赞比亚MUFULIRA铜矿的采矿技术及其发展

2012-11-17杨清平岑佑华

采矿技术 2012年2期

关键词：空场贫化采矿方法

杨清平，岑佑华

（1.中国有色金属建设股份有限公司，北京 100029；2.大冶有色设计研究院有限公司，湖北黄石市 435005）

赞比亚MUFULIRA铜矿的采矿技术及其发展

杨清平1，岑佑华2

（1.中国有色金属建设股份有限公司，北京 100029；2.大冶有色设计研究院有限公司，湖北黄石市 435005）

根据赞比亚联合铜业有限公司Mufulira铜矿（穆富里拉铜矿）矿体不同的赋存特征，结合采矿方法选择的基本原则，对Mufulira铜矿以前采用的瀑布式采矿法、分段空场嗣后尾砂充填采矿法与垂直走向布置分段空场法采矿方法进行回顾，重点阐述目前采用的机械化空场采矿法、深孔崩矿阶（分）段空场法、分段崩落法、沿走向后退式回采法、由下盘向上盘后退式分段崩落法和由上盘向下盘后退式分段崩落法的采矿工艺流程与效果，最后对该矿采矿技术今后发展方向进行展望。

Mufulira铜矿；采矿方法；采矿工艺；发展方向

1 Mufulira矿概况及其矿床开采条件

Mufulira矿隶属于Mopani copper mines（MCM），该矿业公司由加能国际Glencore Iternational AG和第一量子公司First Quantum Minerals Limited（FQM）在2000年合资组建，是赞比亚第二大矿业公司，该公司2003年铜产量为12.75万t，到2006年达到20万t以上。Mufulira矿位于赞比亚铜矿带向北延伸带上，1933年开始开采，是一座特大型的地下矿山。矿体厚度和倾角变化大，根据不同的矿岩条件，采用了多种不同的采矿方法，在个别回采区域，一些适合Mufulira铜矿开采条件的采矿方法一直被采用，在其它的回采区域，根据条件的变化，最初的回采工艺得到不断完善和发展。Mufulira铜矿历年来最大年开采矿石量达到380万t以上。截止2010年底累计开采矿石约2.50亿t，出矿Cu品位2.64%。

Mufulira铜矿是目前赞比亚开采最深的地下矿山，已经开采到1540m以下。主要的矿化为浸染状硫化矿脉，出现在3个含矿层中：A矿体位于3个矿体最上盘，是3个矿体中最小的矿体，位于矿区东部，在采矿下降到810m水平后基本上开采完，主要是在石英岩中呈辉铜矿化，其边缘为斑铜矿伴生黄铜矿化；C矿体位于3个矿体最下盘，是最大的一个矿体，走向延长5500m，平均厚度14m，矿化在西部主要是黄铜矿－斑铜矿伴之以辉铜矿化，到东部斑铜矿化增强；B矿体位于C矿体东部上盘，走向长度3000m，平均厚度10m。目前最具开采潜力的矿体出现在东部，该区域处于B、C矿体之间，属于一个低品位矿带，该低品位矿带与B、C矿体同时回采也是经济的，称之为“BC”联合矿体。Mufulira铜矿1540m水平以上总资源量为2.95亿t矿石，平均全铜品位3.40%。截至2010年底，剩余保有可采储量4500万t矿石，平均全铜品位3.15%，该矿山共有4条竖井：11＃竖井870m、14＃竖井875 m、Kanono5＃竖井575m、Lubwe6＃竖井575m，另还有4条盲斜井，构成井下开拓系统。

Mufulira铜矿赋存于向斜构造的南翼，倾向北东，平均倾角约45°，局部倾角0°～90°。矿区揭露岩层为罗恩组地层，产于下罗恩组风化带的下部，岩体稳定性好，在采矿过程中很少进行支护。上罗恩组覆盖于下罗恩组之上，主要由白云岩和页岩组成，白云岩渗透性好、风化强烈、含水丰富，采矿之前必须对矿体上盘白云岩含水层进行疏干。井下涌水约为80000m3／d，提升1t矿石要排出5t水。

2 采矿方法

在Mufulira铜矿，根据矿体不同的赋存特征，如矿体厚度、倾角、上盘稳固性、区域地质品位，结合采矿方法选择的基本原则（矿石回收率高、安全性好、贫化率小、成本低），采用了不同的采矿方法。

2.1 以前采用的采矿方法

2.1.1 瀑布式采矿法

瀑布式采矿法（Cascade，见图1）或沿矿体走向底盘漏斗分段矿房法是1964年在Mufulira铜矿推广应用的，它主要适用于浅薄（倾角25°～35°）的矿体。采场结构参数：阶段高度40～60m，分段高度15～20m，采场沿矿体走向布置，采场长30～40m，斜顶柱5～6m。之后，又经历了好几次变化，但是在两个方面保持不变：使用采场底部采矿巷道作为采场顶部回采的集矿巷道；不留房间矿柱。

这种方法最初适用于穆富里拉西部“C”矿体浅部倾斜区域，起初采用放矿漏斗，后来采用沿脉凿岩道代替。切割槽形成后，从沿脉凿岩和采矿凿岩道进行回采爆破，采用扇形中深孔，倾角70°～90°。从采场底部采矿凿岩道通过出矿联络巷出矿，出矿联络道也用于斜顶柱凿岩和爆破。当回采工作面后退式回采到出矿联络巷即进行斜顶柱爆破。斜顶柱的作用是阻止废石进入空场内。每次爆破，必须仔细控制出矿品位，防止过多贫化。这种方法操作比较简单，炮孔排列规整、作业安全、机械化程度高。但凿岩道位置要求比较严格，以便达到最优的回收率（75%以上），同时贫化率相对比较低（不超过25%）。

图1 瀑布式采矿法

2.1.2 分段空场嗣后尾砂充填采矿法

分段空场嗣后尾砂充填采矿法（Mechanised Open Stoping With Sandfill，MOS／SF，见图2）矿石回采方式与分段矿房法相比有以下不同：

（1）矿房间柱和斜顶柱的尺寸虽然降到最低限度，但还是要留有一定数量的矿石作为永久损失；

（2）当矿石最大限度回收完后，所有的出矿点和进入采场的通路用混凝土隔墙封闭；

（3）混凝土隔墙封闭完后，采场采用分级尾砂充填，充填水通过安装在混凝土隔墙内侧的脱水笼泄水。

采用这种方法的矿石回收率大约为70%～75%，贫化率可以忽略不计，特别是对于急倾斜矿体更有利。对于缓倾斜矿体，布置在废石中的部分巷道能够自由冒落，贫化约15%。

图2 分段空场嗣后尾砂充填采矿法

2.1.3 垂直走向布置分段空场法

垂直走向布置分段空场法（Transverse Open Stope，TOS）是1970年后在Mufulira铜矿推广应用的，主要是在分段崩落法采区采准和中深孔已经完成，要求采用尾砂充填采矿法的情况下，为能够提高矿石回收率而提出的。使用原有的分段崩落法采准工程剖面上易引起岩体明显破坏，此方法在“BC”矿体回采中被证明是一种控制顶板不陷落非常成功的方法，随后在未开采的区域使用。采准工程变得比较简单，除出矿水平布置3条出矿进路外，切割巷降低到2条。这消除了对矿柱的破坏和降低了采准工程量。TOS采场沿走向长平均27m、房间柱6 m、顶柱3m，4个分段回采矿量10万t。虽然采场底部是主要出矿水平，但所有分段水平都可以同时作业。采场生产能力每月可达到30000t，矿石回收率70%，贫化率可忽略不计。TOS采矿分以下5个阶段：

（1）采准工程完成后，沿着下分段的顶柱的顶部拐到采场上盘掘进切割天井，切割井布置在采场中央（东西方向），切割槽沿南北方向形成，长大约占采场出矿进路的1／3；

（2）然后沿南北切割槽向东西方向扩槽，形成东西切割槽；

（3）当最低水平东西向切割槽形成后，开始形成南北向切割槽和上部水平环行切割巷。然后从切割巷以单独的工作面朝底盘后退式回采，每个分段由上向下依次进行；

（4）最后爆破上部水平东西向用于出矿的通道；

（5）采场回采完成后，所有敞开的通道采用混凝土隔墙封闭，随后，采用分级尾砂充填。

该采矿方法后来逐步淘汰，主要原因是矿柱损失矿量过大和矿体的特征发生变化，导致几乎没有适合这种方法的新回采区域。

2.2 目前采用的采矿方法

2.2.1 机械化空场采矿法

机械化空场采矿法（Mechanised Open Stoping，MOS，见图3）是由传统的空场法演变而来，传统的空场法采用了扒矿平巷和格筛，劳动强度大，而MOS采用高效率铲运机出矿，大大降低了劳动强度。但其基本原理仍保持一样。

图3 机械化空场采矿法

采场最初回采预留间柱和顶柱，矿柱设计的目的是用来支撑矿体顶板和阻止废石移动到相邻的回采采场。对开始回采的采场，直接在每个采场矿柱旁形成1个切割槽，以提供爆破自由面，再沿切割槽后退式爆破扇形孔，形成空场。最后爆破间柱和顶柱，爆落的矿石全部进入空场里，爆破方式和方法根据矿体厚度、倾角和局部条件来确定。

MOS采场底部采用平底结构，由底盘集矿巷道与出矿进路组成。采用铲运机出矿，铲运机从采场装矿后卸到与矿溜井相连的采场分枝溜井，矿溜井沿矿体底盘布置，间距大约100m。该方法具有很大的灵活性，对于矿体厚度和倾角变化大的区域均能采用。该方法矿石回收率平均75%、贫化率35%，贫化率高主要是由于矿柱崩落后顶板冒落造成的。每个采场的生产能力为每月15000～30000t。

2.2.2 深孔崩矿阶（分）段空场法

深孔崩矿阶（分）段空场法（Blasthole Open Stope，简称BOS，见图4）主要适用于矿体倾角55°及55°以上的矿体。它是利用高效率的潜孔钻机钻凿高精度的大直径深孔，这种方法是最近提出的，也是一种最经济和最有发展潜力的采矿方法。

图4 深孔崩矿阶（分）段空场法

在上部凿岩水平布置1条沿脉凿岩道和6条穿脉巷道；在底部出矿水平布置1～2条沿脉凿岩道、1条底盘凿岩道和4条出矿进路。出矿水平布置分枝溜井与矿石溜井相通。切割天井直径1.8m，采用天井钻机施工。平均35%的采准工程布置在矿体内。深孔采用阿特拉斯ROC－306型潜孔钻机由上向下施工，凿岩硐室高约5m。深孔平行矿体倾向布置，孔径150～165mm，孔深平均55m。上部水平凿岩硐室保安矿柱上向深孔采用特制钻架从底盘凿岩道工作面进行施工。在出矿水平，采用加德拉丹佛公司CH－123型凿岩机从沿脉凿岩道钻凿直径55mm的扇形中深孔。

采场最初回采切割是在集矿水平形成拉底层和切割槽，即从沿脉凿岩道沿矿体走向向东西两端形成拉底层，然后从切割天井往顶盘后退式回采，形成采场切割槽。其中1条切割巷爆破全部采用微差爆破以降低药包数量，并使每发雷管延期达到最小值。深孔底部采用沙子做的炮泥填塞，顶部填塞沙子的高度一般为2m，采用分段间隔装药，每个间隔的药包通过起爆母线与起爆药包和电雷管联在一起。矿柱的上向中深孔爆破一般采用装药管和装药器装药。BOS采区每个采场的生产能力为每月4～6万t，矿石回收率大约74%，贫化率36%。当矿体宽度小于15m时，采用垂直距离比较低的分段和直径105～115mm的深孔，深孔长度30m，深孔采用柱状药包爆破，它比直径150～165mm深孔能更好地控制炸药密度。经验表明：装药间隔距离过大，不能取得好的爆破效果和控制好上下盘界线，只要求在狭窄的分段空场法采场使用。

2.2.3 分段崩落法

分段崩落法（Sub－level caving，简称SLC）是一种矿石回收率能够达到100%，贫化率达到最低限度的采矿方法。在生产实际中，矿石回收率平均88%、贫化率35%。SLC最早应用于1962年，主要应用在矿山的东采区，取代“BC”矿体的矿块崩落法。它的设计是以瑞典分段崩落法采准为基础。采用SLC能够取得较高的生产率，到1970年，这种方法使用比例大约占到矿山回采方法的60%。1970年后，由于3＃尾矿库下面需要采用尾砂充填采矿法，SLC被停止使用，但在其它崩落法区域仍然被采用，其生产能力每月降低到10万t。SLC主要缺点是由于矿体倾角比较缓、顶盘比较稳固，且由于赋存于具有较大经济价值的“BC”联合矿体，变化大，加上一些采矿的污染物如从覆盖层填充到采场的砂子，由于具有不同的流动特性，故很难形成满意的覆盖层。

2.2.4 沿走向后退式回采法

沿走向后退式回采法（Mechanised Strike Retreat，MSR，见图5）是一种凿岩道布置在矿体内，凿岩、爆破和出矿在凿岩道中进行的一种崩落法。采场沿矿体走向布置。该法主要适用于矿体倾角超过70°、厚度小于15m的矿体，更重要的原因是采用空场法不切实际。为取得最大回收率和最小贫化率，中深孔采用了70°前倾角。这种技术能阻止出矿掌子面的废石直接下落，减小爆破抛掷，并能维持下一排扇形炮孔爆破补偿空间。垂直方向上，多分段同时回采时，两分段采场作业面保持45°的梯段下降。典型采场的生产能力为每月在10000～15000t。

目前使用MSR仅仅是作为SLC落矿和MOS采场拉底层崩落的一种过渡的采矿方法。该采矿方法矿石回收率大约77%，贫化率88%，55%的采准工程布置在矿体内。

2.2.5 由下盘向上盘后退式分段崩落法

由下盘向上盘后退式分段崩落法（SLC With Hangingwall Retreat）切割槽沿矿体下盘布置，工作面往矿体上盘集矿巷道后退，为了控制冒落和保护出矿进路，在矿体走向和倾向上，回采作业面保持45°的梯段回采顺序。矿溜井布置在“A、B”矿带之间，间距由下部运输道的环形距离来确定。

图5 沿走向后退式回采法

该采矿法的通风方式是：在上盘凿岩道采用直径966mm轴流式压入式风机，在下盘凿岩道采用直径1200mm轴流式抽出式风机；个别回采作业面采用直径480～610mm压入式风机进行辅助通风。此方法的优点是采准废石量较少。其缺点是：风机风筒需求量大，准备困难；从下盘斜坡道和通风井掘进到采场作业面的联络道增加了部分采准工程；只局限于有相同倾角的矿体。

2.2.6 由上盘向下盘后退式分段崩落法

为了消除SLC With Hangingwall Retreat内在的问题，采用了由上盘向下盘后退式分段崩落法（SLC With Footwall Retreat，见图6）。用这种方法后退式回采，需要布置一定数量的废石井联络巷、通风巷和出矿点。这种方法通风工程布置比较简单、风筒用量少、下盘联络巷使用时间长。