賈萬玉，吳若菡，萬串串

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261400；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628)

淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，深部資源開發(fā)是目前全球礦業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著深部已探明資源量逐步增加，資源開發(fā)不斷走向地球深部，世界主要礦業(yè)大國(guó)相繼進(jìn)入深部開采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前超過1 000 m的礦井已有100余座，分布在南非、加拿大、德國(guó)、俄羅斯、波蘭等地區(qū)和國(guó)家，其中以南非最具代表性，最深達(dá)4 800 m[1-3]。我國(guó)金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)近年來取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，部分技術(shù)達(dá)到或超越了國(guó)際領(lǐng)先水平，2004年我國(guó)的千米深井僅有8處，2018年全國(guó)千米深井已達(dá)80余座，并以每年10～25 m的速度向下延伸，我國(guó)深部資源開采逐漸成為新常態(tài)[4-6]。本文以三山島金礦西山礦區(qū)深部礦體開采為背景，通過分析目前生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題，從采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道(以下簡(jiǎn)稱“采聯(lián)”)布置、回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道(以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)聯(lián)”)布置、回采工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，以應(yīng)對(duì)深部開采高應(yīng)力作用對(duì)工程穩(wěn)定性的影響。

1 三山島金礦開采現(xiàn)狀

三山島金礦西山礦區(qū)目前開采深度已超過800 m，擬開發(fā)的西嶺礦區(qū)礦體也集中賦存在-800 m以下，這兩個(gè)礦區(qū)作為三山島金礦未來主要生產(chǎn)區(qū)域均已進(jìn)入深井開采區(qū)域。目前三山島金礦主要采用上向水平分層充填采礦法回采礦體，按照采場(chǎng)結(jié)構(gòu)劃分主要有點(diǎn)柱式、盤區(qū)式、普通分層式及進(jìn)路式上向水平分層充填采礦法[7-8]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，主要依據(jù)礦體賦存形態(tài)及礦巖穩(wěn)固情況選擇合適的采礦方法。西山礦區(qū)進(jìn)入深井開采區(qū)域后，1 640線以南區(qū)域礦體賦存情況不理想，礦體厚度及走向長(zhǎng)度均逐漸縮短，該部分區(qū)域主要采用普通分層式、進(jìn)路式采礦法進(jìn)行回采；1 640～1 800線間賦存厚大礦體，礦石平均品位1.9 g/t以上，局部礦體厚度超過60 m，且礦體沿走向方向賦存連續(xù)，礦石內(nèi)夾石賦存情況較少，適合于采用高效采礦方法進(jìn)行回采，目前該區(qū)域均采用垂直礦體走向盤區(qū)式上向水平分層充填采礦法。

2 目前存在的技術(shù)難題

深井開采不可避免帶來高巖溶水壓、高地應(yīng)力、高地溫、強(qiáng)烈開采擾動(dòng)等問題，這些問題直接導(dǎo)致深井開采安全性差、效率低、成本高、環(huán)境惡劣，影響深井安全高效開采[9-10]。

從西山礦區(qū)-780中段以下深部開采區(qū)域生產(chǎn)現(xiàn)狀來看，深井開采面臨的高地應(yīng)力問題是直接制約深井安全高效開采的主要因素。在高地應(yīng)力作用下，西山礦區(qū)深部圍巖出現(xiàn)與淺部圍巖截然不同的破壞形態(tài)，深部各巷道、采場(chǎng)的頂板、兩幫垮塌現(xiàn)象比比皆是，脆性巖體在持續(xù)高地應(yīng)力作用下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，安全隱患日益突出，給生產(chǎn)造成巨大影響。

用上向水平分層盤區(qū)采礦法回采1 640線以北厚大礦體時(shí)，礦房、礦柱均垂直礦體走向布置，每分層礦房、礦柱對(duì)應(yīng)的一步、二步采場(chǎng)規(guī)格均設(shè)計(jì)為10 m寬×4 m高×礦體厚。該采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在-780中段以上區(qū)域應(yīng)用時(shí)未發(fā)現(xiàn)異常，但進(jìn)入深部后，隨著地應(yīng)力作用逐漸顯現(xiàn)，采用常規(guī)10 m寬采場(chǎng)跨度，在實(shí)際回采中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有支護(hù)條件下，采場(chǎng)支撐能力不足，采場(chǎng)回采過程中需不同程度預(yù)留部分點(diǎn)柱支撐頂板，造成一定的礦石損失且點(diǎn)柱后期回收安全風(fēng)險(xiǎn)很大。因此，進(jìn)入-780中段以下區(qū)域后，在盤區(qū)上向水平分層采礦法設(shè)計(jì)時(shí)，通常將原10 m寬采場(chǎng)跨度縮小為8 m寬。

在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，盡管通過縮小采場(chǎng)跨度，能有效解決盤區(qū)采場(chǎng)因頂板暴露面積大需預(yù)留點(diǎn)柱造成礦石損失問題，但采場(chǎng)跨度縮小后，相同范圍內(nèi)盤區(qū)采場(chǎng)數(shù)增加，帶來盤區(qū)采聯(lián)間距進(jìn)一步縮短、中分段巷采聯(lián)開口數(shù)增加、采場(chǎng)回風(fēng)風(fēng)聯(lián)布置困難等系列問題，特別在高地應(yīng)力作用下，采聯(lián)垮塌、風(fēng)聯(lián)提前揭露、中分段巷上盤側(cè)失穩(wěn)等現(xiàn)象頻發(fā)，同樣制約了盤區(qū)采礦法的安全高效回采。

為此，亟需針對(duì)盤區(qū)采礦法的上述問題進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，有效規(guī)避常規(guī)盤區(qū)采礦法諸多安全隱患，為深井開采條件下上向水平分層充填采礦法安全高效回采提供有效的保障。

3 改進(jìn)措施

3.1 “人字形”采聯(lián)優(yōu)化布置

西山礦區(qū)根據(jù)礦體賦存形態(tài)，普遍采用上向水平分層盤區(qū)充填采礦法，采場(chǎng)寬度為10 m，采聯(lián)斷面為3.6 m×3.3 m，以往采準(zhǔn)設(shè)計(jì)中各盤區(qū)采場(chǎng)采聯(lián)均由中分段巷開口進(jìn)行施工，采聯(lián)最大間距僅為6.4 m，在采聯(lián)兩幫垮塌情況下，采聯(lián)“間柱”寬度僅能維持在4 m左右，安全隱患較大。特別是進(jìn)入深井開采區(qū)域后，盤區(qū)采場(chǎng)由10 m寬縮小為8 m寬，相鄰采聯(lián)間距僅4.4 m，在高地應(yīng)力作用下，相鄰采聯(lián)間巖柱破壞較嚴(yán)重，相互影響。由現(xiàn)場(chǎng)施工情況可知，各采聯(lián)開口對(duì)施工后的中分段巷應(yīng)力狀態(tài)造成破壞，采聯(lián)開口處往往成為工程“薄弱區(qū)”，該區(qū)域頂板冒落頻發(fā)，兩幫支護(hù)失效、維護(hù)困難，安全隱患大，如圖1所示。

鑒于盤區(qū)采場(chǎng)各采聯(lián)開口頂板冒落、兩幫支護(hù)失效頻發(fā)現(xiàn)象，對(duì)盤區(qū)采準(zhǔn)工程進(jìn)行優(yōu)化，研究提出“人字形”采聯(lián)布置形式，即一步采場(chǎng)采聯(lián)施工結(jié)束后對(duì)采聯(lián)開口范圍內(nèi)5 m左右巷道加強(qiáng)支護(hù)，確保該部分巷道長(zhǎng)時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)，一步、二步采場(chǎng)采聯(lián)共用該部分巷道，二步采場(chǎng)采聯(lián)施工時(shí)不再對(duì)已趨于穩(wěn)定的中分段巷再次造成破壞，對(duì)于維護(hù)主運(yùn)輸巷道穩(wěn)定意義重大。具體布置形式如圖2所示。

“人字形”采準(zhǔn)工程優(yōu)化方案在-735中段、-780中段盤區(qū)一步、二步采聯(lián)施工中得到驗(yàn)證，如圖3所示。從效果上看，該方案解決了盤區(qū)采聯(lián)開口多、布置密集造成中分段巷破壞等問題，有效杜絕了開口處巷道頂板冒落、兩幫垮塌對(duì)生產(chǎn)的影響，應(yīng)用效果顯著，該方案作為有效手段在西山礦區(qū)-780中段以下、1 640線以北盤區(qū)采準(zhǔn)工程中得到推廣應(yīng)用。

3.2 “脈外雙通道”優(yōu)化布置

西山礦區(qū)深部1 620線以北區(qū)域?yàn)闊崴芩?、破碎區(qū)域，該區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育嚴(yán)重，巖體完整性差，趨于散體結(jié)構(gòu)，且節(jié)理間普遍存在泥質(zhì)充填，自身穩(wěn)定性較差，加之涌水存在，巷道往往一經(jīng)揭露即出現(xiàn)不同程度的冒落。因此，深部中分段巷開拓過程中，局部區(qū)域需要架設(shè)U型鋼聯(lián)合混凝土墻進(jìn)行支護(hù)，見圖4。該支護(hù)作為中分段巷永久性支護(hù)，已支護(hù)區(qū)域無法開口施工采場(chǎng)采聯(lián)。

為解決中分段巷永久性支護(hù)區(qū)域采準(zhǔn)工程無法施工的問題，研究提出采用“脈外雙通道”布置形式，即在支護(hù)區(qū)域兩端圍巖條件較好區(qū)域施工采聯(lián)，采聯(lián)施工后平行于中分段巷方向施工脈外通道，避開中分段巷已支護(hù)區(qū)域，通過布置脈外通道將各采聯(lián)進(jìn)行連接，確保采準(zhǔn)工程正常施工。圖5為已支護(hù)區(qū)域脈外雙通道優(yōu)化布置圖。

3.3 采場(chǎng)通風(fēng)工程優(yōu)化布置

采用上向水平分層充填采礦法回采時(shí)，一步、二步采場(chǎng)之間不留間柱，采場(chǎng)風(fēng)井統(tǒng)一與上中段風(fēng)聯(lián)聯(lián)通。為確保厚大礦體采場(chǎng)通風(fēng)效果，盤區(qū)采場(chǎng)風(fēng)井常布置在礦體內(nèi)，對(duì)應(yīng)風(fēng)井上口同樣布置在礦體內(nèi)。常規(guī)回風(fēng)風(fēng)聯(lián)常采用兩種布置形式，一種是主風(fēng)聯(lián)布置在礦體內(nèi)，主風(fēng)聯(lián)與風(fēng)井直接連接，不設(shè)或少設(shè)小風(fēng)聯(lián)；另一種是主風(fēng)聯(lián)布置于廢石內(nèi)，通過主風(fēng)聯(lián)施工長(zhǎng)距離小風(fēng)聯(lián)與風(fēng)井貫通，如圖6所示。

實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)主風(fēng)聯(lián)布置于礦體內(nèi)，采場(chǎng)回采至近主風(fēng)聯(lián)底板高度時(shí)，常常由于風(fēng)聯(lián)空區(qū)造成風(fēng)聯(lián)處采場(chǎng)頂板塌方，且采場(chǎng)一旦揭露風(fēng)聯(lián)，采場(chǎng)頂板部分區(qū)域冒落加重，局部高度超過7 m左右，安全隱患增大，直接造成風(fēng)聯(lián)下方采場(chǎng)兩側(cè)礦體無法回收；即使主風(fēng)聯(lián)布置在廢石內(nèi)，需施工長(zhǎng)距離風(fēng)聯(lián)，仍然存在采場(chǎng)頂板揭露風(fēng)聯(lián)后，采場(chǎng)下盤至采場(chǎng)中央風(fēng)井處頂板超高問題，呈現(xiàn)“凸形”頂板，安全隱患依然存在。

為有效解決上述安全隱患，研究提出“廢石內(nèi)布置主風(fēng)聯(lián)，一步、二步采場(chǎng)共用風(fēng)聯(lián)方案”。即將主風(fēng)聯(lián)布置在礦體下盤穩(wěn)固的廢石內(nèi)，確保采場(chǎng)回采結(jié)束后主風(fēng)聯(lián)依然可用；此外在一步、二步采場(chǎng)交界處布置小風(fēng)聯(lián)，小風(fēng)聯(lián)與一步、二步采場(chǎng)風(fēng)井連接，兩采場(chǎng)共用一條小風(fēng)聯(lián)。采場(chǎng)施工至風(fēng)聯(lián)底板標(biāo)高時(shí)，一步采場(chǎng)風(fēng)聯(lián)下側(cè)預(yù)留1 m保護(hù)巖柱，確保風(fēng)聯(lián)不揭露、不破壞，該部分巖柱通過二步采場(chǎng)回收。此外，在風(fēng)井設(shè)計(jì)上，采場(chǎng)風(fēng)井仍布置在礦體內(nèi)部，為減少一步采場(chǎng)最后分層預(yù)留礦柱范圍，同時(shí)減少二步采場(chǎng)回收礦柱難度，風(fēng)井設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)井上口位置盡量靠近礦體下盤，通過合理布置風(fēng)井位置，有效縮短共用風(fēng)聯(lián)長(zhǎng)度，同時(shí)減少預(yù)留礦柱尺寸，降低礦柱損失風(fēng)險(xiǎn)。圖7為盤區(qū)一步、二步采場(chǎng)共用風(fēng)聯(lián)優(yōu)化圖。

3.4 “雙采幅、三采幅”回采工藝改進(jìn)

用上向水平分層充填法回采礦體時(shí)，由于采準(zhǔn)工程量較大，施工時(shí)常常待中分段巷施工結(jié)束后或施工至各采聯(lián)開口時(shí)再按順序依次施工各采聯(lián)及切割巷。該種作業(yè)方式下，采準(zhǔn)工程施工進(jìn)度及采場(chǎng)投產(chǎn)時(shí)間往往受中分段巷施工進(jìn)度制約，采場(chǎng)投產(chǎn)時(shí)間從中分段巷施工起至少需歷時(shí)三個(gè)月。采準(zhǔn)工程施工周期太長(zhǎng)，不利于采場(chǎng)快速形成，對(duì)于生產(chǎn)正常接續(xù)影響較大。

為解決中段礦體回采時(shí)采準(zhǔn)工程量大及采場(chǎng)投產(chǎn)時(shí)間過長(zhǎng)的難題，研究提出“雙采幅、三采幅”回采工藝，即中分段巷施工至盤區(qū)第一個(gè)一步采場(chǎng)采聯(lián)時(shí)，一步采場(chǎng)采聯(lián)與中分段巷平行施工，一步采場(chǎng)采聯(lián)施工至礦體后，沿礦體走向方向或水平方向布置脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道，脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道與一步采場(chǎng)切割巷、中分段巷平行作業(yè)。脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道形成后，順序施工第二個(gè)、第三個(gè)一步采場(chǎng)切割巷，此時(shí)中分段巷繼續(xù)施工，但無需施工第二個(gè)、第三個(gè)一步采場(chǎng)采聯(lián)。工程施工結(jié)束后，依靠一步采場(chǎng)采聯(lián)及脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)、三個(gè)一步采場(chǎng)同時(shí)開采，即實(shí)現(xiàn)單一采聯(lián)輔助回采多盤區(qū)采場(chǎng)效果。上向水平分層充填采礦法常規(guī)施工方案與“雙采幅”施工方案對(duì)比見圖8。

采用該種方案，一步采場(chǎng)采聯(lián)可不再施工，借助第一個(gè)一步采場(chǎng)采聯(lián)及脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道可實(shí)現(xiàn)多個(gè)盤區(qū)一步采場(chǎng)集中轉(zhuǎn)層。各分層一步采場(chǎng)回采結(jié)束后，對(duì)采場(chǎng)及脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)行統(tǒng)一充填，為確保二步采場(chǎng)在已充填聯(lián)絡(luò)道下方回采安全，聯(lián)絡(luò)道充填前可在二步采場(chǎng)對(duì)應(yīng)區(qū)域施工鋼結(jié)構(gòu)底部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)兩端進(jìn)入一步采場(chǎng)輪廓內(nèi)，并且在二步采場(chǎng)范圍聯(lián)絡(luò)道兩幫進(jìn)行吊掛。借助鋼結(jié)構(gòu)支撐作用，確保二步采場(chǎng)充填體下安全回采。脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道鋼結(jié)構(gòu)底部結(jié)構(gòu)布置見圖9。

4 結(jié)論

1)對(duì)于盤區(qū)采場(chǎng)各采聯(lián)開口段頂板冒落、兩幫支護(hù)失效頻發(fā)現(xiàn)象，優(yōu)化采用“人字形”采聯(lián)布置形式，通過一步、二步采場(chǎng)采聯(lián)共用開口區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)巷道，不再對(duì)已趨于穩(wěn)定的中分段巷再次造成破壞，可解決盤區(qū)采聯(lián)開口多、布置密集造成中分段巷破壞等問題，有效杜絕開口處巷道頂板冒落、兩幫垮塌對(duì)生產(chǎn)的影響，應(yīng)用效果顯著。

2)為解決中分段巷已支護(hù)區(qū)域采準(zhǔn)工程無法施工的問題，優(yōu)化采用“脈外雙通道”布置形式，即在支護(hù)區(qū)域兩端圍巖條件較好區(qū)域施工采聯(lián)，采聯(lián)施工后平行于中分段巷方向施工脈外通道，實(shí)現(xiàn)已支護(hù)區(qū)域脈外采聯(lián)的正常施工。

3)針對(duì)目前脈內(nèi)、脈外布置回風(fēng)風(fēng)聯(lián)存在安全隱患大的問題，優(yōu)化采用“廢石內(nèi)布置主風(fēng)聯(lián)，一步、二步采場(chǎng)共用風(fēng)聯(lián)方案”，通過合理布置風(fēng)井位置，有效縮短共用風(fēng)聯(lián)長(zhǎng)度，同時(shí)減少預(yù)留礦柱尺寸，降低礦柱損失風(fēng)險(xiǎn)。

4)為解決中段礦體回采時(shí)采準(zhǔn)工程量大及采場(chǎng)投產(chǎn)時(shí)間過長(zhǎng)的難題，優(yōu)化采用“雙采幅、三采幅”回采工藝，依靠一步采場(chǎng)采聯(lián)及脈內(nèi)聯(lián)絡(luò)道可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)、三個(gè)一步采場(chǎng)同時(shí)開采，實(shí)現(xiàn)單一采聯(lián)輔助回采多盤區(qū)采場(chǎng)效果，減少采場(chǎng)投產(chǎn)時(shí)間，盡快形成采場(chǎng)回采條件。

本文中涉及的針對(duì)上向水平分層充填采礦法優(yōu)化改進(jìn)的技術(shù)措施，是經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的切實(shí)可行的解決辦法及思路，可為其他類似開采技術(shù)條件的礦山提供技術(shù)參考。