胡建釗,黃明發(fā),王 明

(1.金誠信礦山工程設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100070;2.紫金(長沙)工程技術(shù)有限公司,長沙 410114;3.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司,廈門 361000)

某鉛鋅礦為高海拔地區(qū)生產(chǎn)多年的地下開采礦山,采用平硐+豎井+斜坡道開拓,自1986年投產(chǎn)以來主要采用分段空場采礦法和淺孔留礦法,生產(chǎn)規(guī)模為140萬t/a。其主平硐標(biāo)高為3 055 m,主平硐內(nèi)采用雙軌運(yùn)輸方式,14 t電機(jī)車牽引4 m3側(cè)卸式礦車。豎井為罐籠井,井筒凈直徑6 m,井口標(biāo)高3 142 m,井底標(biāo)高2 190 m,井深980 m。采用雙層單繩罐籠平衡錘提升方式,最大提升高度為920 m。豎井用于礦石、人員、設(shè)備、材料的提升,同時(shí)作為進(jìn)風(fēng)口。采出礦石經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)裝入自卸卡車,卸入主溜井,由振動放礦機(jī)裝入側(cè)卸式礦車,牽引至車場,然后經(jīng)罐籠井提升至地表。斜坡道作為廢石、人員、設(shè)備、材料運(yùn)輸?shù)耐ǖ?硐口標(biāo)高3 065 m,斜坡道底標(biāo)高2 222 m,斜坡道彎道斷面25.71 m2,直道斷面21.17 m2,坡度10%。

目前采礦方法安全性差、機(jī)械化程度低、工藝復(fù)雜且對礦體變化適應(yīng)性差,難以滿足礦山生產(chǎn)能力的要求[1]。通過對礦山開采技術(shù)條件及礦山實(shí)際生產(chǎn)情況的綜合研究,為避免產(chǎn)生大量采空區(qū),解決生產(chǎn)上的安全隱患[2],提高機(jī)械化程度及生產(chǎn)效率[3],提高綜合回采率[4],簡化采礦工藝,增強(qiáng)礦體適應(yīng)性,節(jié)省廢石和尾砂占地面積,以及改善周邊環(huán)境[5-6],筆者進(jìn)行了機(jī)械化盤區(qū)上向水平分層充填采礦法研究,以期取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 開采技術(shù)條件及開采現(xiàn)狀

1.1 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)主要工程地質(zhì)巖組有大理巖、片巖和紫色砂巖組。大理巖組、片巖組既是含礦層,也是礦體的直接頂?shù)装鍑鷰r;紫色砂巖組是礦體的間接頂板。大理巖巖石堅(jiān)硬而穩(wěn)固,一般不須支護(hù)。片巖組是礦區(qū)的含礦層位,礦體的直接頂、底板圍巖,巖性復(fù)雜,巖石工程地質(zhì)特征復(fù)雜,其中石英片巖、斜長片巖等硬質(zhì)巖石較穩(wěn)定,不須支護(hù);含炭片巖、炭質(zhì)片巖等軟質(zhì)巖石強(qiáng)度低,巖石破碎,遇水易軟化、膨脹,穩(wěn)定性差,須支護(hù)。紫色砂巖組覆蓋在礦體直接頂板圍巖上,厚度大,巖石完整,穩(wěn)定性較好,一般不須支護(hù);但在破碎帶通過部位應(yīng)進(jìn)行支護(hù)。礦床工程地質(zhì)條件屬中等偏復(fù)雜型。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)少雨、干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈,區(qū)內(nèi)不存在地表水體,礦床內(nèi)不存在溝通區(qū)域地表水和地下水的導(dǎo)水構(gòu)造。未來礦坑充水的主要含水層為礦區(qū)深部構(gòu)造裂隙含水亞帶及賦存于紫色砂巖中的構(gòu)造裂隙含水亞帶。含水亞帶富水性差、補(bǔ)給量有限,礦床水文地質(zhì)條件簡單。

1.3 礦體特征

礦體賦存標(biāo)高一般在2 280～2 800 m,形態(tài)一般為層狀,賦存圍巖為大理巖和綠泥石英片巖,礦體傾角為45～85°,礦體厚度為10～30 m。大理巖穩(wěn)定性較好,綠泥石英片巖在遇水或構(gòu)造復(fù)雜部位穩(wěn)定性較差,須進(jìn)行支護(hù)。

1.4 開采現(xiàn)狀

礦山采用分段空場法和淺孔留礦法進(jìn)行回采,已生產(chǎn)30多年,采空區(qū)采用崩落頂柱法處理或不處理,其中2 762 m及以上中段已回采結(jié)束,2 702 m中段回采基本結(jié)束,2 642 m和2 582 m中段為主要生產(chǎn)中段,2 522、2 462 m中段為采切工程中段,2 402 m中段為探礦中段,2 342、2 282 m中段為開拓中段,生產(chǎn)逐步向深部轉(zhuǎn)移。

2 原采礦方法評述

2.1 采礦工藝及布置

分段空場法用于厚度大于等于5 m的礦體,淺孔留礦法用于厚度小于5 m的礦體,本礦采用這2種方法的占比分別為80%和20%。

分段空場法采場在礦體厚度為5～15 m時(shí),沿走向布置;當(dāng)?shù)V體厚度大于15 m時(shí),沿垂直走向布置。沿走向布置時(shí)采場長50 m(其中5 m為間柱),中段高60 m,分段高15 m;垂直礦體走向布置時(shí)采場寬20 m,中段和分段高度同上,其中礦房寬為15 m,礦柱寬為5 m,先采礦房,在礦房回采結(jié)束后采用崩落法回收礦柱。采用YGZ-90鑿上向扇形中深孔,2DPJ-55(或2DPJ-30)電耙出礦。

淺孔留礦法采場沿礦體走向布置,采場長50 m,其中礦房45 m、間柱5 m;中段高60 m,寬為礦體水平厚度,頂柱高為3 m。采用YT-28氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖,2DPJ-30電耙出礦。間柱、頂柱采用崩落法回收。

2.2 存在的問題

1)深部區(qū)域主要為片巖巖層,圍巖較破碎,長期采用空場法進(jìn)行開采,圍巖暴露時(shí)間長,穩(wěn)固性差,在回采過程中經(jīng)常發(fā)生圍巖垮落等現(xiàn)象[7-8]。隨著開采深度的下降,尤其是2 522 m水平以下,礦體多賦存于穩(wěn)固性差的綠片巖中,安全隱患較大。

2)回采過程中出現(xiàn)采場大量圍巖冒落,礦石損失、貧化現(xiàn)象嚴(yán)重,經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)差[9-10]。

3)因采場上方大量空區(qū)的存在,長期地壓活動造成部分井巷工程和中深孔報(bào)廢,大量高品位礦石受主要井巷工程壓覆無法回采[11]。

4)回采工藝較為復(fù)雜,生產(chǎn)能力偏低,作業(yè)安全性差,工人勞動強(qiáng)度高[12]。

5)現(xiàn)有斜坡道、混合井壓覆的保安礦柱礦量共計(jì)321.1×104t(大部分為生產(chǎn)期探明礦體),Pb平均品位為4.09%,Zn平均品位為7.32%。若礦山僅采用空場法采礦,該部分礦體在斜坡道服務(wù)期內(nèi)將難以回收利用,造成資源浪費(fèi)[13]。

3 采礦方法優(yōu)化與礦塊布置

3.1 采礦方法選擇

2 522 m水平以下礦體多賦存于穩(wěn)固性差的綠片巖中,采用中深孔采礦將造成圍巖冒落,大量礦石損失,結(jié)合礦山開采現(xiàn)狀提出充填采礦法。該方法可減少礦山資源的損失和貧化,提高資源利用率,延長礦山服務(wù)年限;并能及時(shí)處理礦山存在的采空區(qū)問題,確保井下各項(xiàng)作業(yè)安全進(jìn)行[14]。對礦山2 522 m中段以下的礦體,采用機(jī)械化上向水平分層充填采礦法[15]。

3.2 采礦方法研究應(yīng)用

3.2.1 盤區(qū)和采場劃分

采用機(jī)械化上向水平分層充填采礦法,每400 m劃分為1個(gè)盤區(qū),每個(gè)盤區(qū)劃分為4個(gè)或多個(gè)采場,每個(gè)采場一般長100 m,中段高60 m,分段巷道高15 m,采場回采分層高3.75 m。

對礦體厚度<10 m的礦體,沿礦體走向布置采場,采場寬為礦體厚度,長為100 m;采場聯(lián)絡(luò)道布置在采場中間,用于聯(lián)通中段或分段巷道;對礦體厚度≥10 m的礦體,沿垂直礦體走向布置采場,一步驟和二步驟采場寬均為5 m,長為礦體厚度,高為3.75 m,采場聯(lián)絡(luò)道布置在采場中間,用于聯(lián)通中段或分段巷道。

當(dāng)出現(xiàn)上下盤多層礦體時(shí),中間的夾石通過巷道掘進(jìn)形成通道,連通上下盤礦體,形成1個(gè)采場,回采時(shí)先采一步采礦塊;待一步采礦和充填完成后,再回采二步采礦塊,每個(gè)采場都有1條通道連通分段巷?；夭蛇^程中如遇到圍巖或礦體不穩(wěn)定地帶,采場內(nèi)留設(shè)點(diǎn)柱,點(diǎn)柱規(guī)格為3 m×3 m,間距和位置視現(xiàn)場情況確定,間距一般為8～10 m;如果采場頂板和兩幫片幫、冒頂比較嚴(yán)重,點(diǎn)柱無法穩(wěn)定頂板,可考慮留設(shè)條柱或分條段回采,以縮小采場的暴露面積。

3.2.2 采準(zhǔn)切割

采切工程包括盤區(qū)斜坡道、分段巷道、分層聯(lián)絡(luò)道、充填回風(fēng)井、溜礦井、拉底平巷、充填回風(fēng)井聯(lián)巷、溜井聯(lián)巷、天井鉆機(jī)硐室及聯(lián)巷等,見圖1。

圖1 機(jī)械化上向水平分層充填采礦示意圖Fig. 1 Diagram of application of mechanized upward horizontal slicing and filling mining method

在礦體下盤布置盤區(qū)斜坡道連接各分段,根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)性能,斜坡道坡度不大于15%;在礦體下盤布置分段巷道,分段巷道通過盤區(qū)斜坡道聯(lián)通。在盤區(qū)兩端的分段巷道各布置1條出礦聯(lián)絡(luò)道,將采場與中段(分段)巷道連通。每2個(gè)采場布置1條充填回風(fēng)井,溜井布置在礦體下盤,2個(gè)采場共用1條溜井。此采礦方法對圍巖穩(wěn)固性要求低,且對礦體傾角、厚度的適應(yīng)性較強(qiáng)[16]。

3.2.3 回采工藝

采場自中間出礦巷道向采場兩端前進(jìn)式回采。采用單臂鑿巖臺車鑿巖,鑿巖孔徑為φ45 mm,排間距為0.8～0.9 m,采用人工裝藥。爆破落礦后,新風(fēng)經(jīng)進(jìn)風(fēng)井、中段巷道、盤區(qū)斜坡道進(jìn)入。通過設(shè)置在分段巷道上的局扇和風(fēng)筒將新風(fēng)經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道壓入作業(yè)面;污風(fēng)經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道、分段巷道和充填回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入充填回風(fēng)井,然后再經(jīng)上部回風(fēng)巷道、回風(fēng)井排出地表[17]。

采場出礦采用10 t柴油鏟運(yùn)機(jī)。鏟運(yùn)機(jī)在進(jìn)路中鏟礦,經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道、分段巷道裝入30 t自卸卡車,自卸卡車經(jīng)盤區(qū)斜坡道、中段運(yùn)輸巷道、主斜坡道將礦石運(yùn)至地表。

進(jìn)路回采結(jié)束后,架設(shè)充填管路并封閉進(jìn)路,再進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填,首采分層設(shè)置人工假底,為下中段開采提供安全頂柱,假底鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),采用充填體強(qiáng)度為4 MPa的充填料漿進(jìn)行充填;其他分層采用充填體強(qiáng)度為0.5 MPa的充填料漿進(jìn)行充填,上部0.5 m膠結(jié)層面采用充填體強(qiáng)度為1.5 MPa的充填料漿進(jìn)行充填。

3.2.4 充填料的制備與充填系統(tǒng)

1)充填料的制備。選廠20%濃度的全尾砂經(jīng)柱塞泵泵送到充填制備站深錐濃密機(jī)后,進(jìn)行絮凝沉降,濃縮后的全尾砂經(jīng)計(jì)量后通過管道輸送至攪拌桶,膠凝材料經(jīng)膠凝材料倉底部的螺旋輸送機(jī),按充填強(qiáng)度的配比要求向攪拌桶計(jì)量給料。充填料在攪拌桶內(nèi)充分?jǐn)嚢?制備成灰砂比為1∶4～1∶12、濃度為70%～72%的充填料。

2)充填系統(tǒng)。充填料漿自流進(jìn)入設(shè)在充填攪拌站內(nèi)的充填鉆孔內(nèi),充填料漿沿充填鉆孔自流至2 582 m中段,經(jīng)2 582 m充填聯(lián)絡(luò)道輸送至井下充填作業(yè)點(diǎn)。全尾砂充填料漿與提前堆存在采場中的廢石集料在充填采場中混合。

3.3 采礦方法指標(biāo)對比

采礦方法優(yōu)化前后主要技術(shù)指標(biāo)對比見表1?？梢钥闯?采礦方法優(yōu)化后采切工程略有增加,但盤區(qū)生產(chǎn)能力、綜合回采率、綜合貧化率、鑿巖工效和出礦工效均得到了大幅優(yōu)化。

表1 采礦方法優(yōu)化前后主要技術(shù)指標(biāo)對比Table 1 Comparison of main technical indicators before and after optimization of mining methods

4 結(jié)論

針對礦山隨采礦深度增加圍巖條件變差及遺留礦柱難以回采等問題,將分段空場法和淺孔留礦法改為機(jī)械化上向水平分層充填采礦法,優(yōu)化后的采礦方法具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)采用機(jī)械化上向水平分層充填法無須留設(shè)大量礦柱,綜合回采率提高了10.38%,貧化率降低了43.89%,大幅降低了礦石的運(yùn)輸、提升和選廠的成本。采用選礦尾渣充填采空區(qū),不但保證了礦山生產(chǎn)安全;而且減少了尾渣的地表排放量,節(jié)約尾礦庫的地表占地與維護(hù)費(fèi)用,有效保護(hù)了礦區(qū)地表及周邊環(huán)境。

2)通過優(yōu)化采礦方法,采用大型無軌機(jī)械化設(shè)備,不但盤區(qū)生產(chǎn)能力提高了12.20%,鑿巖工效提高了51.16%,出礦工效提高了25%;而且減少了鑿巖工和電耙工人數(shù),降低了工人勞動強(qiáng)度,提高了工人作業(yè)安全性。

3)機(jī)械化上向水平分層充填法對生產(chǎn)探礦程度要求低,采切工程布置簡單靈活,對礦體沿走向和垂向上的變化適應(yīng)性強(qiáng),回采邊界容易控制,有利于優(yōu)化貧損指標(biāo);且每分層回采高度低,有利于保持圍巖穩(wěn)定,提高作業(yè)安全性。