李永輝 ，張寶 ，隋長江

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 4100121；3.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025)

0 引言

哈圖金礦自2017年引進(jìn)盤區(qū)機(jī)械化上向分層法采礦工藝，礦石貧化損失基本控制在5%左右，生產(chǎn)能力70t/d～100t/d，在采礦貧化損失和采礦效率方面取得了很好的成效，實現(xiàn)了安全高效開采。但此方法應(yīng)用到厚礦體時，特別是厚度大于6m的礦體，井下生產(chǎn)面臨一些難題。

采場作業(yè)安全風(fēng)險高或安全管理難度大、投入大。由于上向分層法回采工藝需要人員暴露在采場頂板下作業(yè)，當(dāng)開采厚礦體時，由于采礦寬度不能大于4m，必須分兩步驟開采，一步驟充填接頂不佳，容易造成二步驟采場實際暴露面積大幅增加，特別是在礦體穩(wěn)固性較差的地方，即使采用短掘短支，采場作業(yè)人員數(shù)量較多，采場作業(yè)安全風(fēng)險依然較高。

采場生產(chǎn)效率低。當(dāng)?shù)V體較厚采取兩步驟開采時，一步驟養(yǎng)護(hù)時間較長，且采場頂板維護(hù)難度增加，造成分層回采整體周期過長，采場生產(chǎn)效率相比中厚以下礦體反而低。

采礦綜合成本高。盤區(qū)機(jī)械化上向分層法回采時，需要每個分層施工（或壓擴(kuò)）分層聯(lián)絡(luò)巷，且為了維護(hù)采場頂板穩(wěn)定，需要每個分層進(jìn)行短掘短支，支護(hù)難度大且費用極高，造成采礦綜合成本高。

基于上述原因，研究設(shè)計適宜于哈圖金礦厚礦體的機(jī)械化安全高效采礦方案，實現(xiàn)礦山機(jī)械化強采強出，提高采場生產(chǎn)能力，減少作業(yè)人員數(shù)量，大幅減少采場作業(yè)人員暴露在采場的總時間，降低采場作業(yè)安全風(fēng)險，保障采場生產(chǎn)安全，為礦山的可持續(xù)性平穩(wěn)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 采礦方法方案設(shè)計

急傾斜不穩(wěn)固厚礦體在我國地下開采的金屬和非金屬礦山占有較大的比重，主要采用盤區(qū)機(jī)械化分層充填法、分段崩落法、分層崩落法等方法。目前國內(nèi)外主要朝著提高采礦效率、降低貧化損失方面發(fā)展，有以下4個特點：安全采礦、低貧損采礦、無軌機(jī)械化高效采礦、無廢開采與綠色礦山。據(jù)此，設(shè)計了分層充填與分段充填組合式采礦法。

1.1 分層充填與單分段充填組合式采礦法

1.1.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用該方案回采時，采場長度30m～60m，寬度為礦體厚度，采場高度為中段高度，中深孔分段回采塊段高度8m～12m，采場不留頂?shù)字?，如圖1所示。

1.1.2 采準(zhǔn)切割

該方案采準(zhǔn)切割和盤區(qū)機(jī)械化上向分層法基本一致，僅在分段中深孔爆破落礦塊段需要增加切割天井和切割橫巷工程。鑿巖巷施工完成后，在采場端部施工切割橫巷、切割天井，并以此為自由面拉切割槽。

1.1.3 回采工藝

上向水平分層充填回采塊段：分層回采采用YT-28鉆鑿淺孔，回采高度2.0m～2.5m。鑿巖鉆頭直徑32mm～38mm，炮孔平行布置，孔間距1m～1.2m，排距0.8m～1m，孔深2m～2.5m，矩形布孔或梅花形布孔均可。崩礦時，在孔內(nèi)裝入2#巖石炸藥藥卷和分段導(dǎo)爆管雷管，孔外用電雷管起爆或起爆器起爆。礦石落下后，處理頂板松石，然后用1m3鏟運機(jī)出礦。

中深孔分段嗣后充填回采塊段：采場沿礦體走向布置，在采場的端部布置切割橫巷及切割天井，以切割天井為自由面進(jìn)行端部拉槽。在分段鑿巖巷道鉆鑿上向扇形中深孔，采用YGZ-90型鑿巖機(jī)進(jìn)行中深孔施工。以切割槽為自由面進(jìn)行爆破。鑿巖鉆頭直徑50mm，呈扇形布置炮孔，孔排距1.3m～1.5m，孔底距1.6m～1.8m，每次爆破3排至4排，崩落下來的礦石，采用斗容1m3的遙控鏟運機(jī)出礦，經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)巷，將礦石轉(zhuǎn)運到與分段平巷貫通的出礦溜礦井。

1.1.4 充填

分層充填：一分層回采完畢并出礦后開始進(jìn)行充填工作。根據(jù)回采工藝特點，可以先用水泥含量較低的膠結(jié)充填，然后用水泥含量高的膠結(jié)充填澆面。澆面充填高度0.5m，澆面膠結(jié)充填灰砂比1:4。

圖1 分層充填與單分段充填組合式法

分段充填：分段回采結(jié)束后，對采空區(qū)進(jìn)行充填處理?？梢韵扔盟嗪枯^低的膠結(jié)充填，然后用水泥含量高的膠結(jié)充填澆面。澆面充填高度0.5m，澆面膠結(jié)充填灰砂比1:4，其余采用灰砂比為1:15的膠結(jié)充填。

1.2 分層與多分段充填組合式采礦法

1.2.1 采場參數(shù)結(jié)構(gòu)

采用該方案回采時，采場長度30m～60m，寬度為礦體厚度，采場高度為中段高度。采場下部采用分層充填法進(jìn)行回采， 回采高度約15m，上部采用中深孔分段嗣后充填法開采，中深孔分段回采塊段高度10m～12m，一般情況下2～3個分段集中鑿巖，集中爆破，如圖2所示。

1.2.2 采準(zhǔn)切割

在采場下部礦體分層充填法開采結(jié)束后，在充填體上部施工底部出礦結(jié)構(gòu)，在礦體下盤脈外布置溜礦井。根據(jù)盤區(qū)開采情況及工程現(xiàn)狀，可設(shè)計脈內(nèi)采準(zhǔn)或脈外采準(zhǔn)。

脈內(nèi)采準(zhǔn)系統(tǒng)即不施工分段平巷、分段聯(lián)絡(luò)巷，僅在脈內(nèi)施工人行通風(fēng)天井，作為人員、材料進(jìn)入的通道，由天井開始施工分段鑿巖巷，并在分層充填水平施工進(jìn)路出礦底部結(jié)構(gòu)。

脈外采準(zhǔn)系統(tǒng)需要分段平巷、分段聯(lián)絡(luò)巷，作為人員、材料進(jìn)入的通道，由分段聯(lián)絡(luò)巷施工鑿巖巷，并在分層充填水平施工進(jìn)路出礦底部結(jié)構(gòu)。鑿巖巷施工完成后，在采場端部或中間位置施工切割橫巷、切割天井，并以此為自由面拉切割槽。

圖2 分層充填與多分段充填組合式法

1.2.3 回采工藝

上向水平分層充填回采塊段：分層回采采用YT-28鉆鑿淺孔，回采高度2.0m～2.5m。采用錨網(wǎng)支護(hù)采場頂板，1m3鏟運機(jī)進(jìn)入作業(yè)面出礦。

中深孔分段嗣后充填回采塊段：在分段鑿巖巷采用YGZ-90施工扇形中深孔，以切割槽為爆破自由空間崩礦。鑿巖鉆頭直徑50mm，呈扇形布置炮孔，孔排距1.3m～1.5m，孔底距1.6m～1.8m，每次爆破3排至4排。上部分段超前下部分段2排炮孔左右，可多個分段集中回采。自底部出礦結(jié)構(gòu)用斗容1m3鏟運機(jī)裝礦。

1.2.4 充填

分層充填和分段充填類似，分兩部分進(jìn)行，下部采用低強度充填料漿，灰砂比為1:12；上部采用高強度充填0.5m進(jìn)行膠面，強度約1 MPa，灰砂比1:6。

2 采場合理回采高度數(shù)值模擬

2.1 合理分段高度數(shù)值模擬方案

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D分析計算采場合理回采高度。采用專家經(jīng)驗類比分析得到合理的采場高度。以哈圖金礦巖體力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，選取合理的邊界條件進(jìn)行計算。獲得在不同礦巖穩(wěn)固性條件下的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布特征。

根據(jù)哈圖金礦礦體賦存特點及機(jī)械化分層充填與分段嗣后充填組合法安全高效強化開采工藝，為研究淺部區(qū)域和深部區(qū)域兩種不同礦巖穩(wěn)固性最大回采高度對采場穩(wěn)定性的影響，選取最大控頂高度10m、20m和30m，進(jìn)行合理開采高度數(shù)值分析。

根據(jù)分層充填與分段嗣后充填組合法無間柱回采技術(shù)特點，分層充填回采區(qū)域進(jìn)行多次開挖-充填計算，分段充填區(qū)域進(jìn)行一次“開挖”模擬計算。模擬范圍巖體物理力學(xué)性能參數(shù)見表1。本研究采用Mohr-Coulomb（摩爾-庫侖模型）本構(gòu)模型。

表1 模擬范圍巖體物理力學(xué)性能參數(shù)

2.2 合理分段高度模擬計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果（見表2），采一礦區(qū)淺部中等穩(wěn)固以上礦體開采高度達(dá)到30m后，采場上下盤、頂板一些成片分布的塑性破壞區(qū)（見圖3），且部分聯(lián)通形成片狀，穩(wěn)定性表現(xiàn)一般，需要實時監(jiān)控采空區(qū)情況，發(fā)生大面積冒落時，需及時充填采空區(qū)，重新施工切割工程。高度達(dá)到30m時，需使用遙控鏟運機(jī)出礦，存在被采場上下盤冒落巖石砸壞的可能，故需要施工進(jìn)路底部出礦結(jié)構(gòu)，避免人員駕駛鏟運機(jī)進(jìn)入采空區(qū)鏟裝礦石。

表2 不同開采深度下各采場回采高度數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 采一礦區(qū)30m開采高度塑性區(qū)分布

在開采千米井礦區(qū)深部中等穩(wěn)固偏下礦體時，當(dāng)開采高度達(dá)到20m后，采場上下盤、頂板都出現(xiàn)了較多塑性破壞區(qū)，特別是上下盤，形成大片貫通區(qū)域（見圖4），穩(wěn)定性表現(xiàn)不好，上下盤存在大片冒落風(fēng)險。因此，最大回采高度不宜大于20m，若高度超過20m使用遙控鏟運機(jī)進(jìn)入采空區(qū)鏟裝礦石。

圖4 千米井礦區(qū)20m開采高度塑性區(qū)分布

3 分層與分段充填組合法現(xiàn)場試驗

3.1 采一礦區(qū)分層與多分段充填組合法現(xiàn)場試驗

（1）現(xiàn)場工業(yè)試驗。根據(jù)盤區(qū)機(jī)械化分層與多分段充填組合法開采893中段C2700W03采場礦體時，采場之間盡量不留間柱，保留底柱，采場長度47m，分段高度10m左右，第一分段采用上向分層充填法開采，剩余30m采用中深孔分段空場嗣后充填法開采。鑿巖設(shè)備采用YGZ-90鑿巖機(jī)，在各分層鑿巖巷鑿上向垂直扇形孔，排距1.5m，每排9～14個炮孔。爆破采用硝胺巖石粉狀炸藥，先從上到下每層每次爆破2～3排形成階梯狀后，可3層每次同時爆破3～5排。裝藥采用風(fēng)動裝藥器（BQF-50型裝藥器）裝填，各分層每次爆破崩落礦石全部集結(jié)到909分層底部塹溝和鑿巖巷，出礦設(shè)備為WJ-1型1m3斗容鏟運機(jī)，將礦石鏟運至溜井或通過輔助斜坡道裝入礦車，經(jīng)電機(jī)車牽引至豎井馬頭門，通過提升設(shè)備提至地表。充填分為兩步驟：先廢石充填，約占60%；剩余40%采空區(qū)采用全尾砂充填。

該試驗采場生產(chǎn)能力達(dá)到300t/d～400t/d，提升2～3倍。

（2）經(jīng)濟(jì)效益分析。上向分層采礦方法開采費用為：開采總費用=掘進(jìn)成本+壓頂成本+掘進(jìn)支護(hù)+壓頂支護(hù)+采場支護(hù)+廢石處理成本+采礦成本+充填成本=3808848元。

盤區(qū)機(jī)械化分層與多分段充填組合法開采費用為：開采總費用=掘進(jìn)成本+錨網(wǎng)支護(hù)成本+錨條、噴漿支護(hù)成本+廢石處理成本+采礦成本+充填成本=2606858元。與原有上向分層采礦方法相比，采用盤區(qū)機(jī)械化分層與多分段充填組合法可節(jié)省費用1741890元。

3.2 千米井礦區(qū)分層與多分段充填組合法現(xiàn)場試驗

（1）現(xiàn)場工業(yè)試驗。千米井礦區(qū)試驗地點在3個地段：

725m中段E17至E19線采場主礦脈為L27-14，長約80m，礦體平均厚度約6.0m，礦體斜長9.5m，傾角45°～55°，平均品位5.0g/t，地質(zhì)儲量約12312t，地質(zhì)金屬量約61.56 kg，該范圍采場頂板比較破碎，穩(wěn)定性降低，先采用上向分層法開采至763m水平，對該采場進(jìn)行了接頂充填；

625m中段E15至E17線采場已上向分層充填法開采至666m水平，長約80m，礦體平均厚度約5.4m，傾角60°～70°，工程地質(zhì)條件較差，分層充填法開采給安全帶來了難題，且效率比較低，短時供礦能力差，安全風(fēng)險較大，因此考慮采用中深孔單分段嗣后充填法回采剩余礦體（約10m高）；

575m中段E15至E17線采場（C18270815采場、C182708采場）上向分層充填法已開采至581m水平，長約80m，礦體平均厚度約4.6m，傾角60°～75°，平均品位5.30g/t，地質(zhì)儲量約25833t，地質(zhì)金屬量137 kg。

采準(zhǔn)工程包括脈出礦進(jìn)路、鑿巖平巷，切割包括切割槽。鑿巖采用YGZ-90鉆機(jī)施工上向中深孔，孔徑60mm，排距1.5m，孔底距1.5m～2.0m。采用復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)，孔口起爆。采用BQF裝填2#巖石散裝炸藥。通風(fēng)完成后，可采用1m3遙控柴油鏟運機(jī)在采空區(qū)出礦。礦石均運搬至布置在采場附近的下盤脈外溜礦井，再由中段平巷電機(jī)車牽引礦車至主溜井運至地表。由于臨近采場結(jié)束回采，因此采用能保證充填料漿流動性的1:15灰砂比的料漿充填處理采空區(qū)。

各試驗采場生產(chǎn)能力達(dá)到200t/d～300t/d，提升2～3倍。

（2）經(jīng)濟(jì)效益分析。千米井礦區(qū)采用盤區(qū)機(jī)械化分層與單分段充填組合法開采的3個試驗采場，總開采礦量為57443t。按目前約35元/t支護(hù)費用計算，可節(jié)省支護(hù)費用達(dá)2010505元；另外，由于采用非膠結(jié)充填，嗣后充填可節(jié)省充填的水泥用量，節(jié)省費用約672083元（充填單價按10元/t）。因此，該項目在千米井礦區(qū)試驗采場應(yīng)用可節(jié)省開采費用達(dá)2682588元。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)哈圖金礦6m以上的厚礦體開采時，井下采礦安全事故“零容忍”、需要進(jìn)行短掘短支、采場支護(hù)成本高、效率低等問題，綜合盤區(qū)機(jī)械化分層充填采礦法和分段充填采礦法各自的優(yōu)點，開發(fā)了安全高效、低成本的盤區(qū)機(jī)械化分層充填與分段充填組合式開采工藝。

（2）針對兩個礦區(qū)礦巖穩(wěn)固性情況，通過數(shù)值模擬計算，得到采一礦區(qū)最大開采高度為30m，千米井礦區(qū)最大開采高度20m。開采高度達(dá)到最大值時需使用遙控鏟運機(jī)出礦，存在被采場上下盤冒落巖石砸壞可能，故需要施工進(jìn)路底部出礦結(jié)構(gòu)，避免人員駕駛鏟運機(jī)進(jìn)入采空區(qū)鏟裝礦石。

（3）通過在哈圖金礦兩個礦區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗，提高了生產(chǎn)作業(yè)機(jī)械化程度和生產(chǎn)能力，該試驗采場生產(chǎn)能力達(dá)到300t/d～400t/d，提升2～3倍，節(jié)約成本442.4萬元，實現(xiàn)了安全高效開采、降本增效。