邱凡陳，林之岳，鐘 鳴

（江西銅業(yè)集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司，江西 德興 334200）

1 引言

開(kāi)采礦區(qū)東西長(zhǎng)約1700 m，南北寬約200 m，礦化面積約0.34 km2。礦體主要賦存于絹云母千枚巖的壓扭性構(gòu)造裂隙中，僅有極少數(shù)產(chǎn)于石英斑巖體的張性裂隙中。走向近東西向，傾向北西，產(chǎn)狀與絹云母千枚巖片理產(chǎn)狀基本一致，局部地段稍有斜交。礦體產(chǎn)狀陡立，舒緩波狀延深，長(zhǎng)50～900 m，延深30～600 m。礦體厚度1～10 m，以1～3 m居多，且沿走向和傾向都比較穩(wěn)定，礦體傾角在70～85°，為典型的急傾斜薄礦脈。礦脈沿走向和傾向均呈舒緩波狀，并有膨大縮小和尖滅再現(xiàn)現(xiàn)象。北山區(qū)段保有儲(chǔ)量448.4萬(wàn)t，平均品位Pb：1.87%、Zn：2.69%，另伴生金、銀、硫等元素[1］。

礦山當(dāng)前采礦方法主要為無(wú)底柱淺孔留礦法，該方法對(duì)礦體產(chǎn)狀適用性較好，但是由于礦體產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀近似一致，而且礦體圍巖千枚巖片理發(fā)育，加上后期構(gòu)造破壞，回采過(guò)程中在采動(dòng)應(yīng)力作用下容易形成片幫、冒頂和巷道變形破壞[2-3］。因此，基于礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，本著“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”的原則，開(kāi)展軟弱破碎礦巖不利條件下采礦工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作具有重大意義。

2 現(xiàn)階段留礦法應(yīng)用存在的問(wèn)題

礦山已經(jīng)進(jìn)行了近30年的淺孔留礦法生產(chǎn)實(shí)踐，積累了較多的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。但在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中仍然存在如下突出問(wèn)題需要加以解決，以提高礦山安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益：

（1）礦體圍巖主要為絹云母千枚巖，巖性軟弱，千枚巖片理與礦脈走向近似一致但與最大主應(yīng)力方向斜交，在地應(yīng)力、千枚巖片理、礦脈走向的共同作用下，極易冒頂和片幫，支護(hù)難度大，安全問(wèn)題突出[4］。

（2）采場(chǎng)內(nèi)兩幫圍巖尤其是頂板圍巖，片幫冒落易造成礦石貧化嚴(yán)重，當(dāng)片幫冒落量大時(shí)，極易造成回采高度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而大大降低采場(chǎng)回采率[5］。據(jù)最近3年（2012－2015年）采場(chǎng)出礦情況統(tǒng)計(jì)，采場(chǎng)平均回收率76%，最低僅為39.9%。尤其是2015年，隨著開(kāi)采深度的增加，地壓活動(dòng)日趨頻繁，采場(chǎng)回收率較2012－2014年大大降低，平均僅為66.4%?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著開(kāi)采深度進(jìn)一步增加，其回收率指標(biāo)還會(huì)進(jìn)一步降低。

（3）存窿礦集中出礦過(guò)程中，隨著支撐上下盤(pán)圍巖的礦石放出，上下盤(pán)圍巖經(jīng)常大片冒落，堵塞出礦口[6］。處理片落大塊的措施包括出礦口大塊二次破碎和高壓水沖洗，前者削弱了出礦口保護(hù)墩穩(wěn)定性，造成保護(hù)墩變形失效，后者進(jìn)一步削弱了頂板圍巖穩(wěn)定性（因千枚巖遇水泥化），加劇了頂板圍巖片幫冒落程度。

（4）礦山經(jīng)過(guò)近30年留礦法開(kāi)采，在上部形成了大量采空區(qū)，地壓活動(dòng)頻繁，而且隨著開(kāi)采深度增加，引發(fā)的地壓活動(dòng)更為嚴(yán)重，已成為制約礦山安全生產(chǎn)的重大隱患。

3 留礦法采礦工藝改進(jìn)

3.1 采場(chǎng)回采順序優(yōu)化

基于礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀和深部礦體開(kāi)采設(shè)計(jì)，階段開(kāi)采順序仍采用下行式開(kāi)采順序。礦塊開(kāi)采順序繼續(xù)采用雙翼后退式，雙翼回采可同時(shí)回采礦塊數(shù)多，可縮短階段回采時(shí)間，兩翼已采用淺孔留礦法回采的采場(chǎng)可以及時(shí)封閉，避免人員設(shè)備進(jìn)入，進(jìn)而大大降低安全隱患和巷道維護(hù)費(fèi)用，尤其是軟弱巖層條件下礦體的開(kāi)采[7］。

由于礦區(qū)存在多條平行礦脈，必須合理確定各礦脈之間的開(kāi)采順序，避免因開(kāi)采順序不合理加大其他礦脈開(kāi)采難度?；趪鷰r移動(dòng)角理論[8］，其合理的開(kāi)采順序?yàn)椋?/p>

（1）礦脈間無(wú)礦帶厚度小于1～2 m時(shí)，幾條礦脈合并開(kāi)采，出礦品位滿足要求條件下，優(yōu)先考慮混采；

（2）礦脈間無(wú)礦帶厚度小于5 m時(shí)，且相鄰礦脈可以作為一個(gè)采場(chǎng)開(kāi)采時(shí)，可將中間夾層作為采場(chǎng)間柱處理；

（3）礦脈間無(wú)礦帶厚度大于5 m，但小于40 m時(shí)，只能先采上盤(pán)礦脈，再采下盤(pán)礦脈；

（4）礦脈間無(wú)礦帶厚度大于40 m時(shí)，且上下盤(pán)礦脈均不在對(duì)方的巖石移動(dòng)范圍之內(nèi)，可不分先后或同時(shí)回采。

3.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

采場(chǎng)高度保持在45 m，但考慮到特殊的片理狀千枚巖結(jié)構(gòu)，上采高度達(dá)到20 m會(huì)出現(xiàn)明顯的地壓顯現(xiàn)和圍巖破壞，因此在20 m高度處應(yīng)加強(qiáng)噴錨支護(hù)或采取其他綜合地壓控制措施[9］。

采場(chǎng)長(zhǎng)度現(xiàn)階段均在90～110 m之間，約是普通淺孔留礦法采場(chǎng)長(zhǎng)度（50～60 m）的2倍。雖然較大的采場(chǎng)長(zhǎng)度可以減少采切工程量和采場(chǎng)間柱礦量，但安全問(wèn)題也較為突出。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和安全因素，采場(chǎng)長(zhǎng)度存在進(jìn)一步優(yōu)化的必要。采場(chǎng)長(zhǎng)度若采用常規(guī)淺孔留礦法的50 m，與現(xiàn)階段100 m的采場(chǎng)長(zhǎng)度相比，安全性會(huì)有所提高，但采準(zhǔn)工程量也會(huì)增加約13%，且需多留設(shè)礦柱近1000 t，經(jīng)濟(jì)上并不具有優(yōu)勢(shì)?？紤]到-240 m中段11-12線10-4礦體采場(chǎng)跨度70 m，與現(xiàn)階段100 m的采場(chǎng)跨度相比，采準(zhǔn)工程量?jī)H增加約6%，多留設(shè)礦柱礦量也只有500 t，但回采強(qiáng)度增大、回采作業(yè)安全性明顯提高，因此建議采用70 m的采場(chǎng)長(zhǎng)度。

3.3 出礦方式改進(jìn)

礦山當(dāng)前采用有軌裝巖機(jī)出礦，出礦效率較低，保護(hù)墩穩(wěn)定性差，應(yīng)進(jìn)行無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦方案和有軌裝巖機(jī)出礦方案對(duì)比分析，確定合理的出礦方式。

礦山采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦有其必要性和可行性，由于深部設(shè)計(jì)均采用無(wú)軌出礦，盡早在生產(chǎn)中段試驗(yàn)采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦，可為深部資源大規(guī)模開(kāi)采提供重要的技術(shù)支撐；現(xiàn)有斜坡道開(kāi)拓工程已經(jīng)連通現(xiàn)有生產(chǎn)中段，為試驗(yàn)采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦提供了便利條件。

與有軌裝巖機(jī)出礦方案相比[10］，采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦的優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)表1。

綜上所述，采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦能明顯提高出礦機(jī)械化程度和出礦效率，有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；縮短出礦周期，減少出礦進(jìn)路的條數(shù)，增大保護(hù)墩面積，提升保護(hù)墩穩(wěn)定性。因此，建議出礦方式由當(dāng)前的有軌裝巖機(jī)出礦變更為無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦。

圖1 無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)和有軌裝巖機(jī)出礦示意圖

3.4 保護(hù)墩參數(shù)優(yōu)化

3.4.1 保護(hù)墩厚度優(yōu)化

鏟運(yùn)機(jī)出礦進(jìn)路寬度設(shè)計(jì)為3 m，為便于鏟運(yùn)機(jī)鏟裝，出礦進(jìn)路礦與脈外運(yùn)輸巷道呈45°傾角。此種斜巷布置形式，導(dǎo)致保護(hù)墩的尖三角部分在出礦過(guò)程中容易垮塌破壞，必須適當(dāng)加大保護(hù)墩厚度。然而，加大保護(hù)墩厚度勢(shì)必增大出礦進(jìn)路間距，兩條進(jìn)路之間殘留礦量增大，損失率增加，因此必須對(duì)保護(hù)墩厚度進(jìn)行優(yōu)化[11-12］。

標(biāo)準(zhǔn)鏟運(yùn)機(jī)出礦設(shè)計(jì)采場(chǎng)長(zhǎng)度70 m，布置6條出礦進(jìn)路（見(jiàn)圖2）。為進(jìn)行保護(hù)墩厚度試驗(yàn)，將4#和5#進(jìn)路中間的保護(hù)墩厚度增加到5 m，其他保護(hù)墩厚度確定為4 m。通過(guò)在實(shí)際出礦過(guò)程中對(duì)比分析兩種厚度保護(hù)墩的穩(wěn)定性，進(jìn)而確定適合的保護(hù)墩厚度。

圖2 不同保護(hù)墩厚度優(yōu)化方案

3.4.2 保護(hù)墩水平面積優(yōu)化

為提高出礦進(jìn)路穩(wěn)定性，進(jìn)路一般采用拱形斷面。但該種斷面形式容易破壞眉線。脈外出礦巷道和礦體拉底層一般處于同一水平（圖3b）[13］，保護(hù)墩橫截面積約為13m2，如果將脈外出礦巷道設(shè)計(jì)較礦體拉底層低1 m的水平（見(jiàn)圖3a），保護(hù)墩的面積將增加至17.5m2，增大約35%，保護(hù)墩穩(wěn)定性大大提升。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)爬坡能力，6～8 m距離內(nèi)空車(chē)爬坡上行1 m并無(wú)大礙。

圖3 不同保護(hù)墩傾角優(yōu)化方案

3.5 爆破參數(shù)優(yōu)化

礦區(qū)淺孔留礦法采用YT-45鉆機(jī)鑿巖上向孔，孔徑為40mm，孔深為2.0m。采用乳化炸藥爆破，25ms微差雷管配激發(fā)火雷管起爆。單孔裝藥1.5～1.6 m，采用32 mm藥卷裝藥，單孔炸藥量約為1.6 kg?，F(xiàn)有鑿巖設(shè)備兩臺(tái)，每班可打孔約120～160個(gè)?，F(xiàn)階段生產(chǎn)采場(chǎng)詳細(xì)炮孔設(shè)計(jì)如圖4所示。實(shí)際應(yīng)用中存在孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)置不盡合理、炸藥單耗過(guò)高、鑿巖效率較低以及鑿巖安全性較差等問(wèn)題[14］。

圖4 采場(chǎng)爆破參數(shù)現(xiàn)狀

為保證上采過(guò)程中保留巖體，按設(shè)計(jì)輪廓面成型并盡量減小對(duì)圍巖破壞，采用輪廓控制的預(yù)裂爆破低擾動(dòng)爆破技術(shù)[15］。

預(yù)裂爆破孔間距a不僅影響裝藥量的大小，而且直接關(guān)系到預(yù)裂巖壁的質(zhì)量，由于片理狀千枚巖的巖性較脆，要盡量減小爆破作用對(duì)兩幫的破壞，因此a=（10～15）d = 40～60 cm，取50 cm[16］。

由于現(xiàn)階段炮孔排距大于孔距，沒(méi)有起到沿抵抗線方向拋擲的作用，因此主爆孔排距和孔距均取1.0 m，實(shí)現(xiàn)正方形布孔。預(yù)裂孔和主爆孔具體布置如圖5所示。

圖5 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

4 回采主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

根據(jù)礦山現(xiàn)階段生產(chǎn)實(shí)際情況和遠(yuǎn)期規(guī)劃，選定3個(gè)典型采場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn)的淺孔留礦法工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示，相比現(xiàn)階段留礦法，相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有較大提升。雖然機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用采礦成本有所增加，但是在回采效率提高的條件下開(kāi)采總成本降低。

表2 回采主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)顯示，改進(jìn)措施的應(yīng)用使得生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著改善，采場(chǎng)生產(chǎn)能力提升25%，回收率增加5%，貧化率降低5%，出礦能力提高87%，初步實(shí)現(xiàn)急傾斜薄礦脈“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”開(kāi)采。

（2）改進(jìn)后的淺孔留礦法通過(guò)適當(dāng)增加采準(zhǔn)工程，減小采場(chǎng)跨度，用無(wú)軌產(chǎn)運(yùn)機(jī)替代有軌裝巖機(jī)，增大出礦進(jìn)路間保護(hù)墩厚度，應(yīng)用預(yù)裂爆破控制采場(chǎng)輪廓，減少?lài)鷰r擾動(dòng)破損等方式，能有效解決在圍巖與礦體產(chǎn)狀近似一致的千枚巖軟弱巖層條件下，淺孔留礦法應(yīng)用過(guò)程中存在的圍巖極易冒頂片幫、采場(chǎng)回收率低、存窿礦出礦困難、地壓活動(dòng)頻繁等問(wèn)題。