謝國(guó)森，羅春梧，宋麗霞，張德全，張煜暉，秦旭忠

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512329)

隨著現(xiàn)代礦山技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)采礦工藝已成為地下礦山的重點(diǎn)研究方向。連續(xù)采礦是在礦體或礦塊回采過程中，落礦、出礦、運(yùn)礦工序相對(duì)獨(dú)立，形成高效的采礦體系。

目前，連續(xù)采礦工藝在地下金屬礦山中逐步推廣應(yīng)用，并形成了2種連續(xù)采礦模式。第1種連續(xù)采礦模式為一步驟回采采礦法與無軌采掘裝運(yùn)設(shè)備構(gòu)成的連續(xù)采礦系統(tǒng)，在大礦段一步驟回采、階段連續(xù)推進(jìn)(不留間柱)的采礦系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用以無軌采掘、裝運(yùn)設(shè)備為主導(dǎo)的采掘、落礦、出礦(裝載)、運(yùn)礦機(jī)械化作業(yè)線。第2種連續(xù)采礦模式為一步驟回采采礦法與連續(xù)作業(yè)機(jī)組構(gòu)成的連續(xù)采礦系統(tǒng)，是在大礦段一步驟回采、階段連續(xù)推進(jìn)采礦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集中不同功能設(shè)備組成的出礦、運(yùn)礦連續(xù)作業(yè)線與采礦出礦工作面直接銜接，從而實(shí)現(xiàn)集中化、規(guī)模化采礦[1-3]。

國(guó)內(nèi)黃金礦山針對(duì)厚大破碎礦體開采中存在的支護(hù)成本高、生產(chǎn)效率低、礦石損失大、頂板易冒落等難題，研究了水壓支柱控制頂板與小型出礦設(shè)備相結(jié)合的上向進(jìn)路充填采礦法，獲得了較好的效果[4-6]。國(guó)內(nèi)有色金屬礦山針對(duì)急傾斜薄礦脈開展了中深孔爆破落礦技術(shù)和急傾斜薄礦脈群深孔連續(xù)采礦技術(shù)研究[7-10]。

國(guó)內(nèi)連續(xù)采礦技術(shù)主要針對(duì)厚大礦體開展研究，而棉花坑礦床7號(hào)帶具有礦體破碎、圍巖穩(wěn)定、礦體較薄、礦石品位低等特點(diǎn)，采用現(xiàn)有的水平分層干式充填采礦法和淺孔留礦法難以實(shí)現(xiàn)安全開采，采用高成本的膠結(jié)充填、下向分層崩落采礦方法又無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采，導(dǎo)致該部分資源未能利用。開采該類礦體存在脈內(nèi)巷道掘進(jìn)難度大，礦體穩(wěn)定性差，施工穿脈及脈內(nèi)平巷時(shí)易發(fā)生片幫和冒頂，工程施工困難等問題。筆者針對(duì)棉花坑礦床破碎礦體，研究無間柱分段深孔連續(xù)采礦方法，并進(jìn)行采礦工藝及采切工程優(yōu)化。

1 開采技術(shù)條件

1.1 地質(zhì)條件

1.1.1 區(qū)域構(gòu)造

棉花坑鈾礦床位于諸廣山巖體南部的中心部位，區(qū)內(nèi)主要有3組構(gòu)造，其中北東東向構(gòu)造為控礦構(gòu)造，北西西向構(gòu)造既是控礦構(gòu)造又是成礦構(gòu)造，北北西向(近南北向)構(gòu)造為成礦構(gòu)造。礦床主要控礦構(gòu)造有棉花坑斷裂和油洞斷裂，礦床主要有9號(hào)含礦構(gòu)造帶、7號(hào)含礦構(gòu)造帶(破碎礦體)和32號(hào)含礦構(gòu)造帶[11-13]。

1.1.2 水文地質(zhì)

礦體主要埋藏在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面(標(biāo)高190～210 m)以下，圍巖巖石致密，透水性差，含水性微弱，含水層主要為構(gòu)造脈狀裂隙水。礦床內(nèi)無大的地表水體，大氣降水是影響礦床開采充水的主要因素，構(gòu)造裂隙水則是礦坑直接充水的主要來源。礦床水文地質(zhì)條件屬中等類型。

1.1.3 工程地質(zhì)

礦體圍巖物理機(jī)械性質(zhì)良好，較穩(wěn)定。工程地質(zhì)影響因素主要是構(gòu)造破碎帶，沿破碎帶局部會(huì)有掉塊和坍塌，尤其是南部的礦體較破碎，在井巷施工及回采過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)及頂板維護(hù)。礦床工程地質(zhì)條件屬中等類型。

1.2 礦體特征

棉花坑礦床內(nèi)的礦帶總體按320～350°的方向展布，礦床9號(hào)帶為主礦帶，其次是7號(hào)礦帶，7號(hào)礦帶屬難采低品位破碎礦體。試驗(yàn)礦體賦存于7號(hào)含礦構(gòu)造帶中，主要分布于13～10號(hào)勘探線范圍內(nèi)，礦體產(chǎn)狀249～270°∠72～90°，走向長(zhǎng)600 m，賦存標(biāo)高200～-326 m，控制垂深526 m。礦體平均厚度2.94 m，厚度變化范圍0.43～10.09 m、變化系數(shù)68.8%，屬均勻變化。在0～8號(hào)勘探線的礦體較厚，8號(hào)勘探線以南逐漸尖滅。

含礦巖性為硅化碎裂巖、蝕變碎裂花崗巖，硅化、黃鐵礦化、綠泥石化發(fā)育。據(jù)工程揭露情況，7號(hào)礦帶在150、100、50、0、-50、-100、-150 m均見礦。

2 開采現(xiàn)狀及存在問題

礦床主要采用水平分層干式充填法和淺孔留礦法開采，7號(hào)礦帶因礦體破碎未能開采。存在的主要問題：1)因礦體破碎脈內(nèi)巷道掘進(jìn)難度大，生產(chǎn)探礦中掘進(jìn)的脈內(nèi)巷穩(wěn)定性差，在施工穿脈及脈內(nèi)巷道時(shí)多處發(fā)生片幫冒頂，局部冒頂高度達(dá)7～8 m[14]；2)礦體破碎、裂隙節(jié)理發(fā)育、采場(chǎng)頂板極不穩(wěn)定，用水平分層干式充填法和淺孔留礦法開采安全性差；3)由于礦體破碎，鑿巖施工難度大，破碎嚴(yán)重的地段容易發(fā)生卡釬，施工的炮孔容易發(fā)生塌孔、堵孔，爆破施工難度大；4)礦石品位低，采用高成本的采礦工藝無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。

3 采礦工藝研究

3.1 總體思路

根據(jù)棉花坑礦床破碎礦體情況，結(jié)合破碎礦體、急傾斜礦體相關(guān)研究和應(yīng)用效果，提出了無間柱分段深孔連續(xù)采礦方法。在采礦工藝研究中，除了重點(diǎn)考慮采礦安全、采礦效率及提高機(jī)械化水平外，還需注意以下問題：1)7～0號(hào)礦體在-150～150 m中段水平上均見礦，選擇試驗(yàn)采場(chǎng)時(shí)應(yīng)全面考慮礦體的整體開采，不影響后續(xù)的開采；2)由于礦體破碎，采切工程盡量布置在礦巖穩(wěn)固性較好的位置，確保施工操作人員不進(jìn)入采空區(qū)，提高采礦作業(yè)本質(zhì)安全度；3)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是整個(gè)礦體能在走向、垂直上實(shí)現(xiàn)連續(xù)開采。

3.2 試驗(yàn)采場(chǎng)確定

根據(jù)對(duì)棉花坑礦床南部各中段最新生產(chǎn)探礦資料的整理分析，棉花坑南部7號(hào)礦帶的開拓工程基本完成的有150～-150 m的6個(gè)中段。對(duì)6個(gè)中段資料分析，50 m以上礦體較薄、連續(xù)性差，很難形成采場(chǎng)。因此，結(jié)合分段連續(xù)開采工藝的要求，將試驗(yàn)采場(chǎng)選擇在礦體相對(duì)較厚的2～8號(hào)勘探線之間，垂直方向在0～50 m之間。

試驗(yàn)采場(chǎng)走向長(zhǎng)度為150 m，垂直高度為50 m；礦體平均厚度約5 m，礦體傾角83°。經(jīng)3DMine建模分析，試驗(yàn)采場(chǎng)的礦巖總量87 906 t(其中礦石量87 150 t，夾石756 t)，采礦時(shí)夾石混入導(dǎo)致的貧化率為0.87%。采場(chǎng)0 m中段平面及8號(hào)勘探線剖面如圖1所示。

3.3 采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)

采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)主要有留底柱和無底柱(平底結(jié)構(gòu))2個(gè)方案。

留底柱方案是在0 m中段平面留6 m自然底柱，以保證0 m以下中段礦體回采的工程布置。在每條出礦穿脈巷內(nèi)(采場(chǎng)底柱中)垂直礦體走向布置出礦漏斗，傾角65～70°。此方案主要考慮下中段的充填料可以由0 m中段穿脈直接輸送到采場(chǎng)，充填工程少，施工簡(jiǎn)單；但出礦采用漏斗溜礦，容易被大塊礦石堵塞，可能造成出礦難等問題。

無底柱(平底結(jié)構(gòu))方案是在0 m中段布置采場(chǎng)底部出礦工程，不留底柱，鏟運(yùn)機(jī)直接在出礦穿脈出礦，施工簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)管理，出礦安全性好。此方案考慮下中段回采的充填工藝，需要在下中段采場(chǎng)頂柱中布置充填井；大塊礦石二次破碎也較簡(jiǎn)單，施工安全。

從安全和經(jīng)濟(jì)效益綜合對(duì)比分析，確定采用無底柱結(jié)構(gòu)。

1—主運(yùn)輸巷；2—0 m中段穿脈；3—礦體；4—勘探線；5—天井；6—鑿巖平巷；7—50 m中段穿脈。圖1 試驗(yàn)礦體0 m平面圖及8號(hào)線剖面圖Fig.1 0 m level plane and line 8 profile of the test ore body

3.4 回采工藝研究

針對(duì)棉花坑礦床破碎礦體開展連續(xù)采礦技術(shù)研究，主要是開展采切工程布置及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分段深孔爆破落礦工藝研究。經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)礦體空間形態(tài)、賦存條件、礦體和圍巖穩(wěn)定性等因素分析，擬采用走向上由南向北逐步回采、垂直方向分段爆破落礦的回采方案。根據(jù)所采用的YG90鉆機(jī)鑿巖鉆孔深度，綜合分段高度、布孔方式、落礦順序等，提出以下4種回采方案進(jìn)行比選。

3.4.1 自下而上高分段回采方案(方案1)

在采場(chǎng)垂直高度(50 m)上布置2層鑿巖平巷(11 m層和33 m層)，采場(chǎng)上部留6 m頂柱，一次爆破落礦高度22 m。鑿巖巷道布置在礦體東側(cè)并緊鄰礦體，在鑿巖巷道布置環(huán)形深孔?；夭身樞蜃呦蛴赡舷虮?由8號(hào)勘探線向2號(hào)勘探線方向回采)逐段爆破落礦，垂直方向由下向上分段爆破落礦。

首采分段由11 m分段開始向北推進(jìn)，當(dāng)首采分段推進(jìn)15 m左右時(shí)，開始回采上一分段(33 m分段)。在回采上分段爆破落礦之前，需保證下分段爆破落礦應(yīng)超前上分段15 m左右，如圖2所示。

1—穿脈；2—切割天井；3—礦體；4—鑿巖平巷；5—爆落礦石；6—炮孔；7—主運(yùn)輸平巷；8—出礦穿脈。圖2 自下而上高分段回采方案示意圖(方案1)Fig.2 Schematic diagram of bottom-up high sublevel mining (Scheme 1)

每次爆破落礦后出礦量為落礦量的35%左右，出礦后礦堆變得松散，不會(huì)在爆破排面形成空區(qū)。留存礦堆，一方面可為下次爆破提供壓擠壓爆破創(chuàng)造條件，改善礦石爆破效果；另一方面用于保護(hù)采空區(qū)上、下盤圍巖的穩(wěn)定。整個(gè)采場(chǎng)回采落礦完成后再集中出礦，回采時(shí)采空區(qū)暴露時(shí)間少，有利于采場(chǎng)頂板及上、下盤管理，安全度高。該回采技術(shù)方案是上向分段崩落法、深孔留礦法、深孔擠壓爆破落礦法相結(jié)合的回采技術(shù)。8～10號(hào)勘探線的部分礦石，可從切割槽向南回采到礦體走向端部；2號(hào)勘探線以北的礦體，視礦體變化情況確定其是否連續(xù)回采。

3.4.2 自上而下高分段回采方案(方案2)

在采場(chǎng)垂直高度(50 m)上布置2層鑿巖平巷(11 m層和33 m層)，采場(chǎng)上部留6 m頂柱，一次爆破落礦高度22 m。鑿巖爆破巷道布置在礦體東側(cè)并緊鄰礦體，在鑿巖巷道布置環(huán)形深孔，垂直方向由上向下分段爆破落礦。

首采分段為33 m分段開始向北推進(jìn)，推進(jìn)15 m左右時(shí)，開始回采下一分段(11 m分段)。在回采上分段爆破落礦之前，上分段爆破落礦應(yīng)超前下分段15 m左右。

每次爆破落礦后出礦量為落礦量的40%左右，其余礦石留存采場(chǎng)，一方面為下次爆破提供壓碴擠壓爆破創(chuàng)造條件，改善礦石爆破效果；另一方面用于保護(hù)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定。整個(gè)采場(chǎng)回采落礦完成后再集中出礦。方案2和方案1基本相同，只是回采順序不同。

3.4.3 臺(tái)階式中分段回采方案(方案3)

將采場(chǎng)沿垂直方向分為4個(gè)分段，每個(gè)分段高度11 m，留頂柱6 m。采取自上而下分段深孔爆破落礦，并形成正臺(tái)階式落礦回采順序。從8號(hào)勘探線切割槽沿礦體走向由南向北逐段爆破落礦，各分段回采落礦時(shí)上分段超前下分段10 m左右，形成梯形臺(tái)階，如圖3所示。

1—出礦穿脈；2—0 m中段穿脈；3—礦體；4—鑿巖平巷；5—50 m中段穿脈；6—炮孔；7—天井；8—采空區(qū)；9—爆落礦石；10—主運(yùn)輸平巷。圖3 臺(tái)階式中分段回采方案示意圖(方案3)Fig.3 Schematic diagram of staged stoping (Scheme 3)

該方案首采分段為33 m分段，推進(jìn)到10 m左右時(shí)，開始回采下一分段(22 m分段)；待上2個(gè)分段同時(shí)向北推進(jìn)10 m左右時(shí)，開始下一分段(11 m分段)回采，直到臺(tái)階完全形成后，4個(gè)分段可同時(shí)回采。每次爆破落礦后出礦量為落礦量的40%左右，其余礦石留存采場(chǎng)，整個(gè)采場(chǎng)回采落礦完成后再集中出礦，出礦完成后集中充填采空區(qū)。

3.4.4 臺(tái)階式高分段回采方案(方案4)

將采場(chǎng)沿垂直方向分為3個(gè)分段，上部留6 m頂柱，3個(gè)分段高度分別為14、15、15 m，采用自上而下的回采順序。在采場(chǎng)垂高范圍內(nèi)布置3個(gè)分段鑿巖平巷(0、15、30 m分段)。首段回采開始為30 m分段，從靠近切割槽開始自南向北爆破崩落礦石，待上一分段向北推進(jìn)12 m左右時(shí)，開始回采15 m分段；待上3分段同時(shí)推進(jìn)12 m左右時(shí)，可3個(gè)分段同時(shí)回采。最終沿礦體走向形成階梯形回采步驟。方案4與方案3基本相同，只是分段高度不同。

3.5 采礦工藝優(yōu)選

4種回采方案的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 回采技術(shù)方案比較Table 1 Comparison of mining technology schemes

方案1和方案2均具有采準(zhǔn)工程量少的優(yōu)點(diǎn)；但下向環(huán)形深孔施工速度較慢，下向鉆孔中的積水很難完全排盡，影響裝藥及爆破落礦，而且方案1對(duì)出礦量的控制要求較高?？紤]爆破落礦的安全性和可靠性，排除這2種回采方案。

方案3和方案4具有操作方便、安全可靠等特點(diǎn)，方案4的采準(zhǔn)工程量更少。目前國(guó)內(nèi)外在深礦爆破落礦方面均向高分層、高分段或階段深孔方向發(fā)展，在確保安全的前提下重點(diǎn)研究如何提高采礦效率[15-16]。根據(jù)試驗(yàn)礦體的賦存條件，結(jié)合礦山現(xiàn)有設(shè)備條件，確定選用臺(tái)階式高分段回采方案(方案4)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

4 臺(tái)階式高分段回采方案應(yīng)用

4.1 采準(zhǔn)工程

4.1.1 0 m中段出礦平面工程布置

試驗(yàn)采場(chǎng)垂直方向在0～50 m之間，走向在2～8號(hào)勘探線之間，采場(chǎng)出礦平面在0 m水平。利用0 m水平脈外運(yùn)輸巷、穿脈巷道(間距約50 m)和中段沿脈平巷，并擴(kuò)修到要求的斷面規(guī)格。根據(jù)機(jī)械化(鏟運(yùn)機(jī))出礦要求，在穿脈巷道之間布置出礦巷道，出礦巷道間距10～12 m。

4.1.2 集中放礦溜礦井布置

采場(chǎng)走向長(zhǎng)度150 m，布置溜礦井1個(gè)，采場(chǎng)礦石經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)到溜礦井。溜礦井布置在0 m中段4～6號(hào)勘探線中間位置(礦床南部運(yùn)輸大巷前進(jìn)方向右側(cè))，溜礦井由0 m到-50 m中段。礦石經(jīng)溜礦井放礦、裝車、運(yùn)輸?shù)?50 m井底車場(chǎng)，再提升至地表。

4.1.3 斜坡道與鑿巖平巷

通向采場(chǎng)的通道是鑿巖平巷，與分段鑿巖平巷連通的方式主要有天井與鑿巖平巷連通和斜坡道與鑿巖平巷連通。天井與鑿巖平巷連通方式的采準(zhǔn)工程量較少，但鑿巖爆破施工過程中人員、材料、設(shè)備均要從天井進(jìn)出，通行困難，安全性和通風(fēng)條件較差。因此，通向采場(chǎng)的采準(zhǔn)工程確定采用斜坡道和鑿巖平巷連通方式，有利于使用無軌設(shè)備和通風(fēng)。采切工程布置如圖4所示，采切工程量見表2。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)采場(chǎng)采切比為15.12 m/kt(78.58 m3/kt)。

1—中段運(yùn)輸平巷；2—出礦平巷；3—溜礦井；4—斜坡道；5—切割井；6—回風(fēng)井；7—0 m分段鑿巖平巷；8—15 m分段鑿巖平巷；9—30 m分段鑿巖平巷。圖4 試驗(yàn)采場(chǎng)采切工程布置圖Fig.4 Cutting engineering layout of the test stope

表2 試驗(yàn)采場(chǎng)采切工程量Table 2 Test stope cutting engineering

4.2 切割工程

根據(jù)試驗(yàn)采場(chǎng)回采順序，由南向北順序落礦，在8號(hào)勘探線礦體中沿礦體垂直方向布置1條切割槽。切割槽的長(zhǎng)為礦體厚，寬約2 m，垂直方向采取分段施工方式，首先在0 m中段8號(hào)勘探線礦體下盤布置1條切割井，再施工各鑿巖平面的切割穿脈，自上而下切割拉槽，形成爆破落礦自由面和補(bǔ)償空間。

4.3 回采工藝

采用分段深孔連續(xù)回采工藝，采準(zhǔn)工程完成后，開始采場(chǎng)切割(包括切割拉槽)，再進(jìn)行回采落礦。切割拉槽以切割天井為自由面，沿礦體厚度方向拉開到礦體邊界，為爆破落礦提供自由面和補(bǔ)償空間。采場(chǎng)切割完成后，開始30 m分段回采，并以切割槽為自由面從南向北按一定的崩礦步距進(jìn)行深孔爆破落礦；當(dāng)30 m分段沿走向回采12 m左右時(shí)，開始回采15 m分段；當(dāng)上2個(gè)分段同時(shí)推進(jìn)12 m左右時(shí)，3個(gè)分段同時(shí)回采。

采場(chǎng)用YG90鉆機(jī)鑿巖，非電爆破系統(tǒng)爆破落礦。采場(chǎng)鑿巖及爆破作業(yè)施工中，從斜坡道入風(fēng)，回風(fēng)井回風(fēng)，各分段作業(yè)時(shí)加局扇輔助通風(fēng)。

采場(chǎng)采用鏟運(yùn)機(jī)從0 m水平出礦穿脈出礦，礦石由鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)送到集中溜礦井，再?gòu)?50 m水平中段運(yùn)輸平巷經(jīng)電機(jī)車運(yùn)輸?shù)截Q井馬頭門，由豎井提升、運(yùn)輸?shù)降乇怼?/p>

采場(chǎng)采用集中充填方式，待采場(chǎng)出礦完成后，在+50 m各穿脈內(nèi)向下穿過采場(chǎng)頂板掘進(jìn)充填小井，充填小井間距約25 m。充填料通過鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至充填小井，對(duì)采場(chǎng)采空區(qū)進(jìn)行集中充填。

5 結(jié)論

棉花坑礦床南部7號(hào)帶破碎礦體試驗(yàn)采場(chǎng)用無間柱分段連續(xù)采礦法開采，安全可靠、技術(shù)可行；充分利用礦體圍巖穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用脈外鑿巖平巷內(nèi)采礦作業(yè)的采礦技術(shù)，回采過程操作人員不進(jìn)入采空區(qū)，本質(zhì)安全度高。無間柱分段深孔連續(xù)采礦法，具有采礦效率高、成本低、采切工程量小等優(yōu)點(diǎn)。