黨建東，闞忠輝，董凱程，陳 剛

(1.安徽銅冠(廬江)礦業(yè)有限公司，安徽 廬江 231500； 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

沙溪銅礦主礦體厚大，主要采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采。對(duì)于主礦體周圍的薄礦體主要利用淺孔留礦空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采。對(duì)于薄礦體開(kāi)采而言，常用的有淺孔留礦法和削壁充填采礦法。上述兩種采礦法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用得較為普遍，但人員設(shè)備都要直接進(jìn)入采場(chǎng)內(nèi)作業(yè)，作業(yè)安全性較差，開(kāi)采的效率較低，貧化損失率指標(biāo)難以控制[1-2]。同時(shí)，采用淺孔留礦法開(kāi)采需要施工大量的人行天井及聯(lián)絡(luò)道，施工難度大，作業(yè)過(guò)程存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于薄礦體開(kāi)采技術(shù)，國(guó)內(nèi)眾多礦山及科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的研究探索，總體來(lái)說(shuō)是采用小孔徑、小藥量、控制爆破的方法，嘗試采用中深孔爆破的方式盡可能減少采切工程量，提高回采率，控制回采的邊界。另外，針對(duì)部分品位較高的礦體，通過(guò)擴(kuò)大采場(chǎng)寬度，控制總體的貧化率，以提高回采的綜合經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。針對(duì)礦山的開(kāi)采條件研究制定相應(yīng)的技術(shù)方案，開(kāi)展針對(duì)性的薄礦體開(kāi)采技術(shù)研究與工程應(yīng)用，亦為其它類似礦山薄礦體開(kāi)采提供參考。

1 急傾斜薄礦體開(kāi)采條件分析

沙溪銅礦急傾斜薄礦體主要賦存在主礦體周邊，礦體的平均厚度為1～2 m，礦體傾角約70°，礦巖硬度大，穩(wěn)固性極好。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采形成的采空區(qū)分析，階段高度60 m采空區(qū)穩(wěn)定性極佳，為后續(xù)階段開(kāi)采提供了良好條件。

目前開(kāi)采主要利用主礦體形成的開(kāi)拓系統(tǒng)，但采用淺孔留礦法開(kāi)采面臨的最大問(wèn)題是：高階段人形天井施工難度極大，人員作業(yè)安全保障性差。另外，由于礦體厚度較薄，開(kāi)采過(guò)程采場(chǎng)邊界難以控制，因此造成的礦石貧化率較高，采場(chǎng)出礦的品位偏低。采用淺孔落礦需要施工大量的聯(lián)絡(luò)巷工程，落礦的效率偏低。

礦體RQD平均值83%，單孔最大值91%，單孔最小值77%；頂板(±10 m)RQD平均值81%，單孔最大值88%，單孔最小值68%；底板(±10 m)RQD平均值82%，單孔最大值89%，單孔最小值70%。總體巖體較完整，巖石質(zhì)量較好。從現(xiàn)場(chǎng)工程來(lái)看，巷道頂板穩(wěn)固光滑，節(jié)理構(gòu)造不發(fā)育。

2 中深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破可實(shí)現(xiàn)在爆破開(kāi)挖區(qū)和保留區(qū)之間預(yù)先形成一條孔間貫通的裂縫，使爆破區(qū)爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波傳到預(yù)裂縫時(shí)，部分被反射掉，從而減少透射到保留區(qū)應(yīng)力波的強(qiáng)度，達(dá)到減振并保護(hù)保留區(qū)的目的。同時(shí)，主爆區(qū)巖體爆破后產(chǎn)生的裂縫向保留區(qū)貫通時(shí)被切斷，從而使保留區(qū)巖體更加完整，遭受爆破區(qū)破壞影響范圍控制到最小[5]。對(duì)于薄礦體開(kāi)采而言，如何控制小采幅采場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中的開(kāi)采邊界，對(duì)貧損指標(biāo)的控制非常關(guān)鍵。通過(guò)研究中深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，對(duì)采場(chǎng)內(nèi)礦巖進(jìn)行預(yù)分離，為后續(xù)的礦體爆破開(kāi)采提供條件。對(duì)于中深孔預(yù)裂爆破開(kāi)采薄礦體，重點(diǎn)是選擇炮孔參數(shù)及起爆方式，礦體開(kāi)采前形成礦巖間的預(yù)裂縫，以對(duì)后期薄礦體的開(kāi)采控制形成有利條件。

2.1 預(yù)裂孔不耦合系數(shù)

采用炮孔不耦合裝藥，炸藥起爆后爆生氣體在孔內(nèi)形成空氣柱，再通過(guò)裂縫進(jìn)行擴(kuò)展。不耦合裝藥爆破可以有效減少炸藥爆破后粉碎區(qū)的范圍，提高爆生氣體對(duì)外擴(kuò)展作用，在光面爆破、預(yù)裂爆破中應(yīng)用較為廣泛。不耦合系數(shù)的大小直接關(guān)系到孔內(nèi)炸藥爆破后能量傳播和預(yù)裂縫形成效果，影響到爆炸能量的傳播和預(yù)裂縫形成狀況，而預(yù)裂縫形成的狀況直接關(guān)乎主爆區(qū)爆破減震及裂縫擴(kuò)展控制的效果。為了達(dá)到良好的預(yù)裂縫減震和控制爆破的效果，礦巖界限處布置的預(yù)裂孔爆破后既要形成裂縫，使得礦巖有效分割，又不能在礦巖界限處形成粉碎圈。因此，孔壁上初始沖擊壓力要小于巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度[6]，即：

σtd≤Pc≤[σcd]

(1)

σcd=N·ND·[σc]

(2)

式中，σtd為動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa，其值隨加載應(yīng)變率變化很小，在巖石工程爆破的加載應(yīng)變率范圍內(nèi)，可以取σtd=σt，σt為巖石的單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa；σcd為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa。N是抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)，一般取7～10，軟巖取大值，硬巖取小值，沙溪銅礦巖體強(qiáng)度很高(如表1所示)，因此N取7；ND是巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高系數(shù)；σc是巖石單向靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；PC為環(huán)形不耦合柱狀裝藥在預(yù)裂炮孔中爆炸后對(duì)孔壁施加的強(qiáng)沖擊載荷，MPa。

表1 礦巖主要巖石力學(xué)參數(shù)

按照上述理論公式可以計(jì)算出預(yù)裂爆破炮孔的不耦合系數(shù)，當(dāng)采用耦合裝藥的時(shí)候，不耦合系數(shù)設(shè)為1，實(shí)際工程參考理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 炮孔間距

對(duì)于薄礦體開(kāi)采預(yù)裂爆破而言，礦巖界限處布置的柱狀不耦合炸藥爆炸后，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波首先作用于孔壁形成初始裂隙圈，孔內(nèi)產(chǎn)生的爆生氣體膨脹擠入孔壁內(nèi)的初始徑向裂縫及原巖裂隙，使初始裂縫得到不同程度的擴(kuò)展，最終使孔與孔之間相互貫通，形成孔間的預(yù)裂縫，達(dá)到爆破預(yù)裂的效果。由于爆破后產(chǎn)生的粉碎區(qū)對(duì)爆生氣體的擴(kuò)展影響不大，孔間距應(yīng)滿足爆破后炮孔之間的貫通，使爆生氣體擴(kuò)展裂隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行預(yù)裂爆破參數(shù)工程設(shè)計(jì)時(shí)，孔間距和不耦合系數(shù)是實(shí)現(xiàn)預(yù)裂爆破效果最重要的參數(shù)，其參數(shù)的確定一般依賴于理論研究、工程類比、經(jīng)驗(yàn)公式以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法[6-7]。

沙溪銅礦開(kāi)拓系統(tǒng)采用的階段高度為60 m，依據(jù)礦山開(kāi)采條件及設(shè)備配比情況，薄礦體開(kāi)采擬采用直徑65 mm炮孔、2#巖石炸藥，由于粉狀炸藥施工過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)不耦合裝藥，設(shè)計(jì)采用全長(zhǎng)耦合裝藥。

在參考礦山前期理論計(jì)算數(shù)據(jù)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定沙溪銅礦薄礦體開(kāi)采預(yù)裂爆破炮孔的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。炮孔孔徑為65 mm，炮孔長(zhǎng)度10 m左右，炮孔的間距為0.5 m。采用2#巖石炸藥，全長(zhǎng)耦合裝藥。為保證孔內(nèi)炸藥起爆效果，孔內(nèi)全長(zhǎng)鋪設(shè)導(dǎo)爆索，多孔同時(shí)起爆。炮孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 礦巖界限預(yù)裂炮孔布置平面圖Fig.1 Pre-splitting blast-hole layout plan of ore-rock boundary

3 薄礦體開(kāi)采方案

傳統(tǒng)的薄礦體開(kāi)采一般采用淺孔留礦法或削壁充填法開(kāi)采。傳統(tǒng)采礦方法具有一定的適用性且在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多[8-9]，本文創(chuàng)新提出邊孔預(yù)裂后自然崩落采礦方法，以提高回采效率及控制貧損指標(biāo)。采礦工藝如圖2、3所示。

1—礦柱；2—分段巷道；3—中段運(yùn)輸巷道；4—崩落礦石圖2 采礦方法剖面圖Fig.2 Mining method profile

1—礦巖界限；2—預(yù)裂孔；3—正常孔圖3 炮孔布置圖Fig.3 Blasting hole layout

沿礦體高度方向上劃分中段和分段，沿礦體走向方向上劃分礦房及礦柱。采場(chǎng)的上部及下部為中段巷道，中段巷道內(nèi)部留設(shè)數(shù)個(gè)分段巷道。中段巷道及分段巷道均與脈外斜坡道聯(lián)通，鑿巖在脈內(nèi)的分段巷道，出礦水平位于中段巷道。采場(chǎng)的長(zhǎng)度20～50 m，間柱寬度為3～8 m。分段高度5～20 m，階段高度15～60 m。由采場(chǎng)中段向兩端或一端向另一端開(kāi)采，分段爆破、階段出礦。鑿巖巷道內(nèi)施工上向或下向中深孔，中深孔爆破礦巖界限的預(yù)裂孔及落礦炮孔。采場(chǎng)炮孔爆破分為兩個(gè)步驟，預(yù)裂炮孔的爆破超前中間破巖炮孔一個(gè)步距，步距的寬度為3～5 m。首先是起爆礦巖界限的預(yù)裂炮孔，形成分離礦巖的預(yù)裂縫，同時(shí)為阻斷中間炮孔爆破對(duì)周圍圍巖的影響。預(yù)裂縫形成后，中間破巖炮孔爆破使得炮孔之間以及礦體內(nèi)部的構(gòu)造互相貫通，改變堅(jiān)硬礦體的穩(wěn)固性狀況，使其產(chǎn)生自然崩落。礦巖預(yù)裂分離后，中間炮孔爆破落礦。采場(chǎng)底部采用平底底部結(jié)構(gòu)并布置相應(yīng)的出礦進(jìn)路，落礦后通過(guò)中段運(yùn)輸水平布置的出礦進(jìn)路鏟運(yùn)至溜井或運(yùn)至主礦體運(yùn)輸系統(tǒng)。

通過(guò)分段鑿巖巷道施工上向或下向中深孔，每排炮孔的數(shù)量根據(jù)礦體厚度或者采場(chǎng)寬度確定。預(yù)裂孔兩排，布置在礦體兩側(cè)的礦巖交界面處，炮孔間距為0.5 m，用以對(duì)礦巖進(jìn)行預(yù)裂爆破，形成礦巖的預(yù)分離。中部炮孔布置2～3 排，采用平行布置的方式，炮孔排距為1.0 m，中間孔爆破后，孔與孔之間通過(guò)爆破方式聯(lián)通，改變礦石自身穩(wěn)固性狀態(tài)，與礦體周邊圍巖進(jìn)行分離后形成自然崩落。

炮孔直徑45～65 mm，孔內(nèi)填裝粉狀或粒狀銨油炸藥，炮孔全長(zhǎng)鋪設(shè)導(dǎo)爆索。爆破時(shí)，預(yù)裂孔先響，形成礦巖預(yù)切割，中部炮孔后響，形成礦石自然崩落。預(yù)裂孔爆破時(shí)多孔同時(shí)起爆，每次同段起爆的炮孔個(gè)數(shù)為3～5 個(gè)，形成孔間的貫通。采場(chǎng)中部的炮孔采用微差爆破的方式，前排先響、后排后響。雷管與導(dǎo)爆索連接，孔內(nèi)導(dǎo)爆索與主導(dǎo)爆索連接后形成起爆網(wǎng)絡(luò)。

薄礦體一般規(guī)模較小，且邊角礦體一般距離主礦體較遠(yuǎn)。因此薄礦體采場(chǎng)開(kāi)采結(jié)束后，盡可能采用封閉或非膠結(jié)充填，對(duì)主礦體或相鄰礦體開(kāi)采有影響的區(qū)域采用尾砂膠結(jié)充填。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

薄礦體采礦方法研究最重要的目的是提高開(kāi)采效率，控制貧損指標(biāo)，降低開(kāi)采成本。本文提出的采礦方法一方面通過(guò)預(yù)裂爆破控制薄礦體開(kāi)采邊界，同時(shí)利用中深孔落礦提高采礦效率。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析評(píng)價(jià)，分析淺孔留礦法、削壁充填法各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，充分評(píng)估研究提出技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)為方案的進(jìn)一步優(yōu)化提供借鑒[8-10]。

從表2可以看出，淺孔留礦法、削壁充填法、預(yù)裂自然崩落法3種方法中，預(yù)裂自然崩落法采用礦巖界限預(yù)裂孔的方式對(duì)礦巖進(jìn)行預(yù)分離，其貧損指標(biāo)控制最好。同時(shí)，采用中深孔落礦，采礦效率及采礦成本指標(biāo)控制方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 2 Technical-economic indicator

5 結(jié)論

對(duì)沙溪銅礦傾斜/急傾斜薄礦體采礦方法進(jìn)行研究，提出邊孔預(yù)裂后自然崩落采礦方法并對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比論證，得到以下結(jié)論：

1)預(yù)裂自然崩落法采用礦巖界限處的炮孔預(yù)裂、礦體內(nèi)炮孔爆破改性后自然崩落落礦的方式，有利于開(kāi)采過(guò)程中貧化損失的控制。

2)利用中深孔落礦，大幅減少采切工程量，提高采礦效率，降低采礦成本。

3)預(yù)裂孔的孔徑根據(jù)理論研究計(jì)算并在實(shí)踐中進(jìn)一步優(yōu)化，推薦65 mm炮孔全長(zhǎng)耦合裝藥的炮孔間距為0.5 m。在生產(chǎn)實(shí)踐中探索不同巖性及巖體質(zhì)量條件下預(yù)裂爆破的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

4)本文研究的采礦方法由于需要施工中深孔，對(duì)炮孔的精度要求較高，因此主要適用于急傾斜礦體，后續(xù)需要對(duì)不同產(chǎn)狀的礦體加強(qiáng)研究，增強(qiáng)其應(yīng)用的廣度及適用性。