董凱程，汪海峰，于永純，施仁智，蔣志明

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.云南黃金礦業(yè)集團股份有限公司，昆明 650224；3.長沙理工大學，長沙 410114)

金廠河多金屬礦緩傾斜中厚礦體開采技術難度大、開采成本高、充填工藝復雜，是國內外公認的難采礦體[1-3]。需要開展礦山巖石力學、采礦方法及充填工藝研究，提出適合礦山開采條件的先進工藝技術。在開展現場、室內試驗的基礎上，結合礦山開拓系統(tǒng)現狀，制定金廠河多金屬礦合理的采礦方法。通過現場回采工業(yè)試驗驗證優(yōu)化礦山開采工藝及結構參數，確定礦山整體回采順序，實現礦山開采地壓有效管理，實現該類礦體的高效精細化開采，為礦山順利投產達產、安全高效開采提供技術支撐，提高礦山綜合效益。

1 礦山工程地質情況

礦區(qū)銅鉛鋅鐵礦體屬隱伏礦體，礦體總體走向為北東-南西向，沿走向總體礦化帶長達1 000 m，傾向總體緩傾向東，沿傾向礦化帶總長為1 500 m，礦體形態(tài)呈波狀起伏，層狀、似層狀產出，在金廠河隆起中心部位礦化較強，礦體厚度大，向四周礦化減弱。

礦體呈透鏡狀、似層狀、層狀以密集群、帶產于矽卡巖中。礦體傾角約5°～15°，厚度5～40 m不等，屬于典型的緩傾斜中厚礦體。圍巖主要為大理巖、矽卡巖及大理巖化灰?guī)r、鈣質板巖、輝綠輝長巖等。

從現場礦巖揭露情況來看，頂底板大理巖節(jié)理構造較為發(fā)育，穩(wěn)定性較差。礦體強度高、穩(wěn)固性較好。對礦體、礦體上下盤圍巖進行巖石力學試驗，獲取其關鍵巖石力學參數，為后續(xù)巖體質量分級、采礦方法的研究制定及穩(wěn)定性分析提供基礎參數。礦巖關鍵巖石力學參數如表1所示。

表1 巖石物理力學數據表

巖體是在自然環(huán)境下形成的不均勻體，巖石力學強度指標在一定程度上能夠反映巖體穩(wěn)定性。但綜合考慮巖體工程環(huán)境、構造發(fā)育、構造產狀等巖體質量分級指標因素，能夠相對較為合理地反映巖體的綜合質量，為巖體穩(wěn)定性分析提供依據[4-6]。

根據《工程巖體分級標準》GB/T 50218—2014的規(guī)定，對礦山已揭露工程巖體進行巖體質量評價，通過測定得到的巖體堅硬性程度及巖體完整性結果，結合公式即可對各巖組的基本質量BQ進行分級，并對巖體質量進行修訂，得到修正后的巖體質量參數[BQ]，詳細計算結果見表2。

表2 首采區(qū)巖體質量分級結果

根據分析結果，礦區(qū)調查區(qū)域內頂板大理巖為Ⅲ～Ⅳ級巖體，為堅硬巖且較破碎—破碎巖體，結合國標及現場情況并保證安全生產，建議將頂板大理巖定為Ⅳ級。礦體質量級別為Ⅲ級巖體，為堅硬巖，可基本穩(wěn)定。底板大理巖為Ⅳ級巖體，巖體為較堅硬巖且較為破碎?？傮w來說，該礦體頂底板穩(wěn)定性較差，礦體巖體質量較好，生產中應對頂板進行相應的支護。

2 采場孔網參數確定

采場炮孔參數的確定對采場回采具有非常重要的意義，一方面能夠保證采場順利落礦，同時能夠確保采場落礦的塊度，保障后續(xù)出礦、提升等作業(yè)的平穩(wěn)性。炮孔參數一般是通過現場爆破漏斗試驗及理論計算的方式進行確定，結合采礦工藝方案確定最佳的孔網參數[7-8]。

2.1 爆破漏斗試驗方案

金廠河多金屬礦爆破漏斗試驗需同時滿足Φ70 mm中深孔和Φ165 mm大孔爆破的生產需求，且中深孔爆破與大孔爆破區(qū)域的礦巖性質存在一定的差異，具體的爆破漏斗試驗基本方法如下：

1)綜合考慮不同巖性，通過單孔爆破漏斗試驗尋求藥包最佳埋深Lj；

2)以藥包最佳爆破埋深Lj進行變孔距同段爆破漏斗試驗，確定孔間距，計算單位炸藥消耗量；

3)采用柱狀連續(xù)裝藥結構進行單孔斜面臺階爆破，求得最大抵抗線W；

4)根據試驗結果與理論分析結果，確定中深孔與大孔鑿巖爆破參數。

2.2 爆破漏斗現場試驗

根據現場情況，確定在15#采場底部切割巷道開展一系列的爆破漏斗試驗。在統(tǒng)籌考慮大直徑深孔與中深孔爆破參數的基礎上，分別在試驗區(qū)域施工Φ105 mm和Φ70 mm炮孔。以Φ105 mm孔徑為主，在獲取基本的爆破漏斗試驗參數后，結合不同的礦巖類型進一步的優(yōu)化調整，進而確定大直徑深孔與中深孔爆破參數。

2.2.1 大直徑深孔爆破漏斗試驗

選擇15#采場進行單孔系列爆破漏斗試驗，炮孔布置于15#采場切割巷道幫壁，垂直巷道鑿巖。所有炮孔均位于巷道中腰線高度，炮孔中心高度大致為1.3 m，炮孔直徑為105 mm。為保證各炮孔爆破后形成的漏斗不互相干擾，試驗炮孔的間距為3.5 m。炮孔布置如圖1所示。

圖1 試驗炮孔布置圖Fig.1 Test hole layout

礦山開采爆破通常采用多孔起爆方式，炮孔間距的大小直接影響爆破效果。為提高大直徑深孔爆破效果，在大直徑深孔系列爆破漏斗試驗獲得最佳比例埋深與最佳比例半徑的基礎上，進行變孔距多孔同段爆破模擬試驗，以尋求炮孔間距與最佳爆破漏斗半徑之間的關系。

在15#采場設計一組共5孔間距2.4～3.0 m不等的試驗炮孔，炮孔直徑為Φ105 mm，藥卷直徑為Φ90 mm，長度520 mm。每個炮孔內裝2#巖石乳化炸藥4.6 kg。炮孔裝藥后以炮泥堵塞至孔口，炮孔距離巷道底板的高度約1.25 m，采用3段非電毫秒雷管齊發(fā)爆破，爆破后測量爆破形態(tài)。爆破溝槽實測輪廓線圖見圖2。

圖2 爆破溝槽實測輪廓線圖(單位：m)Fig.2 Measured contour diagram of blasting groove(Unit：m)

通過變孔距多孔同段爆破模式試驗過程中的現場觀察，爆破后平均塊度偏大，且存在節(jié)理構造控制形成的個別特大塊。因此在生產爆破時應采用合理的裝藥結構與崩礦方式，適當提高炸藥單耗控制大塊的產出。

按球狀藥包計算，對于Φ165 mm的孔徑，采用Φ150 mm的藥包直徑，其單層裝藥量Q為25～30 kg，藥包長度1.0～1.2 m，長徑比為6.67～8.0，則有：

1)炮孔間距a

當分層裝藥量為25 kg時：

a1=(1.6～1.8)brj×Q1/3

=(1.6～1.8)×0.622×251/3

=2.91～3.27 m

當分層裝藥量為30 kg時：

a1=(1.6～1.8)brj×Q1/3

=(1.6～1.8)×0.622×301/3

=3.09～3.48 m

式中：a—炮孔間距，m；brj—最佳比例半徑，m；Q—裝藥量，kg。

2)排間距b

根據類似礦山的爆破實踐以及單孔爆破漏斗試驗結果，取中間炮孔排距b=2.8 m，邊孔排距加密至2.6 m，以控制爆破有害效應、維護相鄰采場礦柱的穩(wěn)定性[9]。

2.2.2 中深孔爆破漏斗試驗

為研究中深孔爆破抵抗線合理的參數，據此設計斜面臺階爆破試驗，通過對斜面臺階的最小抵抗線由小到大連續(xù)變化對礦巖破壞程度的研究，可以確定合適的最小抵抗線。共布置18～21號四個炮孔做為試驗炮孔，如圖3所示。

圖3 爆破炮孔布置圖Fig.3 Blasting holes layout

參照單孔系列爆破漏斗試驗成果，根據爆破漏斗相似律，可求得Φ70 mm炮孔爆破漏斗的臨界埋深為1.09 m，最佳埋深為0.76 m。在15#采場1 750 m出礦水平出礦進路間柱中分別布置4個炮孔水平傾角為45°、孔深2.5 m、孔徑Φ70 mm的斜面臺階爆破試驗炮孔。

試驗過程中對各項技術參數進行現場的測量與統(tǒng)計，具體的爆破參數見表3。

表3 單孔斜面臺階爆破試驗結果Table 3 Blasting test results of single hole inclined step

參考其他礦山生產經驗，一般雙孔斜面臺階爆破試驗的最小抵抗線均可提高約10%～15%?？紤]到金廠河多金屬礦生產采場扇形中深孔同排同段起爆的爆破的群孔加強效應，實際確定炮孔排距時可考慮1.10～1.15的增強系數。

當采用Φ70 mm孔徑且單位炮孔裝藥量(線裝藥密度)為3.10 kg/m時，在采用卷裝炸藥不耦合裝藥的情況下，對于礦石致密堅硬區(qū)段，確定最小抵抗線(排距)為1.4 m；對于礦石破碎疏松區(qū)段，確定其最小抵抗線(排距)為1.6 m。

2.3 采場孔網參數優(yōu)化

按照初步設計規(guī)劃，金廠河多金屬礦大直徑深孔采場的寬度為15 m，中深孔采場的寬度為10 m。根據前期爆破漏斗試驗等研究結果，對采場的孔網參數設計進一步優(yōu)化。在充分考慮試驗數據的基礎上，對采場大規(guī)模揭露后礦體節(jié)理裂隙發(fā)育、爆破塊度控制難的現狀，對炮孔布置參數進行適當的調整，為采場的精細化開采創(chuàng)造條件。

大直徑深孔開采采場的炮孔直徑為165 mm。一步驟礦房采場共布置炮孔6排，中間排的排距為3.0 m、邊孔與中間孔的距離為2.5 m，邊孔距離控制線0.5 m，炮孔間距為2.8 m(垂直排線方向)。

中深孔孔徑70 mm，炮孔的排距為1.4～1.6 m，孔底距為1.8～2.4 m。施工過程中根據礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況進行適當的調整。

3 中厚礦體采礦方法

根據礦體開采技術條件，研究制定相應的采礦方法方案。并對厚大礦體和中厚礦體部分采取不同的方案，保障開采安全的同時，提高采場回采各項技術經濟指標。

3.1 厚大礦體采礦方法

金廠河多金屬礦地表不允許崩落，礦體厚大區(qū)域為礦山主要產量分布區(qū)，因此應研究選用高效的充填采礦法開采。對于厚大礦體(厚度大于30 m)而言，盡可能選擇高效的大直徑深孔或中深孔嗣后充填采礦方法。在初步設計及國內外類似礦山開采技術調研的基礎上，研究采用大直徑深孔空場嗣后充填采礦法開采。

礦房、礦柱按15 m寬垂直礦體走向方向依次布置，采用“隔三采一”的方式。長度為傾向長度，高度為礦體厚度。根據礦山開拓系統(tǒng)現狀，在礦體底部布置鏟運機斜坡道及回風斜坡道，礦體中施工穿脈聯(lián)通礦體兩端斜坡道。礦體上部布置人行斜坡道，設置充填、通風水平。礦體上、下部斜坡道及充填、通風水平形成采場人行、通風、充填等系統(tǒng)工程，采場形成回采條件。

通過前述分析及研究成果可知，采場頂板為不穩(wěn)固大理巖。采場上部設置鑿巖硐室，因鑿巖硐室跨度較大且頂部為穩(wěn)固性較差的圍巖，因此硐室頂板除采用錨索噴漿支護外，還應預留臨時點柱或條柱。另外，結合硐室頂板礦體及圍巖賦存情況，預留部分礦體保護硐室頂板。底部階段設計穿脈出礦巷道、裝礦進路及受礦硐室等，如圖4所示。

圖4 大直徑深孔空場嗣后充填開采示意圖Fig.4 Schematic diagram of large diameter deep hole open stoping with subsequent filling mining

采用非電環(huán)形起爆系統(tǒng)，可靠程度較高的毫秒微差雷管起爆。出礦選用2～3 m3的鏟運機，從裝礦進路中裝礦經穿脈出礦巷道運至端部溜礦井；受礦硐室的殘礦采用遙控鏟運機清理，應避免人員直接進入受礦硐室作業(yè)。

采場崩落礦石出礦完畢后，應及時對采空區(qū)進行充填。礦房采場回采后進行膠結充填，尾砂灰砂比為1∶4～1∶10；礦柱采場采后用廢石或尾砂非膠結充填。

3.2 中厚礦體采礦方法

金廠河多金屬礦中部區(qū)域礦體厚度中等(厚度5～30 m)，礦體頂板為不穩(wěn)固大理巖，本研究采用中深孔空場嗣后充填采礦法開采方案。

礦房、礦柱按12～15 m寬垂直礦體走向依次劃分，長度為礦體南北寬度，分段高度即礦體厚度約20 m。礦塊實行“隔三采一”回采順序，分礦房、礦柱兩步驟回采。由于礦體頂板為不穩(wěn)固大理巖，因此采場頂板預留1～2 m礦體不予回采，以保證回采過程中采場頂板的穩(wěn)定。

鑿巖采用中深孔臺車從鑿巖巷道鑿上向扇形孔，孔徑Φ65～100 mm。炮孔的孔底距與排距在爆破漏斗試驗結果的基礎上調整，以克服構造對爆破后大塊形成的作用。推薦的孔底距為1.8 m，排間距為1.4 m。在切割平巷中以切割天井為自由面自下而上進行爆破拉槽，切割槽形成后用中深孔以槽區(qū)為補償空間實行分段側向爆破，從中間槽區(qū)向礦體上下盤后退分次側向崩礦回采。爆破用乳化炸藥、起爆藥包、導爆索、毫秒微差雷管及導爆管等，采用裝藥車(或裝藥器)裝藥。為使側向崩礦有足夠爆破補償空間，側向崩礦開始后即可進行大量出礦。出礦選用2 m3的柴油鏟運機，從裝礦進路中裝礦經穿脈出礦巷道運至脈外溜礦井；受礦硐室的殘礦采用遙控鏟運機清理，避免人員直接進入受礦硐室作業(yè)。采場全部回采結束后對底部結構殘礦布置淺孔，回收底部結構部分殘礦，提高采場總體回采率。如圖5所示，根據礦山的開采技術條件，針對緩傾斜中厚礦體，研究采用大直徑深孔空場嗣后充填法和分段空場嗣后充填法開采。根據頂板及礦體穩(wěn)固性采取一定的支護措施，采用硐室加強支護及預留礦柱等方式，實現對不同類型礦體的高效開采與頂板精細化控制。

圖5 分段空場嗣后充填開采示意圖Fig.5 Schematic diagram of sublevel open stope subsequent filling mining

4 工程實踐

4.1 試驗采場選擇

金廠河多金屬礦礦體總體呈現“東厚西薄”的特點，東部開拓系統(tǒng)建設相對完善，因此選擇在東部采區(qū)開展采礦方法工業(yè)試驗。東部采區(qū)礦體厚度較大，采用大直徑深孔空場嗣后充填采礦法開采。按照“隔三采一”的總體原則，選取15#、19#、23#三個采場開展采礦方法現場工業(yè)試驗。通過現場的工業(yè)試驗，進一步優(yōu)化各項技術參數及工藝方案，為礦山后續(xù)大規(guī)模生產提供技術支撐。

4.2 試驗方案

東部區(qū)域采用大直徑深孔空場嗣后充填采礦法開采，以19#采場重點介紹采場工業(yè)試驗方案。如圖6所示，19#采場礦體厚度約35 m，礦體傾角較緩。沿采場長度方向，共布置炮孔36排，礦柱位置布置斜孔，控制炮孔爆破抵抗線及爆破落礦的塊度。

圖6 19#采場工程及炮孔布置圖Fig.6 19# stope engineering and hole layout drawing

19#采場利用穿脈巷道后退式擴刷形成鑿巖硐室，條柱布置在鑿巖硐室中部，條柱寬度3 m，條柱間進行開口形成多個不連續(xù)條柱。頂板采用噴錨網+長錨索支護。其中長錨索長度為6～8 m，間距為3 m×3 m。采場底部采用塹溝結構，高度8～10 m。底部結構采用中深孔爆破施工，在塹溝巷道中部施工切割井及切割橫向，通過爆破形成切割槽，作為正常中深孔排爆破自由面，最終形成塹溝底部結構。

采場孔徑為165 mm，采場寬度方向共布置6排炮孔。炮孔排距為2.6～2.8 m，邊孔距離采場邊界0.5 m，中間孔間距為3 m，邊孔與中間孔間距2.5 m。靠近鑿巖硐室礦柱位置布置斜孔，確保爆破質量及塊度。拉槽區(qū)布置在采場靠近中部區(qū)域，采用VCR法拉槽，在正常炮孔設計的基礎上，布置4個加密炮孔。

采用“VCR”拉槽及倒梯段側向分段崩礦回采工藝。首先進行“VCR”法拉槽分層爆破，每次爆破高度3 m左右，采場頂部剩余6～8 m，一次爆破后形成切割空間。其余炮孔已切割空間為自由面，側向崩礦。為有效控制爆破振動對采場頂板等的影響，側向崩礦最大單響藥量控制在300 kg以下。同時，為控制邊孔爆破對采場幫壁的影響，邊孔采用空氣間隔不耦合裝藥。

4.3 開采試驗效果分析

2018年6月，完成15#、19#、23#三個采場的單體設計工作，并同步開展采準工程及炮孔施工。2020年6月15日，15#、19#、23#三個采場完成工業(yè)試驗回采工作。其中，19#采場共進行18次爆破，崩礦量87 474.8 t，炸藥單耗0.35 kg/t。采場回采結束后，對采場采空區(qū)進行三維激光掃描，獲取采場回采采空區(qū)的三維空間形態(tài)及相關信息特征。由三維模型分析可知，采場回采的邊界規(guī)整，采場頂板及兩側幫壁未發(fā)生明顯的破壞及變形，采空區(qū)穩(wěn)定性良好，總體達到了研究設計的預期要求。

圖7 19#采場采空區(qū)Fig.7 19# stope goaf

根據現場生產統(tǒng)計數據，采場出礦能力達到500 t/d以上，采礦爆破炸藥單耗0.35～0.38 kg/t。以19#采場為例，實際采礦貧化率為8.72%，損失率11.07%。采場破頂后，采場兩幫及頂板未發(fā)生明顯的變化，局部位于大理巖層內頂板產生冒落。

總體說明，采礦方法工業(yè)試驗形成的采空區(qū)穩(wěn)定性較好，技術指標達到預期效果。從三維模型(圖7)分析來看，一步驟采場回采后，炮孔爆破存在一定超挖。建議后期開采將邊孔距離調整為0.7 m。

5 結論

文章在對比分析不同礦體開采技術條件的基礎上，針對礦體破碎頂板穩(wěn)固性差的現狀，研究提出厚大礦體及中厚礦體采礦方法方案。開展了爆破漏斗試驗研究，確定采場爆破孔網參數，并通過工業(yè)試驗研究進一步優(yōu)化采礦方案，獲取貧化損失率等技術經濟指標，為礦山的大規(guī)模開采提供支撐。

破碎頂板下的中厚礦體安全高效開采技術，利用頂板加固支護或礦體護頂方式實現對頂板的控制，利用大直徑深孔及中深孔對礦體進行高效開采。該技術安全性好、回采效率高、經濟指標好，對類似礦體地下開采具有很好的借鑒意義。