覃 凱 張鵬飛 肖柏林

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司,基特韋 贊比亞22592;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

緩傾斜中厚礦體開采一直是采礦界難題,難以實(shí)現(xiàn)礦體的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采[1]。根據(jù)礦巖賦存條件、鑿巖設(shè)備、出礦設(shè)備、支護(hù)設(shè)備等的差異,緩傾斜中厚礦體的常見采礦方法有全面法、分段空場法、分段嗣后充填法等[2-4]。為了提高采礦效率,降低生產(chǎn)成本,許多礦山引進(jìn)先進(jìn)大型無軌設(shè)備,采用大采場結(jié)構(gòu)參數(shù),獲得良好開采效益。例如,塔吉克斯坦某金礦增大分段高度至21 m、調(diào)整底部結(jié)構(gòu)高度為13 m、優(yōu)化采用高分段中深孔爆破技術(shù),實(shí)現(xiàn)采場千噸采切比降至4.48 m/kt,炸藥綜合單耗降至0.42 kg/t,損失貧化率均控制在8%以下[5];內(nèi)蒙古某鋅鉛銀礦傾斜中厚礦體采用盤區(qū)機(jī)械化房柱嗣后充填開采,鑿巖出礦均采用無軌設(shè)備作業(yè),提高了生產(chǎn)能力,采礦損失率8%,貧化率12%,經(jīng)濟(jì)和安全效益良好[6];某緩傾斜中厚破碎磷礦床采用分段高16 m、礦房寬度6 m、上部切頂高度4 m、下部回采段高12 m的開采結(jié)構(gòu),可保證采場圍巖的穩(wěn)定性,采場生產(chǎn)能力約3 000 t/d,貧化率約5%,回收率約86%,采切比約61 m3/kt,具有較好的應(yīng)用效果[7]。大盤區(qū)機(jī)械化的分段嗣后充填是開采緩傾斜中厚礦體的主要趨勢。

大型無軌設(shè)備、大采場參數(shù)雖然大幅提高了采礦效率,但同時(shí)也增加了采場跨度與暴露面積,特別是對于沉積巖性質(zhì)礦床,礦巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育,穩(wěn)定性差,因此采用多種方式的“預(yù)控頂”支護(hù)技術(shù)來保證采場頂板的穩(wěn)定性是決定大盤區(qū)機(jī)械化開采成敗的關(guān)鍵。例如,內(nèi)蒙古某多金屬地下礦針對采場頂板穩(wěn)固性差、節(jié)理裂隙發(fā)育、部分采場頂板發(fā)生冒落等問題,采用噴錨網(wǎng)+長錨索預(yù)加固的聯(lián)合支護(hù)預(yù)控頂方式,有效控制了頂板垮落[8]。大尹格莊金礦針對破碎圍巖穩(wěn)定性差、深部礦壓顯現(xiàn)劇烈等難題,采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合,利用噴錨網(wǎng)+錨索進(jìn)行預(yù)控礦柱上方頂板,優(yōu)化了分段嗣后充填法回采遺留礦柱[9]。阿舍勒銅礦針對650 m中段破碎圍巖及分段采場發(fā)生垮塌的狀況,提出了錨索加固作為組合梁和懸吊共同作用等預(yù)控頂技術(shù),控制了采場穩(wěn)定性,作業(yè)安全,貧化損失率低[10]。湖北宜昌某磷礦針對復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,提出預(yù)控頂條帶式充填采礦法,并采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)采場頂板,有效提高頂板穩(wěn)定性,避免因頂板圍巖垮落而造成大量的出礦貧化,礦石回采率提高了9.3%,礦塊生產(chǎn)能力提高了48%[11]。二里河鉛鋅礦急傾斜頂板易冒落、垮塌,采用2～3排預(yù)應(yīng)力錨桿加條網(wǎng)構(gòu)成的錨桿條網(wǎng)帶沿傾斜間隔一定距離全長支護(hù)采場頂板,錨桿條網(wǎng)帶控頂具有減跨效應(yīng),可有效控制頂板、減少冒落、降低貧化[12]。不難發(fā)現(xiàn),錨索與錨桿是預(yù)控頂?shù)闹饕ёo(hù)方式,由礦山工程地質(zhì)條件、機(jī)械設(shè)備等因素確定[13]。

預(yù)控頂支護(hù)技術(shù)是保障采場頂板的有效手段,但同時(shí)也增加了工藝的復(fù)雜性與時(shí)間周期,支護(hù)成本也是選擇支護(hù)方案的一個(gè)重要因素[14]。為了豐富預(yù)控頂階段嗣后充填采礦技術(shù)的控頂支護(hù)措施,本文以謙比西銅礦為例,介紹了一種錨索孔“一孔兩用”的創(chuàng)新錨索支護(hù)技術(shù),無需額外開挖支護(hù)巷道工程,可直接在鑿巖巷道向頂板末端支護(hù),礦體內(nèi)錨索孔后續(xù)可兼作回采炮孔使用,提高了采礦效率,節(jié)約了成本。該技術(shù)可在類似礦山進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 謙比西銅礦東南礦體開采情況

謙比希銅礦位于世界著名的非洲中部贊比亞—?jiǎng)偣?金)銅鈷成礦帶的中部偏南,處于非洲中部巨型盧費(fèi)里安褶皺帶內(nèi)的加丹加沉積盆地內(nèi)。謙比西銅礦東南礦體屬微傾斜—緩傾斜礦體,走向北東,產(chǎn)狀呈波浪形,傾角為0～28°。泥質(zhì)板巖礦體為工業(yè)礦體的主要賦存層位,巖性為黑色、灰黑色至淺灰色泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖,薄層狀、條帶狀構(gòu)造,最大厚度23.73 m,平均厚度9.23 m;而上盤礦化泥質(zhì)板巖則為礦化層,品位低,目前暫無經(jīng)濟(jì)價(jià)值,其厚度一般均大于10 m。依據(jù)礦體產(chǎn)狀情況,針對厚度大于12 m且走向上傾角較大的礦體,主要采用預(yù)控頂上向中深孔空場嗣后充填法,如圖1所示。

圖1 預(yù)控頂上向中深孔回采與支護(hù)工程布置示意Fig.1 Schematic diagram of up-deep hole mining and pre-controlled roof support

該采礦方法的工藝參數(shù)如下:

(1)盤區(qū)劃分。分段高度20 m,盤區(qū)長度100 m,沿礦體走向劃分采場,采場長度80 m,寬度12.5 m,間柱20 m,不同分段間不留礦柱。

(2)采準(zhǔn)切割。各分段下盤沿走向方向布置分段巷;各盤區(qū)間由分段巷道布置穿脈至礦體上盤;每2條穿脈布置1個(gè)礦石溜井到達(dá)1 080 m運(yùn)輸中段;采場底部于本分段標(biāo)高布置鑿巖巷聯(lián)通盤區(qū)兩側(cè)穿脈,采場頂部于上一分段標(biāo)高布置鑿巖支護(hù)巷聯(lián)通盤區(qū)上分段兩側(cè)穿脈;采場端部布置切割天井、切割槽聯(lián)通鑿巖巷。

(3)采場支護(hù)。由于采場寬度較大,為保證采場頂板穩(wěn)定性,回采前需用錨索對頂板進(jìn)行支護(hù),支護(hù)方式有2種;① 在接近頂板位置施工鑿巖支護(hù)巷,在支護(hù)巷內(nèi)使用錨索臺車向頂板上盤圍巖內(nèi)施工6.5 m錨索,錨索支護(hù)網(wǎng)度3.0 m×3.0 m;鑿巖支護(hù)巷自身使用錨網(wǎng)支護(hù),錨桿長2.4 m,間排距1.0～1.6 m;金屬網(wǎng)尺寸3.2 m×2.4 m,搭接長20 cm;② 有些不適合打支護(hù)巷的采場,則在下盤鑿巖巷使用錨索臺車向上打錨索支護(hù),錨索穿過礦體深入頂板圍巖6.5 m,全長錨固;2種支護(hù)與鑿巖情況如圖1所示。

(4)回采出礦。預(yù)護(hù)頂完成后,以切割槽為自由面由鑿巖出礦巷施工上向扇形中深孔進(jìn)行崩礦作業(yè),采用自動(dòng)化鏟運(yùn)機(jī)出礦。

(5)充填。由上一分段或上兩分段標(biāo)高施工充填巷及充填鉆孔到達(dá)采場頂部進(jìn)行充填作業(yè),一步驟采場膏體灰砂比1∶9,28 d強(qiáng)度為1.0 MPa;二步驟采場膏體灰砂比1∶24,28 d強(qiáng)度為0.5 MPa。

(6)采場生產(chǎn)能力,875 t/d。

1.2 預(yù)控頂支護(hù)中存在的問題

在生產(chǎn)過程中,現(xiàn)有的預(yù)控頂支護(hù)方案存在一些問題:

(1)有些采場受周邊工程和地質(zhì)條件影響,無法施工支護(hù)巷,預(yù)控頂效果差。

(2)可以施工支護(hù)巷的采場,采切工程量較大,降低了采礦效率,且支護(hù)巷位于泥質(zhì)板巖內(nèi),穩(wěn)定性差,需增加錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù),增加了成本和作業(yè)時(shí)間。

(3)在鑿巖出礦巷施工全孔錨索時(shí),若采用全長錨固,則回采爆破后有部分礦石黏掛在錨索上,形成“掛簾子”的現(xiàn)象,存在較大安全隱患;若全長錨索只孔底7 m注漿錨固,則錨索因自重下滑嚴(yán)重,爆破也可能將整根錨索帶出;此外,全長錨索長度超過20 m,造成水泥和錨索的浪費(fèi)。因此,需要對現(xiàn)有錨索支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化,尋找一種更經(jīng)濟(jì)合理的措施。

2 中深孔“一孔兩用”的思路與設(shè)計(jì)

2.1 “一孔兩用”的改進(jìn)思路

針對上述問題,東南礦體技術(shù)人員充分利用現(xiàn)場的錨索臺車和中深孔臺車設(shè)備的特性與能力,提出一種錨索中深孔“一孔兩用”的高效預(yù)護(hù)頂支護(hù)技術(shù)。其主要思路是,采用長錨索的方案,避免支護(hù)巷帶來的額外工程量,利用錨索連接裝置實(shí)現(xiàn)錨索孔孔底錨固,礦體內(nèi)錨索回收后錨索孔作為爆破炮孔。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)具有2個(gè)關(guān)鍵問題:

(1)錨索孔完成錨索支護(hù)后,要繼續(xù)作為回采炮孔使用,則錨索孔內(nèi)錨索只能錨固頂板的6.5 m,礦體段內(nèi)的錨索必須剪斷回收;因此需要某種特殊裝置實(shí)現(xiàn)錨固段6.5 m鋼絞線與回收段鋼絞線的孔內(nèi)分離;為此,自制了一種帶有倒刺的塑料管錨索連接裝置;

(2)錨索孔孔底支護(hù)后,剩余段將作為回采中深孔使用,錨索孔孔徑更小,則相當(dāng)于每排扇形中深孔中有2種孔徑,因此扇形中深孔的孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)與爆破參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.2 中深孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

“一孔兩用”技術(shù)的中深孔有常規(guī)中深孔和錨索孔2種類型,交替布置且均需要裝藥,根據(jù)采礦設(shè)計(jì)手冊[15]對孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

(1)基礎(chǔ)參數(shù)。鑿巖設(shè)備的中深孔臺車為Sandvik DL431,孔徑76 mm;錨索臺車為Sandvik DS421,孔徑51 mm;上向扇形孔采用下盤一角式。礦巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 礦體板巖的主要物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Main physical and mechanical properties of the ore rock

(2)最小抵抗線?？砂磁诳字睆絛和巖體堅(jiān)硬系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值,堅(jiān)硬巖中最小抵抗線W=(20～30)d,取20d,則直徑51 mm和76 mm 2種炮孔的最小抵抗線分別為1.0 m和1.5 m。最小抵抗線還可以按下式進(jìn)行校驗(yàn)。

式中,d為炮孔直徑,單位dm;Δ為裝藥密度,kg/dm3;τ是裝藥系數(shù),是裝藥長度與孔長之比,查閱手冊取0.75;m為密集系數(shù),孔越深m越大,這里校驗(yàn)時(shí)取1.2;q為炸藥單耗,kg/m3。

中深孔爆破使用炸藥的裝藥密度為1.058 g/cm3,炸藥單耗0.45 kg/m3,礦石體重2.732 t/m3,代入式(1)對2種孔徑的最小抵抗線進(jìn)行校驗(yàn)結(jié)果為1.06 m和1.58 m;與上述經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果相吻合。

(3)孔間距。扇形孔分為孔底距a1和孔口距a2,按照下式進(jìn)行計(jì)算:

式中,m為炮孔密集系數(shù),對于孔口m值可取1.0～1.2;孔底m值可取1.5～2.0。因此對于錨索孔,孔口距為1.0～1.2 m,孔底距為1.5～2.0 m;對于正常扇形孔,孔口距為1.5～1.8 m,孔底距為2.2～3.0 m。由于錨索孔孔徑較小,其孔底距取1.6 m,與錨索孔交替布置的中深孔孔底距3.2 m,其余中深孔的孔底距為2.2 m。

(4)堵塞長度。各孔的堵塞長度l不一致,合理長度應(yīng)避免孔口部位裝藥過多;通常按以下方法:① 以一側(cè)作為基準(zhǔn),使其l=0.7W,再按順序排下去,使各孔裝藥截止面的距離均為W;② 邊孔和中心孔l=0.7W,其余按孔口距等于1/2孔底距的原則設(shè)計(jì)堵塞長度。

(5)單位耗藥量。炸藥單耗q取決于礦巖的可爆性、孔徑和炸藥性能,冶金礦山的q=0.25～0.6 kg/t,根據(jù)工程爆破手冊[16],東南礦體的礦石堅(jiān)硬系數(shù)為6～8,可取q=0.35～0.5 kg/m3;對于扇形孔,每排孔的總裝藥量Qp為

式中,S為一排扇形孔可負(fù)擔(dān)的面積,m2;這里采場寬12.5 m,高約16 m,因此S=202 m2。炸藥單耗按0.45 kg/m3計(jì),則每排中深孔的總裝藥量為200 kg;對于76 mm的正常中深孔,每米裝藥量4.8 kg;對于51 mm的錨索孔,每米裝藥量2.1 kg。

根據(jù)上述計(jì)算,“一孔兩用”的中深孔爆破設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 一孔兩用中深孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.2 Dual-purpose deep hole blasting parameters design

3 現(xiàn)場施工與效益計(jì)算

3.1 扇形回采中深孔的施工

(1)錨索臺車。鑿巖設(shè)備主要有2種臺車,分別為Sandvik DL431中深孔臺車和Sandvik DS421錨索臺車,孔徑分別為76 mm和51 mm。其中DS421錨索臺車電機(jī)功率55 kW,液壓油箱容量為270 L,供水水壓最小為2 bar,水泵用水100 L/min。臺車上的儲桿器可以存放最多19根鉆桿,因此理論上最大的施工深度為30.5 m、最多可以安裝25 m的錨索;臺車使用的錨索直徑為15.6 mm,卷盤內(nèi)徑為840 mm,卷盤外徑為1 220 mm,厚度為300 mm;注漿管長度35 m,直徑40 mm,理論每米注漿為4～5 kg;干水泥倉最大容量為400 kg,料漿的水灰比為0.3左右,水泥攪拌罐的最大水泥攪拌量為280 kg。錨索臺車及鑿巖情況如圖3所示。

圖3 錨索臺車的卷盤及現(xiàn)場鑿巖情況Fig.3 The reel of the cable bolter and its drilling situation on site

(2)錨索孔的施工。首先使用DS421臺車施工3個(gè)上向錨索孔(圖2中的2、4、6孔號),孔深17～23 m,鉆孔直徑51 mm。鑿巖過程中,操作人員將相關(guān)參數(shù)設(shè)定好后,只需進(jìn)行人工定位,設(shè)備在鑿巖過程中自動(dòng)鉆進(jìn)和接桿,施工到設(shè)定值后,自動(dòng)進(jìn)入退桿程序,并完成桿作業(yè)。通過現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析,純鉆進(jìn)時(shí),鑿巖速度約1.8 m/min,接桿與退桿時(shí)間相同,為30 s左右1根,錨索孔綜合施工速度為0.6 m/min。

(3)錨索孔注漿。錨索孔完成后開始注漿,設(shè)備根據(jù)設(shè)定的0.3水灰比自動(dòng)往攪拌桶內(nèi)添加水及水泥并攪拌,制備100 kg水泥的水泥漿時(shí)間約為20 min。制漿完成后將注漿管插入孔底,然后邊注漿邊退注漿管,當(dāng)注漿管后退6.5 m時(shí),停止注漿,拔出注漿管,此時(shí)臺車顯示屏上可實(shí)時(shí)顯示注漿管位置。

(4)套管制作與錨索安裝。自制了一種錨索連接套管,用其連接錨固段的6.5 m鋼絞線和回收段的鋼絞線。錨索直徑為15.6 mm,因而選擇內(nèi)徑為16～20 mm,壁厚2～4 mm塑料管制作連接套管;套管長度30～40 cm,中部穿3～5個(gè)小孔,將10 cm長細(xì)鋼絲從孔中穿過形成倒刺,其作用是提供一定摩擦力,防止錨固段錨索因自重而脫落。

安裝時(shí),將鋼絞線在1 m位置折彎,使錨索進(jìn)入鉆孔后與孔壁有摩擦力,剪斷后錨索不下滑;鋼絞線插入孔內(nèi)6.5 m時(shí),通過臺車液壓剪進(jìn)行剪斷;然后將加工好的連接套管上半段插入已剪斷鋼絞線末端,下半段插入轉(zhuǎn)盤鋼絞線起始端,該過程由人工在鑿巖臂上操作;隨后,借助下部鋼絞線力量將6.5 m鋼絞線及連接管將錨索往上送,根據(jù)臺車顯示屏上實(shí)時(shí)顯示的鋼絞線位置,到達(dá)既定位置后即可緩慢回收下部鋼絞線至轉(zhuǎn)盤,完成錨索安裝。自制塑料套管、其作用原理及現(xiàn)場錨索安裝示意如圖4所示。

圖4 自制套管、作用原理及錨索現(xiàn)場安裝Fig.4 Self-made casing,its working principle and the practical installation scenario

3.2 現(xiàn)場使用效果及問題

在謙比西銅礦東南礦體北采區(qū)進(jìn)行了多次“一孔兩用”現(xiàn)場試驗(yàn),完成安裝后未發(fā)現(xiàn)連接套管和6.5 m鋼絞線滑出,并通過長塑料管測孔深進(jìn)行驗(yàn)證,確定切斷的6.5 m鋼絞線及連接管已留在孔內(nèi)設(shè)計(jì)位置,實(shí)現(xiàn)了僅支護(hù)末端6.5 m的預(yù)期目的?？偨Y(jié)現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn),有以下問題仍需改進(jìn):

(1)中深孔爆破參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際礦巖情況不斷優(yōu)化。常規(guī)中深孔和錨索孔不僅直徑不一致,同時(shí)有0.5 m距離,最初設(shè)計(jì)時(shí)將兩者當(dāng)作同一排炮孔進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)對孔底距、炸藥單耗、崩礦步距等不斷優(yōu)化,獲得更好爆破效果,降低大塊率。

(2)注漿錨固的水泥漿在2號垂直孔偶有滑落,影響錨固及后續(xù)爆破裝藥;后續(xù)可對水泥漿進(jìn)行性能優(yōu)化,在滿足錨桿臺車水泥漿泵可泵送的前提下提高漿體黏度。

(3)自制套管目前比較簡單,廢舊鋼絲繩強(qiáng)度剛度較差,可以對倒刺的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,提高倒刺強(qiáng)度,同時(shí)使套管具有一定的止?jié){作用。

(4)鑿巖巷內(nèi)扇形孔使用2種臺車施工,增加了設(shè)備銜接、現(xiàn)場管理的難度,一般先施工完錨索支護(hù),再鑿常規(guī)中深孔;技術(shù)人員需要加強(qiáng)炮孔定位及現(xiàn)場指導(dǎo)工作。

3.3 “一孔兩用”的效益分析

實(shí)施錨索中深孔“一孔兩用”技術(shù),對提高預(yù)控頂階段嗣后充填采礦的效率、降低成本具有顯著作用。其不僅節(jié)約了支護(hù)鑿巖巷的采切工程量、錨網(wǎng)支護(hù)量,而且節(jié)約了錨索使用量。以盤區(qū)的一個(gè)采場長度80 m、寬度12.5 m、高16 m為例(扣除切割槽,共需34排中深孔),估算“一孔兩用”方案可獲得的效益情況,如表2所示。

表2 采用“一孔兩用”方案每個(gè)采場節(jié)約的工程量估算Table 2 Estimated table of engineering quantities saved in each stope by adopting the dual-purpose deep hole

4 結(jié) 論

針對謙比西銅礦預(yù)控頂上向中深孔空場嗣后充填法的采礦工藝,利用Sandvik DS421錨索臺車,提出了一種“一孔兩用”的預(yù)護(hù)頂技術(shù)方案,可不實(shí)施鑿巖支護(hù)巷,直接在底部鑿巖巷施工護(hù)頂錨索,安裝好錨索后錨索孔作為回采中深孔使用,詳細(xì)介紹了技術(shù)方案的設(shè)計(jì)與施工,得到以下結(jié)論:

(1)通過自制錨索套管裝置,可以連接錨固錨索和自由錨索,實(shí)現(xiàn)錨固后礦體內(nèi)自由端錨索的回收利用,工業(yè)試驗(yàn)中通過長塑料管測孔深進(jìn)行驗(yàn)證,未發(fā)現(xiàn)連接套管和6.5 m錨固錨索滑出,切斷的6.5 m鋼絞線及連接管已留在孔內(nèi)設(shè)計(jì)位置,實(shí)現(xiàn)了僅支護(hù)末端6.5 m的預(yù)期目的。

(2)將錨索孔并入扇形中深孔統(tǒng)一設(shè)計(jì),其中3個(gè)直徑51 mm的錨索孔排面與常規(guī)中深孔排距0.5 m,孔底距取1.6 m;有間隔錨索孔的中深孔孔底距3.2 m,其余直徑76 mm的正常中深孔的孔底距為2.2 m,炸藥單耗0.45 kg/m3。

(3)以謙比西銅礦一個(gè)采場長度80 m、寬度12.5 m、高16 m為例,“一孔兩用”支護(hù)方案可節(jié)約采切工程量1 672 m3、管縫錨桿330根、金屬錨網(wǎng)496 m2、中深孔850 m、錨索221～1 360 m、工期45 d,具有良好推廣價(jià)值;后續(xù)需根據(jù)大塊率對爆破孔網(wǎng)參數(shù)繼續(xù)優(yōu)化,開展錨固力效果分析。