山东金青顶矿区深部高应力急倾斜矿体开采方法研究*

李秋涛，赵兴东，张洪山，于 虎，张姝婧



山东金青顶矿区深部高应力急倾斜矿体开采方法研究*

李秋涛1，赵兴东2，张洪山1，于 虎1，张姝婧2

(1.山东金洲矿业集团有限公司，山东 乳山市 264501；2.东北大学 采矿地压与控制研究中心，辽宁 沈阳1 10819)

通过对金青顶矿区工程地质条件的分析表明：随着矿山开采深度的增加，矿体内外环境发生一系列变化，矿山压力逐渐增加，矿体赋存条件变得更加复杂，严重影响了采场的稳定性。为有效解决金青顶矿区深部矿体的开采问题，针对目前矿山采用的浅孔留矿嗣后充填采矿法、副中段浅孔留矿嗣后充填采矿法和上向水平分层充填采矿法分别进行比较，优选出适合金青顶矿区深部矿体开采的采矿方法。

金青顶矿区；深部采矿；高应力条件；急倾斜矿体；采矿方法

0 引 言

山东黄金股份下属的金洲公司金青顶生产矿区于1971年投产，建矿初期生产规模为50 t/d，目前实际生产能力达到310 t/d。随着矿山开采深度的不断增加，矿体内外环境发生一系列变化，矿山压力逐渐增加，矿体赋存条件变得更加复杂，严重影响了采场的稳定性[1−5]，矿岩接触节理内部充填绢云母及石膏等充填物质，在水的作用下弱化、泥化，在采场爆破及采场活动作用下诱发冒落；同时，存在较大的1~5组节理，同样在其成岩过程中，在节理内充填着绢云母及石膏等蚀变物质，在水的弱化作用下、泥化，在爆破、采矿活动以及地压的作用下产生二次贫化。矿山现主要采用浅孔留矿嗣后充填采矿法进行开采，矿石损失和贫化较大，难以满足安全、高效开采的要求。目前迫切需要对现有的工艺进行适当的优化调整，使之能适用开采条件的变化。

1 矿山开采现状及存在问题

金青顶矿区位于胶东隆起东部的牟平~文登隆起南缘，牟平~乳山金矿成矿带中部。金青顶金矿是目前该成矿带上最大的金矿床。区内出露主要地层为太古界~下元古界胶东群鲁东组底部和马格村组中部地层，主要分布于矿区西部玉林店~午极一带，呈北北东向的带状分布。主要岩性为斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩及大理岩等。区内断裂发育，以北北东向为主。

经勘探和生产证实，矿区有十个矿体，II号为目前开采的主要矿体[6](见图1)。II号矿体呈脉状产出，以含金黄铁矿石英脉为主，它赋存于4~19线间F3断裂的转弯处，赋存标高120~−807 m；长140~470 m，厚度1.5~2.5 m，最大厚度6.7 m；产状为N20°E/SE∠85°~90°。矿体沿走向和倾向均呈反“S”型，上、下两端比中部舒缓，剖面上比平面上开阔，深部矿体反“S”型形态更舒缓，趋于平直。矿体赋存于断裂产状由缓变陡处和走向拐弯处。矿体的直接赋矿围岩为花岗岩和煌斑岩[7−8]。

图1 金青顶矿II号矿体垂直纵投影图

金青顶矿区原采矿方法为浅孔留矿嗣后充填采矿法，采场结构参数为：段高50 m，矿房沿走向布置，矿房长度为35 m，矿房宽度为矿体宽度，先回采间柱，后回采矿房，对采空区进行嗣后充填。通过对−585 m水平、−635 m水平、−685 m水平、−735 m以及−785 m水平的采场、底部结构、穿脉和充填工作的现场宏观调查发现目前采矿存在诸多问题。

(1)从地质角度来看，与矿体平行的南北向垂直节理为控矿稳定性节理；节理内充填的蚀变矿物是造成围岩破坏的直接影响因素。

(2) 在采矿过程中，由于平行矿体南北向节理组比较发育，而且节理内充填蚀变矿物，采场爆破施工对围岩的扰动较大，因此，应尽量采取控制爆破，降低爆破震动对围岩的扰动作用。

(3) 采场与围岩之间的石英岩脉比较发育，并且存在很多节理裂隙以及小的溶洞，这些溶洞为导水通道；在调查的采场有淋水现象，基本上为上部充填采场内的充填水或者是附近采场充填水通过上述导水通道导水而形成的淋水，因而要进一步控制充填水的下泄问题。

(4) 充填体的自身强度不够以及充填高度没有完全接顶，易造成采场地压的下传，致使下部回采过程中采场地压显现明显，应提高充填体的接顶高度以及充填体自身的强度。

(5) 随着开采深度增加，地压增大，目前在深部部分区段已出现塑性或者粘性变形，具有轻微~中等岩爆的倾向。采场进路围岩破坏的主要形式为两帮片落和劈裂(见图2)，造成巷道此种破坏形式的主要因素是其构造应力与节理裂隙共同作用的结果。此作用结果造成采场地压显现明显，采场上下盘围岩片落，造成矿体的二次贫化，在采矿过程中，应尽量控制爆破对围岩的扰动作用。

因此，应改变目前的采矿方案，根据矿体的产状、赋存条件、顶底板的稳固性及采矿技术水平，结合矿山生产实际，参考国内外同类矿山生产经验及发展趋势，初步选择适合金青顶生产矿区的采矿方法有：浅孔留矿嗣后充填采矿法、副中段浅孔留矿嗣后充填采矿法和上向水平分层充填采矿法，分别以−535~−585 m中段、−585~−635 m中段和−635~−685 m中段对3种采矿方法进行设计和分析。

2 采矿方法选择

2.1 浅孔留矿嗣后充填采矿法

−585 m中段Ⅱ号矿体4#矿块位于−585 m中段15线南16.2 m至15线54 m之间，长70.2 m，−535 m中段Ⅱ号矿体4#矿块位于15线南21.8 m至15线北53.8 m之间，长75.6 m，矿块平均长72.9 m。

矿体在−535 m中段废石井北-3#出矿穿处向南出现两条分支矿体(Ⅱ’号矿体)，二者间距为1.8~2.5 m，距Ⅱ号矿体最大间距4.5 m，长22.2 m。平均厚度2.96 m，平均品位11.28 g/t，矿石量2786 t，黄金含量 31.24 kg。

图2 帮部片落和劈裂

Ⅱ号矿体上部接近直立，中下部反倾，倾向北西，倾角80°~85°；F1断层贯穿整个矿块，倾向北东，倾角45°，结构松散，易塌落。在−585 m中段对矿体错动较大，断距达8~10 m。并且Ⅱ号矿体被煌斑岩穿插严重，较破碎，影响开采；矿块中裂隙较发育，淋水较大；矿岩系数：矿石8~16.7，岩石8~12。

采场沿走向布置，长72.9 m，宽2.68 m，高50.02 m，暂定留1 m顶柱(见图3)，采准工程量见表1。具体施工时由采矿技术人员根据现场实际情况确定。

图3 浅孔留矿嗣后充填采矿方法

回采期间，对局部破碎或节理发育的围岩，采用管缝式锚杆或金属网+锚杆联合支护(锚杆网度1.0×1.0 m，长度1.6~2.0 m)，维护好两帮围岩。降低两率的措施：回采期间须严格控制采幅，按设计的爆破参数施工，控制住炮孔方向，要求与矿体走向一致，打入围岩深度不得超过100 mm；现场管理人员必须依据当月二次圈定的矿体指导采矿作业，以防止丢矿或混入废石；尽量减少对上下围岩的破坏，以免加大贫化；强采强出，减少废石混入；对于采场中部的断层在回采期间应根据现场情况选择合理的支护方式，保证施工人员的安全。生产技术指标见表2。

表1 采准工程量

2.2 副中段浅孔留矿嗣后充填采矿法

−635 m中段Ⅱ号矿体06#矿块位于−585 m中段17线北12.6~39.4 m之间，长26.8 m。−635 m中段17线北11~41.2 m，长30.2 m。矿块平均长28.5 m。本矿块由−585 m探矿沿脉平巷、−635 m中段探矿沿脉平巷及探矿穿脉、−635 m中段T1、T2天井、−635 m中段03#间柱和−604 m标高探矿沿脉平巷控制。

表2 生产技术指标

矿体为黄铁矿石英脉、致密块状构造、矿体直立。在−635 m中段发育一条F1断层、在T2天井3#~5#穿脉揭露将Ⅱ号矿体错断，水平错距3 m左右，采矿时需注意。矿体比较连贯，在天井中揭露矿体上盘围岩较破碎，采矿时需注意。矿岩系数：矿石8~16.7，岩石8~12。

采场利用辅助中段分段开采，先采−604 m水平以上分段，出矿完毕充填之后再采矿体下分段。上分段通过电耙出矿，下分段通过人工扒渣出矿。采场沿走向布置，上分段平均长24.5 m，宽1.4 m，高18.3 m；下分段平均长25.5 m，宽1.2 m，高27.2 m。是否留顶柱，根据开采情况临时确定。工程量见表3。

表3 采准工程量

回采期间，对局部破碎或节理发育的围岩，采用管缝式锚杆或金属网锚杆联合支护(1.0 m×1.0 m，长度1.6~2.0 m)，维护好两帮围岩。出矿结束后，空区全部进行尾砂胶结充填。生产技术指标见表4。采矿方法见图4。

2.3 上向水平分层充填采矿法

−685 m中段Ⅱ号矿体02-03号矿块位于F1断层北，−685 m中段15线南32.5 m至北37 m，长69.5 m。−635 m中段15线北37.5 m至15线南32.6 m，矿体长70.1 m。矿块平均长69.8 m。本矿块由−685 m中段探矿沿脉、−635 m中段探矿沿脉及探矿穿脉、−685 m中段T6天井、−685 m中段Tf天井及天井穿脉控制。

图4 副中段浅孔留矿嗣后充填采矿法

矿体为含金黄铁矿石英脉，致密块状构造，矿体近乎直立；矿体比较连贯，围岩中伴生有煌斑岩、围岩比较破碎且开采深度较深，故开采期间应加强地压管理；矿岩系数：矿石8~16.7，岩石8~12。

采场沿走向布置，平均长69.8 m，宽1.6 m，高48.10 m，采场顶部暂定留1 m顶柱(见图5)，采准工程量见表5。生产技术指标见表6。采矿方法见图5。

2.4 采矿方法选择

通过上述分析比较可以看出，目前金青顶矿区急需解决的是矿石开采带来的地压问题，有效解决地压问题，同时降低矿石的损失和贫化是当前开采的关键，在解决上述2个问题之后，研究如何保证矿石的稳产，确保矿量平衡。

表4 生产技术指标

表5 采准工程量

表6 生产技术指标

图5 上向水平分层充填采矿法

从3种采矿方法的技术经济指标统计(表2、表4、表6和表7)来看，上向水平分层充填采矿法矿石的损失率和贫化率低，但矿块的生产能力和劳动生产能力低，尤其是在矿石运搬方面需要借助机械进行运搬，借以提高回采效率；采用副中段浅孔留矿嗣后充填采矿，工艺复杂，开拓采准工程量大，矿石的损失率和贫化率较大，故不推荐采用此采矿方法；浅孔留矿嗣后充填采矿在开采过程中，工效高，但矿体的上下盘围岩不稳固，在大量放矿过程中，会造成矿石的损失率和贫化率大量增加。为有效回采矿产资源，且能够确保矿体上下盘围岩稳固，及有效控制深部矿石开采地压释放，推荐采用上向水平分层充填采矿法。为此，在−685 m水平至−785 m水平大部分矿体的开采，特别是在嗣后充填体形成的空区下方矿体的开采采用上向水平分层充填采矿法。

表7 试验采场与其它采矿方法技术经济指标对比

3 结 论

依据金青顶矿区深部的工程地质条件，分析了原采矿方法存在的问题，主要为深部地压较大、岩体裂隙较发育以及采动对围岩体的扰动，致使采场及巷道围岩经常发生破坏。为有效降低矿石贫化和损失率，提出了3种采矿方法，并分别进行介绍和评价，最终确定上向水平分层充填采矿法，生产实践证明其能够有效降低采场的贫化率和损失率。

[1] 陈 勃.桦树沟铜矿分段空场嗣后充填法采场稳定性研究[D].绵阳:西南科技大学,2018.

[2] 苏振豪.某矿采场稳定性分析及回采顺序优化研究[D].赣州:江西理工大学,2017.

[3] 张开新,王 平,裴明松,等.程潮铁矿联合开采采场的地压分布与控制[J].金属矿山,2016(5):11−14.

[4] 林荣平,李 真.矿岩不稳固急倾斜极薄矿体采矿方法优化实例[J].采矿技术,2018,18(4):8−10+17.

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[8] 于 虎,宋文志,刘潭州,等.金青顶矿区深部开采诱发岩爆倾向性分析[J].有色矿冶,2016,32(2):24−27.

(2018−09−04)

李秋涛(1982—)，男，山东莱芜人，工程师，主要从事采矿工程设计和研究工作。

国家重点研发计划项目(2016YF0600803，2018YFC0604401，2018YFC0604604)；国家自然科学基金资助项目(51474052)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N150102001).