姚高輝 肖云濤

（中色盧安夏銅業(yè)有限公司）

隨著選冶技術(shù)的突破和盧安夏濕法冶煉廠的建成投產(chǎn)，贊比亞盧安夏銅礦老采區(qū)以往未得到開采的大量高品位淺地表氧化礦（以下稱為“氧化帽”）資源已具備了巨大的開發(fā)利用價值［1］。盧安夏銅礦區(qū)原生礦資源經(jīng)過近百年的地下開采，氧化帽之下已經(jīng)形成大量的采空區(qū)。由于盧安夏銅礦屬于沉積巖型層狀銅礦床，巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育，且?guī)r體中等穩(wěn)定，地下采空區(qū)經(jīng)過幾十年的應(yīng)力變化和巖層垮塌，地表也出現(xiàn)大規(guī)模的塌陷［2］。此外，2001年2月，50 a一遇暴雨導(dǎo)致改道的盧安夏河大堤水位超過極限水位，河水漫過大堤進(jìn)入采礦塌陷區(qū)，大量水經(jīng)塌陷區(qū)裂縫灌入井下，導(dǎo)致盧安夏礦井被淹。目前礦區(qū)地下采空區(qū)充滿積水，水位標(biāo)高為1 204～1 206 m，采空區(qū)積水對氧化帽的開采安全造成一定的影響。因此，實(shí)現(xiàn)安全高效開采是開發(fā)這些淺地表氧化礦資源的前提條件。

1 礦區(qū)概況

盧安夏銅礦主要包括穆利亞希北、穆利亞希南、巴魯巴中、巴魯巴東、羅恩盆地、羅恩東延、羅恩西延7個礦段。礦區(qū)巖層風(fēng)化嚴(yán)重，其沉積巖層多含孔隙，透水，地表水容易進(jìn)入礦化區(qū)域。在近百年的開采過程中，地表出現(xiàn)大量塌陷區(qū)，深度為2～30 m［3］。為便于分區(qū)、分類研究，將地表塌陷區(qū)分為5個部分，即穆利亞希南、羅恩延長（西延和東延）、羅恩盆地、巴魯巴東以及巴魯巴中。上述塌陷區(qū)域的殘礦類型主要以靠近地表的氧化礦為主。

2 空區(qū)隔離層最小安全厚度確定

由于地下采空區(qū)的存在，在進(jìn)行地表氧化礦露天開采的時候必須考慮留設(shè)一定厚度的安全隔離層，才能保證露天開采和空區(qū)處理的安全。在空區(qū)賦存條件下，北京礦冶科技集團(tuán)有限公司和中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司科研人員針對不同安全厚度隔離層對邊坡及坑底穩(wěn)定性的影響進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬分析，同時與國內(nèi)外同類型礦山進(jìn)行對比分析（表1），在沉積巖層采空區(qū)頂板因年代久遠(yuǎn)而出現(xiàn)垮塌的前提下，最終確定盧安夏礦區(qū)露天開采隔離層的最小安全厚度為16～20 m，即2個臺階高度。

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3 近空區(qū)露天開采技術(shù)

由于氧化礦距離地表較近，適用露天開采方式，但露天坑下部采空區(qū)處理是影響氧化帽露天開采的關(guān)鍵。

3.1 采空區(qū)探測方法選擇

采空區(qū)探測方案應(yīng)與氧化帽開采范圍充分結(jié)合起來，只對露天開采影響范圍的采空區(qū)進(jìn)行探測，保證采空區(qū)探測結(jié)果能夠服務(wù)于氧化帽露天開采方案設(shè)計，縮短探測時間，降低探測成本。三維激光掃描主要適用于勘探采空區(qū)形態(tài)相對較為規(guī)整且便于測量的采空區(qū)，測量環(huán)境（水、粉塵等）對測量結(jié)果及精度影響較大。盧安夏銅礦地下采空區(qū)已被洪水淹沒，且采空區(qū)大部分已經(jīng)垮塌，采用三維激光掃描的方式難以實(shí)現(xiàn)較好的探測效果［4］。采用地球物理探測的方式能夠較為快速、大范圍地進(jìn)行勘探，但其受外界條件影響較大，探測結(jié)果誤差較大。采用鉆孔勘探的方式，一方面能夠與地質(zhì)勘探工作相結(jié)合，在提取鉆孔地質(zhì)信息的同時，大致探明采空區(qū)位置；另一方面，在生產(chǎn)過程中還能與現(xiàn)場穿孔爆破工作相結(jié)合，在穿孔作業(yè)的同時，準(zhǔn)確判斷采空區(qū)位置，對盧安夏銅礦氧化帽開采具有重要的指導(dǎo)意義［5］。

3.2 采空區(qū)探測鉆孔實(shí)施

3.2.1 空區(qū)探測與勘探結(jié)合

穆利亞希南露天礦共布置探測鉆孔18個，鉆孔長度為1 984 m。SS53線以西采空區(qū)范圍較大，且對氧化帽露天開采影響較大，該區(qū)域每條勘探線布置鉆孔3個。SS53以東采空區(qū)范圍較小且主要位于硫化礦下部，對氧化礦開采影響較小，每條勘探線布置勘探鉆孔2個。SS52露天坑距離采空區(qū)及塌陷區(qū)較遠(yuǎn)，暫不布置探測及勘探鉆孔，如圖1所示。

鉆孔施工過程中的重點(diǎn)是鉆孔信息的登記與編錄，尤其是鉆探施工中的異?，F(xiàn)象（卡鉆、掉鉆等），需要安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)，獲取服務(wù)露天開采設(shè)計的詳細(xì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2.2 采空區(qū)超前探測

根據(jù)穆利亞希南采空區(qū)賦存狀況，對于采空區(qū)超前探測一般提前2個臺階（16 m以上）進(jìn)行，如圖2所示。在具備探測條件的區(qū)域布置探測孔，探測孔兼做空區(qū)處理炮孔。探測孔在沿臺階走向方向布置間距為15 m以內(nèi)，在臺階傾向方向上根據(jù)是否下臥空區(qū)及下臥空區(qū)形態(tài)，布置1～2個鉆孔。對于附近發(fā)現(xiàn)空腔的區(qū)域，加大鉆孔探測及處理布置密度，以排除安全風(fēng)險盲點(diǎn)?？諈^(qū)探測及處理孔的到位以達(dá)到鉆孔位置處20 m深度為止，或達(dá)到礦體底板設(shè)計位置，或鉆桿出現(xiàn)不出巖粉、卡鉆、不成孔、沒有沖擊壓力等現(xiàn)象為止。

3.2.3 空區(qū)探測與穿孔結(jié)合

在采掘作業(yè)時，根據(jù)勘探孔初步確定的空區(qū)位置進(jìn)行爆孔布局設(shè)計，空區(qū)附近施工作業(yè)過程中，需及時結(jié)合炮孔鑿巖推進(jìn)情況，進(jìn)行潛在危險區(qū)的判識［6］。KQG-150Y型潛孔鉆機(jī)施工順序從實(shí)體區(qū)域向空區(qū)上方區(qū)域逐漸穿鑿炮孔。如遇空區(qū)，爆破技術(shù)人員采用自制測繩探測出地下采空區(qū)深度和范圍，并做好警戒。

3.3 采空區(qū)處理

（1）由于穆利亞希南地下水水位標(biāo)高在1 204 m水平，設(shè)計考慮最深開采水平為1 206 m。結(jié)合空區(qū)分布資料及補(bǔ)充臺階鉆孔探測資料，SS53A～SS55A區(qū)域的1 206、1 214 m水平開采塊段臨近下賦采空區(qū)。針對該部分采空區(qū)，根據(jù)調(diào)整的最深開采水平與下賦采空區(qū)賦存狀態(tài)，將該區(qū)域開采境界進(jìn)行適當(dāng)收縮，露天坑底位于采空區(qū)投影邊界外，以滿足安全作業(yè)要求，如圖3所示。其余范圍露天坑境界按最深開采水平為1 206 m進(jìn)行調(diào)整設(shè)計。

（2）從上部處理空區(qū)，底柱厚度大于16 m。SS53A剖面北部靠幫區(qū)域距離推測采空區(qū)較近，需要按方案所示采礦順序進(jìn)行回采，在目前的1 222 m臺階區(qū)域首先實(shí)施3排空區(qū)處理鉆孔（兼顧探測作用），對潛在采空區(qū)危險區(qū)進(jìn)行崩落充填處理（圖4），然后依次進(jìn)行1 214和1 206 m水平的回采工作。

（3）采用崩落法處理地下空區(qū)（穹隆或空腔等）。在保證采空區(qū)頂板至臺階頂面厚度不小于16 m的前提下，利用中深孔爆破處理下臥空區(qū)（圖5），采空區(qū)處理和臺階爆破采用一次爆破處理2個臺階、分臺階鏟裝作業(yè)模式；對空區(qū)頂板距離臺階頂面厚度小于16 m的采空區(qū)，采用小型潛孔鉆機(jī)從空區(qū)側(cè)面穿鑿下向斜孔，分次爆破處理空區(qū)［7］。

通過近空區(qū)露天開采技術(shù)的研究與應(yīng)用，穆利亞希南露天礦于2018年11月回采結(jié)束，共采出礦石151萬t，出礦品位達(dá)1.78%，整個開采期未發(fā)生任何安全生產(chǎn)事故。

4 居民區(qū)附近爆破控制技術(shù)

羅恩盆地露天礦礦石量為249.52萬t，銅金屬量為6.74萬t，銅平均品位為2.70%，酸溶性銅平均品位為1.81%，氧化率為67.04%。其開采范圍周邊主要分布有公路、公司辦公樓、房屋、球場、選礦廠及配套設(shè)施等建（構(gòu)）筑物設(shè)施。礦區(qū)公路位于羅恩盆地開采范圍南側(cè)，距離露天采場最終境界約為10 m。公司辦公大樓位于采場南側(cè)，距離露天開采境界最近點(diǎn)約為86 m。采場境界東側(cè)及東北側(cè)分布有球場及民房等建（構(gòu)）筑物設(shè)施。露天開采初步設(shè)計為保護(hù)民房，留設(shè)了保安礦柱（以露天采場境界邊界距離民房10 m范圍）。

為保證每次大爆破后礦或廢石量滿足大型設(shè)備生產(chǎn)需求，同時也考慮到當(dāng)?shù)鼐用竦陌踩铜h(huán)境訴求，羅恩盆地采剝作業(yè)實(shí)施分次控制爆破技術(shù)，即每次大爆破分為4～6次小藥量爆破，小藥量爆破實(shí)施孔外微差爆破，每次間隔1 min，并且嚴(yán)格按照爆破區(qū)域與民用建筑物的直線距離進(jìn)行裝藥量調(diào)整［8］。當(dāng)離居民區(qū)直線距離為10～100 m時，每次小爆破裝藥量控制在200 kg以內(nèi)；當(dāng)離居民區(qū)直線距離為100～300 m時，每次小爆破裝藥量控制在500 kg以內(nèi)；當(dāng)離居民區(qū)直線距離為300～500 m時，每次小爆破裝藥量控制在800 kg以內(nèi)。同時，按照贊比亞環(huán)保局和礦山安全局以及我國《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）的相關(guān)要求，當(dāng)主振頻率位于（10～50］Hz，一般民用建筑爆破振動安全允許質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度小于25 mm/s。因此，公司委托當(dāng)?shù)氐谌綑C(jī)構(gòu)MOKA環(huán)境巖土工程咨詢公司開展爆破震動監(jiān)測，保證每次爆破時質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度控制在允許范圍內(nèi)（表2）。同時，爆破振動監(jiān)測報告每月提交給贊比亞環(huán)保局和礦山安全局備案。

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5 地下水位以下露天安全開采技術(shù)

羅恩西延露天礦地下水位線位于1 206 m，在空間上的設(shè)計開采范圍是1 260～1 206 m，臺階高度為10 m。為盡可能回收更多高品位氧化礦，在最后一個臺階開采時，實(shí)施“兩步驟”開采，計劃開采部分水下礦體，“一步驟”將原臺階高度降為8 m，即1 216～1 208 m臺階，保證挖機(jī)和礦卡在無水平臺作業(yè)。待1 216～1 208 m臺階回采結(jié)束，進(jìn)入“二步驟”開采，根據(jù)挖機(jī)的工作平臺及大臂服務(wù)半徑，設(shè)計開采水下3 m的礦體。因此，“二步驟”開采范圍是1 208～1 203 m，如圖6所示。由于坑底作業(yè)平臺寬度約為50 m，90 t礦卡投入數(shù)量受限。另外，為保障礦卡和挖機(jī)有撤離通道，開采時分別從礦坑西端下掘臨時斜坡道至1 203 m水平，在施工過程中準(zhǔn)備潛水泵，邊抽水邊剝離，逐步擴(kuò)大自由面，直至滿足下一炮爆破所需補(bǔ)償空間。另外，安全管理人員分三班貼近生產(chǎn)一線，強(qiáng)化安全工作督導(dǎo)，做好安全值班記錄，保障最后一個臺階采剝作業(yè)安全平穩(wěn)。

通過對地下水位下3 m深礦體的回采，羅恩西延露天礦于2020年7月25日回采結(jié)束，共回收坑底境界外礦石15萬t，出礦品位達(dá)3.5%，整個生產(chǎn)作業(yè)過程安全平穩(wěn)。

6 結(jié) 論

（1）通過對不同安全隔離層厚度下邊坡及坑底穩(wěn)定性進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬分析，結(jié)合國內(nèi)外同類型礦山技術(shù)參數(shù)，確定盧安夏礦區(qū)露天開采隔離層的最小安全厚度為16～20 m，對空區(qū)之上露天礦安全回采提供了理論和技術(shù)依據(jù)。

（2）沉積型銅礦帶塌陷區(qū)露天開采技術(shù)的成功實(shí)踐，解決了露天礦生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)，消除了露天礦山的安全隱患，有效控制了露天開采對周邊環(huán)境的破壞范圍和程度。

（3）盧安夏銅礦實(shí)現(xiàn)對于地下采空區(qū)上方露天礦安全高效開采，可為非洲中南部同類礦山提供技術(shù)參考。