地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术

陈 维 杜 坤 陈 伟

（1.湖南黄金洞矿业有限责任公司，湖南岳阳414507；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083；3.中南大学高等研究中心，湖南长沙410083）

目前，几乎所有的大型地下煤矿均采用综采成套装备机械破岩方式进行回采［1］，地下硬岩矿山则采用凿岩爆破的方式进行回采。前者是一种连续不间断的作业模式，工作效率较后者高出很多倍；后者是一种非连续的作业模式，涉及工序很多，如凿岩、爆破、通风、出矿、支护和充填等，各工序准备和实施时间较长，造成采矿效率低下［2］。如果能实现地下硬岩矿山如地下煤矿一样真正意义上的连续开采，硬岩矿山的作业安全、生产能力及回采效率都将大大提高，而掘进机是当前最具可行性的硬岩连续开挖设备［3］。

目前，鉴于隧道施工的容许成本高且作业周期短的特点，隧道掘进机开挖与掘进机截齿破岩等方面已经取得了大量的研究成果并被广泛工程应用［4-10］。但地下硬岩矿山利用掘进机回采矿石的实践案例较少，如开阳磷矿磷矿石的普氏系数为14.8，属于典型的硬岩，但是其磷矿石节理裂隙发育，用EBZ160TY 型巷道掘进机进行机械化开采取得了良好效果［3］。在地下硬岩矿山非爆破机械化开采过程中，除了考虑机械设备选型及材料耗损问题外，还应关注以下两个方面的问题：

（1）老矿山现有工程与大型开采机械的协同问题。文献［11］提出了“协同采矿”的概念，即在采场结构（含采场型式、结构参数和采准布置等）或采场回采工作（含地压控制与落矿、矿石运搬）两大方面具有合作、协调与同步等协同属性的采矿方法。硬岩矿山机械化回采过程中，也存在现有开拓采准系统及采场结构如何适用于大型机械回采的问题。

（2）硬岩矿山，尤其是金属矿山，矿体赋存条件复杂，矿体赋存倾角多变，厚度范围变化大。在采用掘进机开采时，不能向煤矿那样，综采设备可长时间固定在特定区域进行作业［12］，掘进机矿石开采与巷道掘进机开挖也不相同，巷道尺寸是保持恒定的，而矿体厚度多变［13-15］。硬岩矿山机械化开采需要设计特殊的采切工程布置方案及选用可灵活移动的机械设备。

本研究根据湖南黄金洞矿业有限责任公司的主采矿体赋存产状，提出了一种地下金矿非爆破机械化连续协同开采方法，进而从通风、出矿、支护和充填等方面提出了具体实施工艺，最后根据现场实践，分析了该采矿方法及其工艺的优势。

1 研究背景

湖南黄金洞矿区内主采矿体为金塘3#脉和杨山庄202#脉。金塘3#矿脉受断裂构造控制明显，走向近EW，倾向S，倾角43°～66°，矿脉带与围岩界线清楚，沿断层顶底板可见不稳定断层泥。矿体由含金蚀变破碎板岩及含金石英脉组成，以含金蚀变破碎板岩为主，矿脉带金矿化不连续。杨山庄202#脉产状、形态受断层破碎带控制，倾向 300°～56°，倾角 62°～72°。矿体呈脉状产出，沿走向、倾向具有不明显的舒缓波状变化特征。矿化受主断裂控制，其厚度不超过主断裂顶、底两个构造面，矿脉由含金破碎板岩及少量含金石英脉组成。根据相关岩石力学试验结果［16］，金塘3#脉和杨山庄202#脉矿体岩石力学性质参数如表1所示。

虽然湖南黄金洞矿区内主采矿脉岩石强度高，但岩体内部节理裂隙发育，不能大面积暴露，容易发生冒顶等工程灾害。目前，湖南黄金洞矿主要采矿方法为进路式废石充填采矿方法，即以巷道爆破开挖方式采矿和人工废石砌袋充填，该方法生产效率和机械化水平低，造成了井下开采所需工人多、安全性差等问题。针对上述情况，本研究提出了掘进机机械化连续开采的工作思路。

2 非爆破机械化连续协同开采方法与工艺

目前，矿山现有的开拓工程尺寸较小，掘进机无法整机开至采场，且存在掘进机开采时金属锚杆影响连续开采等问题。因此本研究基于老开拓系统与新采矿方法采切工程相协调以及“玻璃钢锚杆+高强纤维网+木支柱”支护、铲运机或装载机出矿及废石/尾砂胶结充填等工艺相互协调的原则，提出了一种非爆破机械化连续协同开采技术。该技术涉及的非爆破机械化连续协同开采方法有4种变体，分别为薄矿脉水平分层废石胶结充填法、薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法、厚矿脉水平分层废石胶结充填法和厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法，其中薄矿脉水平分层废石胶结充填法和薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法适用于厚度为2.0～4.3 m 的矿脉，选择沿矿体走向一次性全断面开采。

2.1 机械化开采设备优选

根据黄金洞矿区矿体赋存条件及开采技术条件，首先采用EBZ75型煤巷掘进机对杨山庄202#脉进行机械化采矿试验，初步验证了掘进机应用于黄金洞金矿破岩落矿的可行性。但由于EBZ75 型掘进机破岩功率较小，在无自由面的情况下，落矿效率不高。最后选定EBZ160.Z型巷道掘进机正式进行采矿试生产，取得了良好效果，两款掘进机具体参数见表2。要实现“出矿—支护—充填”机械化连续开采，试生产中需要配置的相关设备的技术参数如表3所示。

*当铲运机使用效果不佳时，探索使用装载机。

2.2 薄矿脉机械化开采方法

2.2.1 薄矿脉水平分层废石胶结充填法

薄矿脉水平分层废石胶结充填法的基本原理如图1所示。

（1）采场结构与参数。中段高度为40 m，采场沿矿体走向布置，采场长度为矿体走向长度，采场宽度为矿体厚度，采场不留底柱和间柱，顶柱根据情况另定。

（2）采准工程。在矿体底板掘进脉外运输平巷，每50 m 布置一条穿脉，在脉外布置人行设备上山、溜矿井和充填井，每上一层，进行一次联络道放顶。每50 m 布置一条溜矿井和充填井，因采用废石充填，溜矿井和充填井不共用，溜矿井和充填井坡度为60°～70°，规格为2.0 m×2.0 m。设备上山布置在矿体一端端部，为方便设备升层通行，设备上山采取分段式布置，每段高度为10 m，坡度为15°，规格为3.0 m×3.0 m。为便于生产，设备上山、溜矿井和充填井布置需在采矿作业前完成。

（3）回采。回采断面规格为（2.5～4.0）m×3 m，第一层掘进高度为3 m，单次充填高度为2.0 m，而后每层落矿高度为2.0 m。单层采完后，所有设备退至设备上山中，采用铲运机或装载机进行充填。设备联络道靠近采场段用爆破放顶，靠近设备上山段2～3 m 利用掘进机凿岩放顶（也可将设备退至分段平巷后，联络道整体采用爆破放顶）。

（4）矿石搬运。掘进机破岩时，利用掘进机自带的刮板运输机将矿石输送至掘进机尾部，利用铲运车或装载机将矿转运到溜井，掘进机和铲运机连续作业，实现连续生产。

（5）充填。在充填井中下放废石料和水泥，铲运车将混合的废石胶结充填料铲运到采场并堆放充填，铲运机可堆放高度为1.2～1.5 m，利用人工砌袋胶结充填至整体充填高度大于2.0 m，空顶高度小于1.0 m，尽量较小空顶高度。

（6）支护和巷道维护。采场支护采用玻璃钢锚杆+高强纤维网支护，如遇破碎极不稳固段，采用木支架补强支护，木材直径大于18 mm，支护间距为1.5～2.0 m。锚杆支护间距设置为1.0 m×1.0 m，锚杆长度为3.0 m。矿用高强聚酯纤维网选取型号为JDPET200-200MS，其经向和纬向强度均为200 kN/m，拉伸率小于25%，选用网孔尺寸为50 mm×50 mm，幅宽为5.0 m。

（7）主要经济技术指标。生产能力为3 800 t/月，采切比为28 m/kt，贫化率为10%～15%，损失率为12%～20%。

2.2.2 薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法

薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法原理如图2 所示。该方法与薄矿脉水平分层废石胶结充填法主要在充填和主要经济技术指标方面存在差异，其他方面类似。

（1）充填。采用尾砂胶结充填，分层落矿高度3 m，充填高度3 m，由于金矿矿体破碎，为保证安全，实施空区接顶。下部2.0 m采用低强度配比的尾砂充填料浆进行充填，低强度充填体中不添加碎石；上部1.0 m空间采用高强度配比的尾砂充填料浆进行充填至接顶，高强度充填体中添加30%碎石。

（2）主要经济技术指标。生产能力为5 700 t/月，采切比为28 m/kt，贫化率为10%～14% ，损失率为12%～16%

2.3 厚矿脉机械化开采方法

本研究提出采用厚矿脉水平分层废石胶结充填法和厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法开采矿脉厚度为4.3 m以上的矿体，选择沿走向多次分条进路式开采。

2.3.1 厚矿脉水平分层废石胶结充填法

厚矿脉水平分层废石胶结充填法原理如图3 所示。

（1）采场结构与参数。中段高度为40 m，采场沿矿体走向布置，采场长度为矿体走向长度，采场划分进路开采，进路宽度根据矿体厚度调整，为2.5～4.0 m，采场不留底柱和间柱，顶柱根据情况另定。

（2）采准工程。在矿体底板掘进脉外运输平巷，每50 m 布置一条穿脉，在脉外布置人行设备上山、溜矿井和充填井，每上一层，进行一次联络道放顶。每50 m 布置一条溜矿井和充填井，因采用废石充填，溜矿井和充填井不共用，溜井和充填井坡度为60°～70°，规格为2.0 m×2.0 m。设备上山布置在矿体一端端部，为方便设备升层通行，设备上山采取分段式布置，坡度为15°，规格为3.0 m×3.0 m。为便于生产，设备上山、溜矿井和充填井布置需在采矿作业前完成。

（3）回采。首先沿矿体底板侧进行进路式开采，回采断面规格为（3.0～4.0）m×3 m，底板沿脉开采至矿体端部后，退回设备，将采矿进路空间整体充填，再沿走向进行下一条进路开采。采取沿走向采一条充一条再循环施工的方式，整层开采完毕后整体升层，升层后同样采用采一条充一条的方式进行进路开采。升层方式与薄矿脉相同。

（4）采场运搬。掘进机破岩时，利用掘进机自带的刮板运输机将矿石输送至掘进机尾部，利用铲运车或装载机将矿石转运到溜井，掘进机和铲运机连续作业。

（5）充填。采完一个分条后，将设备全部退至设备上山或分段平巷内。利用废石胶结充填料对回采空间进行整体充填，利用充填井下放废石料和水泥，铲运车将废石胶结充填料铲运到采场并堆放充填，因铲运机卸载高度受限，顶部剩余1.0～1.5 m空间采用人工废石胶结砌袋充填，保障充填体最大限度接顶。

（6）支护和巷道维护。采场支护采用玻璃钢锚杆+高强纤维网支护，如遇破碎极不稳固段，采用木支架补强支护，木材直径大于18 mm，支护间距为1.5～2.0 m。锚杆支护间距设置为1.0 m×1.0 m，锚杆长度为3.0 m。矿用高强聚酯纤维网选取型号为JDPET200-200MS，其经向和纬向强度均为200 kN/m，拉伸率小于25%，选用网孔尺寸为50 mm×50 mm，幅宽为5.0 m。

（7）主要经济技术指标。生产能力为3 800 t/月，采切比为18.7 m/kt，贫化率为10%～14%，损失率为10%～15%。

2.3.2 厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法

厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法原理如图4 所示。该方法与厚矿脉水平分层废石胶结充填法主要在充填和主要经济技术指标方面存在差异，其他方面类似。

（1）充填。采完一个分条后，将设备全部退至设备上山或分段平巷内。将已采的分条整体采用尾砂胶结充填，下部2.0 m 采用低强度配比的尾砂充填料浆进行充填，低强度充填体中不添加碎石；上部1.0 m空间采用高强度配比的尾砂充填料浆进行充填至接顶，高强度充填体中添加30%碎石。

（2）主要经济技术指标。生产能力为5 700 t/月，采切比为18.7 m/kt，贫化率为9%～14%，损失率为8%～12%。

3 现场实践

经过0.5 a 左右的机械化采矿试生产，如图5 所示，黄金洞矿区共计掘进机回采矿石12 000 t，通过成本对比分析发现，掘进机采矿的吨矿直接成本低于传统钻爆法的直接成本，废石胶结充填机械化开采和尾砂胶结充填机械化开采成本分别比钻爆法少6.8元/t和4.6 元/t（表4）。巷道顶部全部用锚杆支护保持稳固，由于机械回采中单层回采周期短，有利于巷道维稳。掘进机和铲运机配合作业，机械化程度高，可实现连续作业，大大降低了劳动强度，提高了作业效率，减少了劳动力需求，提高了矿山的本质安全。

4 结 语

根据金塘3#脉和杨山庄202#脉的赋存产状，提出了一种非爆破机械化连续协同开采技术。为了使矿体厚度与掘进机截割宽度相适应，将采矿方法分为全断面回采及平面内分进路回采两类，进而从采准、通风、出矿、支护和充填等方面提出了具体实施工艺。经过现场实践，该非爆破机械化连续协同开采方法的采矿直接成本低于传统的进路钻爆采矿法；在采矿成本、管理成本和安全成本下降的同时，提高了回采效率，降低了劳动强度。