湖北精英石墨矿开采技术条件及地下开采方案

2018-10-16易承生陈卫东

现代矿业 2018年9期

易承生陈卫东

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队；2.湖北联投恒达石墨有限公司)

石墨是一种用途广泛的工业原料，我国石墨矿石主要为晶质(鳞片状)和隐晶质(土状)2种，其中晶质(鳞片状)石墨矿床为主要的矿床类型[1-2]。晶质(鳞片状)石墨矿床因其结晶格架为六边形层状结构，具有平行方向极完全解理的特性，传统观点认为不适合进行地下开采，国内外也鲜有晶质(鳞片状)石墨矿床地下开采的研究成果报道。随着世界高新技术产业发展对大、中鳞片石墨需求的日益增大，以及优质大、中型鳞片石墨矿露天过度开采造成剥采比越来越大，开展晶质石墨矿地下开采的研究十分必要[3]。本研究以湖北精英石墨矿为例，通过对其开采技术条件及地下开采方案进行详细分析，供类似矿床开采借鉴。

1 矿山概况

精英石墨矿床属区域变质成因矿床。晶质石墨矿体呈似层状、藕节状产出，矿体厚度为2.0～15.22 m，平均5.9 m，厚度变化系数为63.85%，平均品位为8.35%，品位变化系数为34.7%。矿体中间部分厚大，东西走向变薄；矿体走向NE，倾向SE，呈单斜构造，地层总体倾向120°～170°，矿体倾角平均为57°。矿区石墨均呈鳞片状产出，片径在0.15 mm以上者占60%，属大鳞片型晶质矿石。矿区构造较发育但对矿体未构成破坏。矿体顶板为黑云斜长片麻岩、辉长辉绿岩、大理岩，底板以大理岩为主，偶有斜长片麻岩。片麻岩构成了矿体的直接顶底板。矿床位于山区，矿体在地表虽有露头，但出露较薄，矿体真厚度平均为5.9 m，延伸较深，采用露天开采剥采比过大，对地表的破坏影响范围较广；受风化淋滤作用的影响，矿区浅部矿体品位较低，故不宜采用露天开采方式。

精英石墨矿开采对象为位于1 080～500 m水平的矿体。矿体走向延伸长1 180 m，沿倾向最大斜深300 m时的见矿厚度为2.23 m，品位为10.96%，矿石松散系数为1.5，自然安息角为38°，矿石密度为2.73 t/m3。

矿区内分布有龙潭河—谭家河水系。龙潭河流量为0.1～0.56 m3/s，极值可达100 m3/s。根据宜昌气象局提供的相关资料推算，矿井最大暴雨(频率20%)时最大渗水量为1 296 m3/d。矿区矿层、顶底板岩性主要为水月寺(岩)群富铝质片岩、大理岩岩组和黑云斜长—二长片麻岩岩组。区内主要为含构造裂隙水和风化裂隙水，前者位于风化带以下，具有承压性[4-5]，后者位于风化带中，无承压性。根据矿区钻孔抽水试验结果，可知单位涌水量为0.095～0.204 6 L/(s·m)，渗透系数为0.037 7～0.273 7 m/d，富水性属弱—中等级。矿体埋藏于当地侵蚀基准面以上，地下水补给来源为大气降水，并以裂隙泉(侵蚀泉)形式排泄为主，泉流量为0.02～0.48 L/s。井下涌水主要为地表水通过岩层裂隙补充。可见，精英石墨矿属中等的以基岩风化裂隙含水层充水为主、顶底板直接充水型矿床，矿区水文条件适宜进行地下开采。

矿区地层较完整，工程地质复杂程度为简单—中等，区内花岗岩、辉绿岩、大理岩及石英岩属坚硬岩石，黑云斜长片麻岩、片麻岩、含石墨云母片麻岩、石墨片岩属半坚硬—软弱岩石。

矿区主要发育节理、裂隙、片理层理类Ⅳ级结构面，另外，岩体中节理裂隙和风化裂隙也普遍发育(图1)。岩体中节理裂隙最发育者为密度14～33条/m的辉绿岩(脉)，其次为片麻岩和大理岩，密度为6～12条/m。裂隙发育走向以占41.1%的近SN—NNE向为最；裂隙宽度为0.2(片麻岩)～5.3 cm(辉绿岩脉)不等。区内裂隙显现出由浅部向深部宽度变小的特点。

图1 精英石墨矿结构面发育特征

矿区工程地质条件属简单型，在进行适当支护的条件下，工程地质条件适宜进行地下开采。矿区为地震烈度6度区，地震加速度为0.05 g，属地壳相对稳定区。矿区位于鄂西山区，远离自然保护区及旅游景点，地下开采对山区植被和林区的影响不大。矿坑排水对地下水、地表水质量影响不大，矿石放射γ值低，矿区环境条件适合进行地下开采。矿床顶底板岩石完整度高，多为半坚硬—坚硬岩石。综上所述，对精英石墨矿床进行地下开采具有可行性[6]。

2 开采方案设计

2.1 斜井选择

斜井开拓的优点为施工便利、灵活性大、井下运输距离短，沿矿体下盘掘进不会压占宝贵的矿产资源；其缺点为运输能力较小，向深部延伸困难，采用多中段提升时生产组织较为复杂、维修费用较高。竖井开拓的优点为提升能力强，运输提升组织方便；缺点为石门长、工程量大、竖井施工费用高、施工难度大。经过对2种开拓方案进行技术经济对比，可知采用斜井开拓方式在建井施工期可节省投资712.8万元，竖井开拓在年经营费方面比斜井开拓少150万元，故矿区宜选用斜井开拓方式。

2.2 开采方法选择

根据精英石墨矿矿体特征，适宜的采矿方法有浅孔留矿嗣后充填采矿法、分段凿岩阶段矿房嗣后充填法(平底结构)、分段凿岩阶段矿房嗣后充填法(漏斗结构)、上向充填法等[7]。考虑到矿区开采技术条件、经济因素及矿山生产水平，首先应舍弃上向充填法，其余3种方法特点对比见表1，经济技术对比见表2。综合分析表1、表2可知：分段凿岩阶段矿房嗣后充填法优于浅孔留矿嗣后充填法，平底结构的分段凿岩阶段矿房嗣后充填法(以下简称“平底法”)适合于较厚矿体开采，漏斗结构的分段凿岩阶段矿房嗣后充填法(以下简称“漏斗法”)适合于较薄矿体开采。

表1 采矿方法特点对比

表2 采矿方法经济技术对比

2.3 开采方案

2.3.1 采矿方法构成要素

根据矿体赋存条件，矿体厚度在8 m以上者采用平底法(图2)，矿体厚度约4 m时采用漏斗法(图3)。矿块沿矿体走向布置，矿块长度40 m，高度40 m，宽度即为矿体厚度，平底法分段高度10 m，顶柱高度4 m，间柱宽度6 m。漏斗法分段高度6 m，顶柱高度3 m，间柱宽度6 m，漏斗底部结构，均为垂直矿体每隔6 m布置1条出矿漏斗。在矿体下盘矿体与岩体交界处，平行于矿体布置1条出矿巷道。在间柱中靠下盘布置1条人行通风天井，采场中央靠下盘布置1条切割天井，与充填平巷相连。

2.3.2 采切及回采出矿

平底法采切工程为先掘进出矿平巷、人行通风天井、切割天井，然后掘进出矿斗川、斗颈、分段凿岩平巷，最后劈漏、拉切割槽和充填平巷。漏斗法为首先掘进紧贴底板的人行通风天井、切割天井和漏斗颈，然后掘进分段凿岩平巷，最后劈漏、拉切割槽和充填平巷。矿块内按分段回采，上分段应超过下分段6 m以上，以确保上分段在下分段矿体上进行凿岩。爆破落矿后首先进行通风，排出炮烟，然后进行巷道顶板撬毛，对局部不稳固地段进行支护处理。爆下的矿石采用扒渣机带V型矿车出矿。

2.3.3 采场通风及地压控制

新鲜风流由阶段脉外运输平巷，经穿脉进入出矿巷道，清洗工作面后，污风从斗川进入采场，从通风天井引至上部回风水平后，进入回风石门，经西回风井排出地表。在采场落矿过程中，作业人员不直接暴露在空场下，只要保证巷道稳定，作业过程较安全。随着空场暴露面积和暴露时间的增加，顶板稳定性会有所降低，需要预防冲击地压的产生，并提前进行安全预警。矿房开采完毕后，应进行大量放矿，封堵底部的出矿口，从充填平巷将掘进的废石充填至采空区中，采用浆砌片石方法，每隔3 m砌1个条带，高度为1.51 m，厚度为0.3 m，与顶板相接。顶板一旦出现不稳定现象，应立即采用浆砌方式处理。

顶柱、间柱和底柱作为全矿地压管理和控制合理采矿顺序的有效措施，不予回收，保护地表河流的保安矿柱也不予回收。空区采用干式充填法进行处理。漏斗法矿块生产能力为160 t/d，采准带矿率为16.24%。平底法矿块生产能力为250 t/d，采准带矿率为13.44%。

2.4 基建采切工程量

经计算，基建矿块数为4个，其中2个矿块回采(用平底法开采1个矿块，用漏斗法开采1个矿块)，2个矿块备采(平底法与漏斗法各1个矿块)。平底法工程量为3 219 m3，漏斗法工程量为2 765 m3，合计工程量5 984 m3。

图2 平底法原理

图3 漏斗法原理

2.5 通风系统与安全措施

依据开拓系统布置、矿山类型、通风效率要求等因素，采用抽出式通风方式，主扇安装于西侧回风斜井井口。经计算，精英石墨矿井下开采所需风量为51.60 m3/s，万吨耗风量为3.44 m3/s，因此，井下通风量能够保证人员安全。

精英石墨矿主斜井、副斜井内设置人行踏步，西回风斜井内也设置人行踏步，为第三安全出口。主副斜井及通风斜井井口15m范围内采用C20混凝土浇灌支护，净断面尺寸为3.0m×2.8m，净面积为7.76m2，支护厚度为200mm，其他部位采用喷射混凝土支护[8-10]，支厚厚度为120mm。中段平面采用沿脉加穿脉布置形式，中运输大巷铺设单轨，每个中段设1处双轨调车场。巷道采用1/3三心拱断面形式，净断面面积为9.88m2，采用喷射混凝土支护，喷层厚度为100mm。主要井巷工程支护中，除主副斜井喷混凝土厚度为120mm外，其余地段喷混凝土厚度均为100mm；主副斜井、井底车场支护形式采用喷锚网支护，其余巷道采用喷锚支护。井巷工程的软弱层及稳定性差的地段采用钢拱架支护(图4)。