張帆

（湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北黃石 435000）

0 引言

根據(jù)中國礦產(chǎn)資源局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)：截至2022年，我國已經(jīng)成功開發(fā)173 種礦產(chǎn)，且稀土礦資源占據(jù)全球70%以上。為進(jìn)一步增強(qiáng)我國采礦能力，應(yīng)善于運(yùn)用先進(jìn)工藝，完善采礦計(jì)劃，滿足礦產(chǎn)資源需求之上提高采礦效益。同時(shí)，還需立足現(xiàn)有采礦特征，加強(qiáng)新工藝應(yīng)用推廣，借此增加資源儲量。

1 下行式小分段高效采礦工藝的可行性

下行式小分段高效采礦工藝的可行性，主要體現(xiàn)在縮減采礦成本和提高采礦效率兩個(gè)方面。為進(jìn)一步闡述應(yīng)用優(yōu)勢，此次研究專門采用對比分析法歸納該項(xiàng)技術(shù)可行性價(jià)值，與上行式小分段高效采礦技術(shù)、下向分層進(jìn)路充填采礦技術(shù)比較。假設(shè)在相同地質(zhì)條件下，上盤巖土天然密度2.88g/cm3，含水率0.093%，抗壓強(qiáng)度11.41MPa，彈性模量59.43GPa。而礦體及下盤結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為2.99g/cm3（2.89g/cm3）、0.083%（0.094%）、13.21MPa（13.03MPa）、64.59GPa（57.71GPa）。同時(shí)呈現(xiàn)上薄下厚特征，其厚度為30～40m，具有100～400m 走向長度，此次研究中分布的巖石以銅礦和鎳礦資源為主，且摻雜著沉凝灰?guī)r及碎屑濁流沉積物。

為進(jìn)一步闡述此項(xiàng)工藝的可行性，結(jié)合學(xué)者周光信等[1]相關(guān)研究結(jié)果，確定上述3 種采礦工藝在相同采礦量條件下，顯然此項(xiàng)工藝采礦生產(chǎn)能力更大。另外，成本對比上采礦直接成本較小。炸藥使用過程中消耗量與上行式小分段高效采礦工藝持平。由此證實(shí)本文推薦的下行式小分段高效采礦工藝在采礦成本上相對第三種工藝可節(jié)約50%的投入成本，采礦效率上最多可增加250%，表示此項(xiàng)技術(shù)確有顯著可行性，若地質(zhì)條件符合穩(wěn)固礦體條件，應(yīng)善于依靠此技術(shù)助力采礦企業(yè)謀求高收益、低成本目標(biāo)，盡量擴(kuò)大此技術(shù)的適用范圍，建立標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)規(guī)范。3 種采礦工藝下采礦方案對比如表1 所示。

表1 3 種采礦工藝下采礦方案對比

2 下行式小分段高效采礦工藝關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 回采工藝

采礦項(xiàng)目中在爆破以及回采等工藝操作下，可能隨著時(shí)間延長引發(fā)震動能量波動情況，如圖1 所示，要想進(jìn)一步維護(hù)采礦安全，務(wù)必利用回采工藝發(fā)揮技術(shù)特性。一般情況下，回采工藝水準(zhǔn)多關(guān)乎采礦經(jīng)濟(jì)指標(biāo)水平，這也是此項(xiàng)技術(shù)是否彰顯省本價(jià)值的重要保障。在上述地質(zhì)條件下，于回采作業(yè)中應(yīng)先行搭建采礦巷道，隨即配備切割天井，用于助力后續(xù)采礦人員高效完成鑿巖、爆破等諸多任務(wù)。而后以隔三采一方法有序回采，并將回采工序調(diào)整為由上到下，先組織采礦人員進(jìn)行上分段回采，后開展下分段回采工作，始終以膠結(jié)充填法搭配非膠結(jié)充填法夯實(shí)回采基礎(chǔ)。

圖1 采礦作業(yè)中擾動條件下震動能量變化情況

為優(yōu)化回采工藝效果，還可以借鑒黑龍江省老柞山金礦回采經(jīng)驗(yàn)，此金礦多有52MPa 以上抗壓強(qiáng)度的礦石，且?guī)r石密度為3.12t/m3，其中設(shè)置的采礦區(qū)具有3～5m 寬和80m 高的地理?xiàng)l件。因早期隨著爆破作業(yè)已然形成松動帶（2m 寬），故而采礦人員專門運(yùn)用電機(jī)車（ZK3-5/250 型）有序?qū)⒌V石運(yùn)輸至天井內(nèi)，而且選擇301.733m 高度位置上搭設(shè)巷道，并以2m 長、2m 寬設(shè)計(jì)分段巷道，經(jīng)過對回采作業(yè)邊界范圍的有效控制，達(dá)成了高效回采目的，整體回采效果良好。

2.2 采場布置技術(shù)

在采礦區(qū)域內(nèi)應(yīng)用下行式小分段高效采礦工藝時(shí)，可以應(yīng)用采場布置關(guān)鍵技術(shù)改善采礦條件。由于采場不同位置巖石成分及穩(wěn)定性多有不同，所以需優(yōu)選回采區(qū)、爆破區(qū)，以便在合理布置下提高采礦效率。為驗(yàn)證采場布置匹配度，應(yīng)依據(jù)采場強(qiáng)度差異進(jìn)行模擬分析，建立采礦仿真結(jié)構(gòu)模型后，可根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件出具采礦方案。經(jīng)過研究應(yīng)當(dāng)以8m 跨度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交叉布置，此時(shí)可促使在12m 高度以下的采場內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全采礦。事實(shí)上，采礦企業(yè)在采礦作業(yè)中除了關(guān)注礦產(chǎn)資源帶來的經(jīng)濟(jì)效益外，還應(yīng)注重現(xiàn)場采礦安全水平，否則可能誘發(fā)中斷采礦后果[2]。

按照原有8m 分段高度和23m/kt，75%回采率和8%貧化率指標(biāo)進(jìn)行采礦作業(yè)，能夠發(fā)現(xiàn)未改進(jìn)前采場布置方案中設(shè)有斜長水平礦柱（2m），并設(shè)置了兩個(gè)采場（50m 長，70m 高），之后安排采礦人員按照既定采場布置方案。以2m 分段回采高度進(jìn)行循環(huán)開采，運(yùn)用雷管爆破工藝建立2.2m 深度且角度為60°的炮孔。此時(shí)雖然按照原有方案也能順利采礦，但顯然以此分段高度布置采場缺少適應(yīng)性。因此有關(guān)人員需在8m 分段高度之上適當(dāng)延伸至12m，此時(shí)采切比和貧化率將分別降至20.6m/kt、7.8%，且回采率增加3.2%，表示提高分段高度實(shí)施采場交叉布置，有望優(yōu)化采礦效果。

2.3 鑿巖爆破技術(shù)

鑿巖爆破是采礦工藝中較為重要的技術(shù)，往往決定采礦安全性和采礦效益，因此有關(guān)人員需兼顧地質(zhì)條件采用鑿巖爆破技術(shù)有效控制爆破材料用量。通常以鑿石劈巖機(jī)進(jìn)行開礦作業(yè)以及以炸藥進(jìn)行爆破式鑿巖。在獲得上級部門批復(fù)后方可采用炸藥爆破方式，但需注意的是炸藥用量應(yīng)在0.3kg/t 左右，并同時(shí)使用鑿巖設(shè)備作為輔助爆破，促進(jìn)巖石快速開裂[3]。

另外，還可采用一次鑿巖分段爆破高效成井方式，同樣能夠達(dá)到省本增效目的，可將其視為鑿巖爆破輔助工藝。首先，安排有關(guān)人員設(shè)置掏槽，多以三孔桶形掏槽為主，并且科學(xué)設(shè)計(jì)掏槽孔與空孔間距（L）和鉆孔孔徑參數(shù)。具體可以參照式（1）予以分析。

式中：D——采場內(nèi)空孔直徑，mm。

其次，計(jì)算后可以確定輔助孔數(shù)量以及相關(guān)夾角，以便在傾斜鉆孔中保障采礦質(zhì)量。相關(guān)人員需根據(jù)鉆孔孔徑大小確定裝藥量。例如，針對140mm 鉆孔宜使用15kg/m 炸藥量，且裝載高度應(yīng)為1.6m。若開設(shè)120mm 鉆孔，裝藥量應(yīng)保持在11kg/t 左右，高度應(yīng)為2.2m，這樣才能保證炸藥均勻分布；最后，在鑿巖爆破作業(yè)中應(yīng)當(dāng)確定最佳分段爆破高度。在小分段高效采礦工藝導(dǎo)向下，可以將分段高度控制在5～7m，并進(jìn)行多次爆破，從起初多次4m 爆破高度增加到9m 爆破高度，最后一次大高度爆破作業(yè)時(shí)，還可結(jié)合巖石分布特征進(jìn)行分層爆破，以便增加爆破成功可能性。需注意的是：應(yīng)用鑿巖爆破技術(shù)時(shí)，需要在炸藥放置前鋪設(shè)一層細(xì)沙，隨即有序爆破，而且應(yīng)在多層分次爆響觀察爆破效果，以便提升采礦有效性。

2.4 采場充填技術(shù)

下行式小分段高效采礦工藝的應(yīng)用，從上述研究中確定有可行性。而以爆破鉆孔作業(yè)后，還需運(yùn)用采礦充填技術(shù)充分增強(qiáng)強(qiáng)度，一般需滿足3.1MPa 以上的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。此處指的是充填物強(qiáng)度。為進(jìn)一步預(yù)防采礦積水等不良風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)人員可以對鉆孔實(shí)施分層充填，而且可以按照1∶4 灰砂比配制充填材料，并為不同層級采礦配制差異化充填材料，其灰砂比從采礦底端到上端分別為1∶4、1∶10、1∶4，以便達(dá)到強(qiáng)度強(qiáng)化作用[4]。另外，負(fù)責(zé)采場充填工作的人員，還要將初期充填高度保持在1m 以下，且最高不可超過6m，否則容易在過高充填下引起充填材料變形隱患。充填后記錄材料表面積水狀態(tài)，未見積水表現(xiàn)后即可認(rèn)定充填質(zhì)量達(dá)標(biāo)。采場充填技術(shù)作為采礦項(xiàng)目收尾保障技術(shù)，在充填作業(yè)前期，也可以運(yùn)用充填擋墻劃分安全充填區(qū)域。經(jīng)過高強(qiáng)度充填材料的有力支撐，能夠促使礦石損失貧化率得以下降，值得以小分段充填工藝達(dá)到提效效果。

3 下行式小分段高效采礦工藝優(yōu)化路徑

3.1 優(yōu)化工藝流程

下行式小分段高效采礦工藝的實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)從工藝流程層面提出優(yōu)化建議。通常在該項(xiàng)技術(shù)指引下需要有序完成回采、布置、爆破及充填任務(wù)，且每一項(xiàng)流程都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行模擬分析，以便出具完善方案。

此處以重慶接龍鐵礦為例，在優(yōu)化前回采過程中以下分段50%步距（5～8m），上下分段同步回采方式，保持6m 左右回采高度，并利用人工裝藥方式進(jìn)行循環(huán)式回采作業(yè)。而經(jīng)過分析后確定朝著步距回采順序以及進(jìn)風(fēng)井分布形態(tài)等方向予以優(yōu)化，優(yōu)化后既能簡化流程，又能提高采礦效率。即在原有6m 回采高度之上控制在3m 左右，并且保有一定寬度的護(hù)頂空間（300mm），有利于增強(qiáng)頂板支撐穩(wěn)定性。而且對進(jìn)風(fēng)井性質(zhì)予以優(yōu)化，未優(yōu)化前常以中央盲天井充當(dāng)進(jìn)風(fēng)井，此時(shí)容易削弱采場進(jìn)風(fēng)效果，然而優(yōu)化后僅設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)風(fēng)井，并借助滑輪結(jié)構(gòu)運(yùn)輸廢礦渣，加快出礦速度的同時(shí)也能凈化采場環(huán)境。由此證實(shí)：針對采礦流程進(jìn)行針對性優(yōu)化改進(jìn)，是提升采礦質(zhì)量的保障措施，值得引起有關(guān)人員的重視。

3.2 配備智能設(shè)備

下行式小分段高效采礦工藝，之所以在采礦項(xiàng)目中擁有優(yōu)良前景，是因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)確實(shí)能夠提高采礦效率，致使采礦企業(yè)擁有可觀收益。為進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，還可結(jié)合采場地質(zhì)環(huán)境，積極配備智能設(shè)備，既可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)采礦設(shè)備，又可以為現(xiàn)有爆破等設(shè)備提供便捷化服務(wù)。具體可以使用采礦機(jī)器人，妥善應(yīng)對現(xiàn)場采礦風(fēng)險(xiǎn)，而且在機(jī)械化采礦場景內(nèi)，亦能達(dá)到增效目的。

此處列舉兩種適用范圍廣泛的智能設(shè)備：①自動采礦設(shè)備，此設(shè)備實(shí)則是依靠無人駕駛系統(tǒng)對礦石實(shí)施智能化轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)搭配鏟運(yùn)機(jī)，即可加快出礦速度，并且因其無須人力駕駛，無形中可舒緩人力負(fù)擔(dān)。一般情況下運(yùn)用此設(shè)備支撐下行式小分段高效采礦工藝，可達(dá)到5000t/d 左右的礦石運(yùn)輸量，無論是初期采礦還是后續(xù)出礦，均可在智能設(shè)備助力下改善開采條件。②高效充填設(shè)備，以往常需要人工充填方式，若能使用自動輸送設(shè)備聯(lián)合深錐濃密機(jī)（徑長18m），每小時(shí)可達(dá)到140m3以上的充填能力，每日每小時(shí)最多能夠?qū)崿F(xiàn)4397m3充填目標(biāo)，配備自動鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備后每班組每日能夠獲得8000t 出礦量。同時(shí)，在小分段分層回采下，對于上文提到的不同灰砂比材料的充填作業(yè)事項(xiàng)，在智能設(shè)備支持下也能提前規(guī)劃充填順序，優(yōu)化現(xiàn)場采礦安全效果之上，逐步提高生態(tài)效益，削弱礦產(chǎn)生產(chǎn)過程的環(huán)境污染危害[5]。

此外，除上述智能設(shè)備外，在鑿巖爆破中也可運(yùn)用“炸藥垂直自動下放設(shè)備”，即按照特定炸藥輸送順序，對爆破位置進(jìn)行定位分析，且裝藥環(huán)節(jié)也能促使敏化劑及乳化炸藥成分得以充分混合，隨即發(fā)揮最大爆破效果。在下行式小分段高效采礦工藝實(shí)踐應(yīng)用階段，加強(qiáng)智能設(shè)備推廣，應(yīng)成為技術(shù)突破關(guān)鍵依托。

3.3 加強(qiáng)安全監(jiān)測

采礦效益和生產(chǎn)安全都占據(jù)重要地位，因而在采礦項(xiàng)目中應(yīng)當(dāng)充分加強(qiáng)安全監(jiān)測，包括依靠自動預(yù)警系統(tǒng)、GPS 軟件實(shí)時(shí)獲取采場生產(chǎn)動態(tài)。GPS 軟件的運(yùn)行可通過GPS 接收器，對現(xiàn)場爆破點(diǎn)位、采礦點(diǎn)位以及回填狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，也可兼顧天氣因素判斷現(xiàn)場安全程度，若存在采礦危險(xiǎn)源，則立即響應(yīng)自動預(yù)警系統(tǒng)，為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人發(fā)放預(yù)警信息，隨即下達(dá)暫緩采礦或提高維護(hù)等級等指令。而且還可利用定位器、傳感器對采場人員地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，若存在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，則及時(shí)撤離，就此提高安全水平。

4 結(jié)語

綜上所述，下行式小分段高效采礦工藝在現(xiàn)實(shí)采礦項(xiàng)目中，具備提高采礦效率和節(jié)省采礦成本優(yōu)勢，理應(yīng)立足回采工藝、采場布置技術(shù)、鑿巖爆破技術(shù)、采場充填技術(shù)要點(diǎn)，確保在該項(xiàng)技術(shù)支撐下逐步提高采礦效益。隨即從工藝流程、智能設(shè)備、安全監(jiān)測等方面著手，經(jīng)過優(yōu)化后取得理想化采礦成效，助力采礦事業(yè)壯大發(fā)展，滿足新時(shí)代礦產(chǎn)資源實(shí)際需求。