礦房尚未回采。各采場(chǎng)的剩余礦量和需充填體積見(jiàn)表1。

-100 m中段東部盤區(qū)出礦能力為13萬(wàn)t/月，充填能力為3.45萬(wàn)m3/月。經(jīng)詳細(xì)分解到具體采場(chǎng)，則單個(gè)采場(chǎng)最大出礦能力為4.1萬(wàn)t/月，單個(gè)采場(chǎng)最大充填能力為3萬(wàn)m3/月。因此，若不考慮采場(chǎng)平行回采，要完成所有隔離層區(qū)域采場(chǎng)的回采作業(yè)，至少需要23.7個(gè)月(973 214/41 000)；若不考慮采場(chǎng)充填的先后順序，要完成所有隔離層采場(chǎng)的充填作業(yè)，至少需要13.3個(gè)月(399 396/30 000)。

考慮到有5個(gè)采場(chǎng)已回采完，可直接進(jìn)行充填，即新隔離層位置的采場(chǎng)可同步進(jìn)行回采和充填，則要完成隔離層連續(xù)充填體設(shè)置，至少需要23.7個(gè)月?？紤]1.2的工序銜接補(bǔ)償系數(shù)，完成隔離層連續(xù)充填體設(shè)置，共需要28.4個(gè)月。具體工期安排見(jiàn)表2。

表1 各采場(chǎng)的剩余礦量和需充填體積

表2 新隔離層設(shè)置工期安排

4 排產(chǎn)優(yōu)化及進(jìn)度安排

4.1 排產(chǎn)優(yōu)化原則

要完成新設(shè)隔離層中21個(gè)采場(chǎng)的回采、充填工作(其中有5個(gè)采場(chǎng)已回采)，至少需要28.4個(gè)月，而目前露天坑-2 m臺(tái)階以上的礦量?jī)H夠維持13.7個(gè)月穩(wěn)產(chǎn)服務(wù)期。若在完成整個(gè)隔離層的設(shè)置后再向下延伸露天坑，則露采有14.7個(gè)月的停工期。為解決這14.7個(gè)月露天產(chǎn)量差額，提出了2種方案：

(1)方案一，露采減產(chǎn)。

(2)方案二，優(yōu)化新隔離層設(shè)置，露采提前向下延伸。

考慮到礦山實(shí)際，露采減產(chǎn)將帶來(lái)一系列問(wèn)題。因此，推薦方案二。

原則上，對(duì)應(yīng)下溝位置的采場(chǎng)先進(jìn)行充填置換，形成充填隔離層，保證上下對(duì)應(yīng)工作面的隔離層保持50 m以上。如此，分批次在對(duì)應(yīng)位置設(shè)置隔離層后，上部露采即可向下延伸。

4.2隔離層設(shè)置排產(chǎn)優(yōu)化

根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，露天坑下坑位置與露天終了境界最小工作平臺(tái)在水平投影方向基本一致。只要保證露天坑向下延伸時(shí)，其水平投影方向?qū)?yīng)的-100 m 中段相應(yīng)位置充填體隔離層已設(shè)置完畢即可。因此，新隔離層分區(qū)域按順序進(jìn)行設(shè)置。

根據(jù)新隔離層與露天終了境界最小工作平臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系，分3個(gè)階段進(jìn)行采場(chǎng)的回采充填。具體設(shè)置順序見(jiàn)圖3。

4.3 新隔離層設(shè)置工期優(yōu)化

結(jié)合礦山的實(shí)際情況，對(duì)新隔離層設(shè)置的工期優(yōu)化應(yīng)滿足如下原則：

(1)由于E2-7、E1-4、E1-6采場(chǎng)厚度較大，內(nèi)部設(shè)計(jì)有2～3個(gè)小采場(chǎng)，以間柱隔開(kāi)。為保證鑿巖、爆破及通風(fēng)的順暢，這3個(gè)大采場(chǎng)內(nèi)部回采時(shí)只能按順序回采。

(2)在滿足出礦能力的前提下，大部分采場(chǎng)可平行回采。

(3)由于充填能力和充填管道數(shù)量的限制，采場(chǎng)只能按順序進(jìn)行充填。

(4)為保證圍巖的穩(wěn)定性，采場(chǎng)回采后應(yīng)及時(shí)組織充填。

各期作業(yè)區(qū)的進(jìn)度安排見(jiàn)表3。

由表3可知，露天終了境界正下方的一期區(qū)域共有8個(gè)未充填采場(chǎng)，其中有3個(gè)已回采完，可以直接充填。當(dāng)一期充填體隔離層全部設(shè)置完成后，露天開(kāi)采下溝區(qū)域距最小工作平臺(tái)(-50 m標(biāo)高)間的礦巖均可進(jìn)行剝離和回采。從產(chǎn)量銜接方面看，一期充填體隔離層全部設(shè)置完成需8.8個(gè)月,而-2 m臺(tái)階以上礦量服務(wù)期為13.7個(gè)月，略大于隔離層設(shè)置時(shí)間，可以順利下溝，露采產(chǎn)量能夠保持平穩(wěn)。待所有充填體新隔離層全部設(shè)置完成，露天臺(tái)階即可向北面擴(kuò)幫，穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖3 新隔離層設(shè)置順序

表3 各期作業(yè)區(qū)進(jìn)度安排

注：表中黑色線條為回采工期，灰色線條為充填工期。

為防止地表陷落，地下開(kāi)采設(shè)計(jì)采用分段空?qǐng)鏊煤蠓旨?jí)尾砂膠結(jié)充填法，相關(guān)研究結(jié)果顯示，地下采場(chǎng)頂板所受應(yīng)力及沉降量均在安全范圍內(nèi)，充填體強(qiáng)度滿足采礦安全需要。因此，充填體形成的新隔離層可有效支撐圍巖，滿足采礦安全需求。

5 相關(guān)安全技術(shù)措施

(1)嚴(yán)格控制露天地下深孔爆破作業(yè)最大單響藥量，降低爆破振動(dòng)的相互影響。露天爆破作業(yè)時(shí)，正下方地下采場(chǎng)作業(yè)人員暫時(shí)撤離，爆后加強(qiáng)采場(chǎng)和巷道頂板檢查，出現(xiàn)隱患及時(shí)處理。

(2)加快一期新隔離層區(qū)域內(nèi)采場(chǎng)的回采和充填，在此之前，-2 m臺(tái)階不得往下延伸。

(3)加強(qiáng)地下采空區(qū)上覆巖層和露天邊坡監(jiān)測(cè)，建立預(yù)警機(jī)制，對(duì)位移異常區(qū)域及時(shí)采取支護(hù)、充填、封閉等安全措施，防止地表坍塌而發(fā)生安全事故[6]。

(4)在地下開(kāi)采巖體移動(dòng)界線以外的來(lái)水方向增設(shè)防洪堤、截水溝攔截地表徑流，露天采區(qū)增設(shè)排水設(shè)備，地下確保排水排泥設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以應(yīng)對(duì)露天來(lái)水涌入井下。

6 結(jié) 論

(1)排產(chǎn)優(yōu)化后，可在露天剩余礦巖量服務(wù)年限內(nèi)完成新隔離層設(shè)置，按進(jìn)度工期安排地下采掘及充填不會(huì)影響露天采剝按計(jì)劃推進(jìn)，可確保露坑采礦規(guī)模保持10000t/d，生產(chǎn)能力不發(fā)生大的波動(dòng)。

(2)露天坑底及地下采場(chǎng)頂板對(duì)應(yīng)工作面之間的隔離層厚度始終大于50 m，滿足隔離層安全距離要求。

(3)采用分級(jí)尾砂膠結(jié)充填工藝，新隔離層(充填體)自立性好，強(qiáng)度高，可有效支撐地下采場(chǎng)圍巖，不會(huì)出現(xiàn)大的沉降和破壞，露天邊坡也可保持穩(wěn)定。

(4)有效解決了預(yù)留隔離層厚度不斷降低、回采安全性不斷下降、露坑產(chǎn)能銜接不平穩(wěn)等問(wèn)題，對(duì)類似礦山過(guò)渡期決策和生產(chǎn)安排具有借鑒意義。