周健強,劉財林，張 亭

(西北礦冶研究院，深井高效開采與災(zāi)變控制工程實驗室，甘肅 白銀 730900)

0 引言

內(nèi)蒙古東升廟鉛鋅多金屬礦(簡稱“東升廟礦”)是國內(nèi)資源條件、開采條件較好的礦山之一[1]。東升廟特大型鉛鋅多金屬礦床呈南西—北東向展布，礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀，具有明顯的地層控礦特征[2-4]。據(jù)計算，東升廟礦高效空場采礦方法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦塊垂直礦體(沿礦體)走向布置時，礦房寬度和長度均為45 m，礦柱跨度為15 m。為確定適宜該礦的采礦方法，開展了分段鑿巖階段空場法工業(yè)試驗研究。

1 試驗礦塊地質(zhì)條件

1.1 工程概況

試驗礦塊位于900 m中段12-14線間，2號礦體為主要開采對象。2號礦體為層狀、似層狀，礦體連續(xù)性較好，規(guī)模大，沿傾向呈波狀起伏，礦體往往呈褶曲狀態(tài)，整體由南西向北東逐漸緩傾伏；白云石大理巖為礦體的直接圍巖，礦體傾角與其基本一致[5]。白云石大理巖及礦體為塊狀-層狀結(jié)構(gòu)，絹云石墨片巖夾層為層狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀為75°∠80°、220°∠76°。礦體傾角上陡下緩，深部礦體逐漸東移，800 m中段以上礦體傾角為57°～76°。2號礦體剖面線厚度為1.60～57.39 m，平均厚度為14.38 m，厚度變化系數(shù)為97%，屬于較穩(wěn)定型。

礦石工業(yè)類型主要以鋅硫型和單硫型為主，菱鐵礦、黃銅礦含量很少，方鉛礦較多，主要含黃鐵礦、閃鋅礦、磁黃鐵礦等。礦石鋅平均品位為6.76%，鉛平均品位為1.74%。

試驗地段礦體傾角65°左右，傾向以北西向為主，礦體形態(tài)簡單，平均厚度24.22 m，無斷裂構(gòu)造。

1.2 工程地質(zhì)條件

東升廟礦區(qū)已形成許多較大的空場，除個別采空區(qū)頂板或底板斷裂帶有冒頂、片幫現(xiàn)象外，大部分較穩(wěn)定。以往各小礦開采遺留的許多老舊巷道均未發(fā)現(xiàn)冒頂或片幫情況，目前未見地表變形。綜上，說明東升廟礦區(qū)的工程地質(zhì)條件良好[6-7]。

1.3 水文地質(zhì)條件

該礦區(qū)礦床為以裂隙為主、頂?shù)装逯苯舆M水、水文地質(zhì)條件中等偏復(fù)雜的裂隙充水礦床。

2 分段鑿巖階段空場法工業(yè)試驗

試驗方案采用下盤人材井、溜井采準，垂直礦體走向布置回采巷道，將礦體在走向上劃分為礦房和間柱。先采礦房，后采礦柱。礦房一步回采，三柱二步驟回采。礦房回采中根據(jù)礦體傾角采用上下盤壓角回采技術(shù)，以維護采場地壓，降低出礦過程中的礦石貧化率。頂柱和上部間柱一次性爆破回采，其余間柱和底柱采用崩落法同步后退式分步回收。裝巖機空場下正向或側(cè)向多端口出礦[8]。分段鑿巖階段空場采礦方法如圖1所示。

圖1 分段鑿巖階段空場采礦方法

2.1 礦塊布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)東升廟礦的礦巖特點及生產(chǎn)實際，沿礦體走向布置的礦塊及垂直礦體走向布置的礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：

a.沿礦體走向布置礦塊：礦塊長60 m，礦房長45 m，礦房寬度為礦體厚度；間柱長15 m，寬度為礦體厚度；礦房頂柱高6 m，底部結(jié)構(gòu)高12 m。

b.垂直礦體走向布置礦塊：礦塊長60 m，礦房寬45 m，長度為礦體厚度；間柱寬15 m，長度為礦體寬度；礦房頂柱高6 m，底部結(jié)構(gòu)高12 m。

2.2 采準工程

由于礦體厚度在900 m中段變化較大，試驗采場采準工程采用探采結(jié)合方式布置，同時與900 m中段采準系統(tǒng)緊密配合。根據(jù)東升廟礦礦體厚度及采場布置，為減少采準工程量，試驗采場各分層采準工程均按照下盤脈外沿脈與穿脈回采巷道相結(jié)合的方式設(shè)計[7-9]。

1)鑿巖巷道布置

空場法試驗中首先要推廣使用中深孔，因此根據(jù)東升廟礦的特點，其礦房內(nèi)鑿巖采準巷道布置形式主要有傳統(tǒng)型A和改進型B，各形式又分別有4種不同的布置方式。

2)采準巷道支護

試驗采場設(shè)計對出礦眉線口及出礦橫巷采用水泥藥卷錨桿支護。支護參數(shù)設(shè)計為：眉線口尺寸0.5 m×0.5 m，錨桿長2.0 m，錨固長1.6 m，外露0.4 m作為眉線護壁筋，以防礦流摩擦破壞；出礦橫巷支護網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，錨桿長1.5 m，錨桿均垂直巖層方向布置。

2.3 切割工程

2.3.1 切割工程布置

切割工程布置嚴格受采準工程及礦房回采順序的控制。為便于運輸和爆破，礦房回采只能由上盤向下盤進行，因此切割平巷及切割井均布置在礦體上盤側(cè)。在礦體上盤各分層沿礦體走向方向布置上盤切割平巷，切割平巷與礦柱鑿巖巷貫通，以利于中深孔施工和礦柱回采拉槽。切割天井布置在礦房上盤中間，每個礦房布置1條切割天井，切割天井設(shè)計高度大于分層高度1.5 m。每條切割天井承擔的單側(cè)拉槽長度小于25 m。

2.3.2 切割工程斷面規(guī)格

切割平巷斷面主要根據(jù)拉槽方式及使用的設(shè)備要求確定，試驗采用中深孔落礦拉槽方式，中孔鑿巖設(shè)備為YGZ-90型導(dǎo)軌式鑿巖機。因此，巷道斷面設(shè)計為2.8 m×2.8 m的三心拱型。巷道從切井位置向兩側(cè)設(shè)計5%的上行坡度。

切割天井主要為拉槽提供自由面，根據(jù)拉槽寬度確定其斷面尺寸。為使拉槽的夾持性較小，保證拉槽效果，簡化回采工藝，設(shè)計切槽寬5.0 m，切割天井為2.0 m×3.0 m的長方形。

2.4 采切技術(shù)經(jīng)濟指標

2.4.1 試驗礦塊采切工程量

根據(jù)試驗采場的施工圖，試驗礦塊采切工程量見表1。

表1 試驗礦塊采切工程量(900 m中段14-18線)

2.4.2 試驗采場采切指標

試驗礦塊設(shè)計利用礦量283 348.7 t，其中礦房礦量145 993.1 t，間柱礦量65 603.6 t，頂柱礦量33 065.2 t，底部塹溝礦柱礦量38 686.8 t。采準、切割副產(chǎn)礦石量17 094.6 t；掘進井巷總長910.7 m，掘進工程量6 505.6 m3；試驗礦塊一次損失率為3%，預(yù)計采出礦量274 848.2 t，礦塊采切比3.31 m/kt，采準工程系數(shù)0.024 m3/t。按礦山掘進工程單價120元/m3計，試驗礦塊掘進成本為2.84元/t。

2.5 中深孔鑿巖施工技術(shù)

試驗采場礦房回采全部采用中深孔鑿巖。中深孔鑿巖前由測量技術(shù)人員根據(jù)中深孔設(shè)計圖及說明書進行現(xiàn)場實地排位標線，標線時嚴格按設(shè)計進行，發(fā)現(xiàn)實際與設(shè)計不符時，應(yīng)及時反饋以便作設(shè)計變更；施工人員應(yīng)根據(jù)測量標線排位進行施工。為加快采場準備速度，實行采場各分層同時鑿巖，中深孔角度、深度誤差及廢孔率等指標須滿足驗收標準。在空區(qū)邊緣、破碎帶施工時，應(yīng)做好安全措施，確保施工安全。對于施工中出現(xiàn)的透孔應(yīng)作堵塞處理，對于報廢孔應(yīng)現(xiàn)場標注。為保證中深孔質(zhì)量，驗收標準為：鉆孔孔口位置誤差應(yīng)小于100 mm；鉆孔深度誤差應(yīng)控制在±500 mm，偏斜誤差在±1.5°。在中深孔鉆鑿過程中應(yīng)隨時核查鉆孔的方位和傾角，發(fā)現(xiàn)偏差及時校正。

2.6 采場爆破

試驗采場采用大規(guī)模爆破的分段鑿巖階段空場法開采，為降低爆破中的地震效應(yīng)對礦房安全的威脅，減小大規(guī)模爆破礦石大塊率和粉礦率，提高爆破礦石塊度的均勻性，盡量避免爆破懸頂、超挖、欠挖、出礦眉線口提前破壞等現(xiàn)象的產(chǎn)生[10]。試驗中采用了以下技術(shù)。

1)同排孔孔間毫秒微差爆破技術(shù)

由于自由面狹小，同時為控制鑿巖炮孔最大深度，回采炮孔邊孔角設(shè)計得較小。為降低起初爆破的夾持性，改善爆破效果，對于切井側(cè)、切槽側(cè)鄰近排(3～5排)炮孔，采用同排孔間毫秒微差爆破技術(shù)落礦。

2)多排同段孔內(nèi)毫秒微差爆破技術(shù)

為了增加同段爆破炸藥量、提高爆破作業(yè)強度、改善爆破效果、減少礦房爆破次數(shù)、降低二次爆破量，對于礦房正常排采用多分層多排同段孔內(nèi)微差爆破技術(shù)。

3)擠壓爆破技術(shù)

針對分段高度較高的分層，為改善爆破效果，采用多排孔微差擠壓爆破技術(shù)，增大一次爆破層厚度，使爆破礦石破碎質(zhì)量得到改善，爆堆分布均勻。擠壓爆破一次爆破層厚度及爆破效果如圖2所示。

1-擠壓礦石位移；2-礦石碎脹系數(shù)；3-空槽寬度。

擠壓爆破由于自由面受松散礦石的阻擋，補償空間依靠碎塊礦石的動能來撞擊和擠壓爆堆而形成，有利于延長高壓爆炸氣體的膨脹做功時間，有利于裂隙發(fā)展，提高爆炸能量的有效利用率[11]。由圖2可知：隨著爆破排數(shù)(爆破層厚度)的增加，空槽寬度逐漸減??；當爆破層厚度達到25 m時，空槽寬度和礦石碎脹系數(shù)均很小，對擠壓作用不利。因此，擠壓爆破層厚度控制在15 m左右。

4)孔底起爆彈反向起爆技術(shù)

試驗采場首次在該礦采用針對井下涌水量較大、中深孔裝藥困難而自行設(shè)計的孔底起爆彈。該產(chǎn)品具有成本低、加工簡單、防水、防潮、防靜電、抗沖擊、孔內(nèi)安裝安全便捷的優(yōu)點，適用于礦山各種環(huán)境條件；并且在起爆或爆破中不改變炸藥爆炸中的氧平衡，爆破后不產(chǎn)生有害成分，對井下生產(chǎn)環(huán)境無不利影響。

自行研制的起爆彈的優(yōu)勢主要有：可實現(xiàn)孔底安全、可靠起爆，提高了孔底起爆的可靠性；可將起爆體與主爆破炸藥一次性裝入孔中，簡化了裝藥工序，提高了工人勞動效率；完全可以取消一般中孔起爆中導(dǎo)爆索的使用，增大了裝藥過程的安全性；使用起爆彈孔底起爆延長了爆炸產(chǎn)物對礦巖的作業(yè)時間，提高了爆炸能量的利用率，有利于改善爆破效果，提高炮孔利用率和眉線完好率，防止爆破懸頂?shù)漠a(chǎn)生，降低爆破礦石大塊的產(chǎn)出，大大降低二次爆破炸藥單耗；避免爆破中盲炮、埋孔、卡孔等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5)最大一段爆破藥量控制技術(shù)

由于礦山主副斜井均距礦體較近，同時礦山通風主風機位于試驗采場上部，為確保礦房大爆破中生產(chǎn)設(shè)施及采場的安全，對爆破地震效應(yīng)、空氣沖擊波等進行計算，最終確定爆破最大一段單響藥量。

6)扇形中深孔孔口間隔裝藥爆破技術(shù)

試驗采場根據(jù)扇形炮孔落礦的炸藥分布不均、孔底炸藥量分布偏低、孔口炸藥量分布偏高、在分段高度較大時鄰近巷道部分炮孔密集度很大的特點，采取了減小下部孔口裝藥量的措施(見圖3)，使每排炮孔上下部裝藥量及炸藥單耗基本平衡，從而達到降低大塊率、保護出礦眉線口的目的?，F(xiàn)場實踐證明，采用孔口間隔裝藥，炮孔出礦眉線口在爆破后完好率均在75%以上，大塊率及炸藥一二次單耗均有大幅度下降。

圖3 中深孔孔口間隔裝藥示意圖

2.7 采場礦房大爆破

為使礦房爆破各區(qū)域邊界整齊對應(yīng)，在各次爆破中不致相互影響，分區(qū)時盡可能使同分層截止排位平齊。

2.7.1 導(dǎo)爆管雷管段別確定及段位分配

礦房回采采用多進路多分層的爆破落礦方式，為了增加同一分層各爆破段位之間的間隔時間，確保同一分層內(nèi)爆破順序準確無誤，同一分層跳段使用導(dǎo)爆管雷管段位，即同一分層使用1、3、5、7、9段或2、4、6、8、10段。為使礦房爆破相鄰分層之間的爆破具有整體性，同時確保每次總爆破時間最短，相鄰上下分層之間分別采用1、3、5、7、9段和2、4、6、8、10段。隨著毫秒導(dǎo)爆管雷管段別的增加，其秒量差增大。因此，一次爆破導(dǎo)爆管雷管段別選擇最大段別在15段以內(nèi)，控制爆破時間在5 s以內(nèi)，以提高井下中深孔大爆破的可靠性。

根據(jù)各次爆破范圍內(nèi)各分層進路的總爆破排數(shù)，以各分層上下左右同段導(dǎo)爆管雷管起爆截止排位基本一致的原則，劃分同段導(dǎo)爆管雷管起爆區(qū)域，該區(qū)域數(shù)量即為同段導(dǎo)爆管雷管的段數(shù)。同一條進路同段導(dǎo)爆管雷管的起爆排數(shù)以2～4排為宜，可根據(jù)具體情況在1～4排內(nèi)進行調(diào)整。不同段位導(dǎo)爆管雷管數(shù)量可由該區(qū)域炮孔數(shù)量確定。由于采用復(fù)式起爆網(wǎng)絡(luò)起爆，每個炮孔中安設(shè)2發(fā)雷管，導(dǎo)爆管雷管數(shù)量為炮孔數(shù)的2倍。

2.7.2 裝藥結(jié)構(gòu)

采場落礦全部采用扇形中深孔裝藥落礦，起爆采用非電毫秒微差導(dǎo)爆管雷管孔底起爆，根據(jù)分層高度及炮孔深度，900、912 m分層的導(dǎo)爆管雷管腳線長度為15 m，926 m分層的為20 m。中深孔爆破采用散裝2#巖石銨梯炸藥，BQF-100型風動裝藥器裝藥，平均裝藥系數(shù)0.85，裝藥密度1.0 g/cm3，每米炮孔裝藥量2.83 kg。為了提高炸藥利用率，保護出礦眉線，900 m分層炮孔孔口交錯留1～3.5 m不裝藥，其他兩個分層扇形炮孔隔排孔口留1～1.5 m不裝藥。裝藥時要保證裝藥密度。

2.8 礦柱回采

試驗采場采用分段鑿巖階段空場法開采，礦柱礦量占礦塊總礦量的40%以上。因此，礦柱的有效回收對于提高礦山經(jīng)濟效益、增加礦山服務(wù)年限意義重大，同時也是實現(xiàn)高效安全采礦的前提。

采場礦體回采時，相鄰礦塊先后投入回采，開采強度基本保持一致，礦柱回收方案為：礦房回采結(jié)束后，將間柱上部和頂柱一次性爆破回收，隨后出礦；出礦到一定程度后，在保證一定礦石覆蓋層厚度的情況下，對采空區(qū)進行處理；然后再回收間柱下部和底部結(jié)構(gòu)，其目的是保持出礦始終在覆蓋層的保護下進行。

回收頂柱的爆破采用不同分區(qū)一次性完成，炮孔間采用毫秒微差孔底反向起爆技術(shù)，不同分區(qū)的支導(dǎo)爆索與通風行人天井內(nèi)的主導(dǎo)爆索相連，形成復(fù)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，匯集于通風行人天井底部。將頂柱與間柱兩個分層一次起爆，爆破后礦石落入間柱兩側(cè)的采空區(qū)，從礦房底部結(jié)構(gòu)出礦。該方案的優(yōu)點是：新增工程量少；采用復(fù)式爆破網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孔底反向起爆技術(shù)一次性爆破，安全高效；既能保證崩落頂柱和部分間柱在下部間柱上形成覆蓋層，又可節(jié)約形成補償空間的工程量，降低了成本、縮短了工期，同時還降低了貧損率，技術(shù)經(jīng)濟指標良好。缺點是：一次起爆裝藥量大，作業(yè)面廣，勞動強度大；施工組織和爆破程序較為復(fù)雜，各工序的管理與協(xié)調(diào)難度較大。

2.9 成本分析

2.9.1 采礦成本

試驗采場采礦成本為45.04 元/t，各分項成本見表2。

表2 試驗采場采礦成本 單位：元/t

2.9.2 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

本次試驗采用了多項先進的高效采礦工藝技術(shù)，獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(見表3)。

表3 采礦試驗主要技術(shù)經(jīng)濟指標

2.9.3 經(jīng)濟效益

本次試驗采場的經(jīng)濟效益指標見表4。

表4 試驗采場經(jīng)濟效益指標

由表4可知，采選利潤增加了1 702.03萬元，經(jīng)濟效益顯著。

3 結(jié)論

a.分段鑿巖階段空場法是一種適合東升廟礦的高效靈活的采礦方法，其具有采切比小、采準周期短、生產(chǎn)集中、生產(chǎn)能力大、地壓維護安全可靠、損貧率低等優(yōu)點。

b.在東升廟礦首次試驗成功了中深孔全面落礦技術(shù)，改善了落礦效果，降低了工人勞動強度，提高了采礦的安全性。

c.試驗研究獲得了良好的技術(shù)經(jīng)濟指標：采切比3.31 m/kt、礦石損失率1.60%、貧化率1.95%。

d.分段鑿巖階段空場法較淺孔留礦法可為采場多創(chuàng)造1 702.03萬元的經(jīng)濟效益。