VCR采矿法在武山铜矿的应用及展望

陈智宏，张振平，刘经民

（江西铜业股份有限公司武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山铜矿2020年大力开展单产能力攻关研究，通过对现有采矿方法进行分析，找到了施工方法及管理措施中的不足之处，有针对性地开展了一系列攻关活动，取得了不错的效果。但受现有采掘施工设备设施的先进性不足及对采矿作业流程分析不完全等因素的影响，采场单产能力提升没有达到预期，同时受生产效率低、人工作业劳动强度大、采矿方法局限性等因素制约，采矿作业成本居高不下。另外，受建矿时间长、地质条件复杂等因素影响，新采矿方法如何适应武山铜矿的现有系统是一个难题。

为解决上述问题，我们在武山铜矿“三期建设”之初，充分分析现有采矿方法及工艺的不足，对国内外高效采矿方法进行对比、选择，对武山铜矿地质、采掘工艺条件等进行适应性比较分析，提出了在现有采矿方法的基础上发挥高效低廉效应的对策，并通过在采矿盘区推行VCR采矿法，初步论证了该方法在武山铜矿应用及提升综合采矿效益的可行性。

2 矿体及围岩地质条件

武山铜矿分南、北矿带，北矿带W3以西矿体主要由含铜黄铁矿及含铜白云质灰岩、含铜大理岩为主，其中含铜黄铁矿为靠下盘独立矿体，界限较为明显，矿体呈砂块状，黏结力差。含铜白云质灰岩、含铜大理岩在上盘紧邻含铜黄铁矿赋存，大部分矿体节理发育，裂隙内侵入含铜黄铁矿，裂隙宽度多数在3cm以内，完整性较差，部分区域有溶洞，多为干溶洞，有铁质粘土等充填［1］。

E6至W3，主要由含铜白云质灰岩、含铜大理岩、含铜石英闪长玢岩、含铜破碎带、含铜角砾岩矿体组成，节理发育，完整性一般。

E10至E6，主要由含铜黄铁矿、含铜高岭土、含铜破碎带（碳酸岩）组成，其中含铜黄铁矿与西部岩性类似，含铜高岭土，易吸湿膨胀、溜帮，含铜破碎带主要是节理裂隙发育，完整性差。

北矿带上盘围岩为大理岩，稳定性好，部分区域有溶洞，以干溶洞填充块状碎屑及铁质粘土，整体较为稳定。下盘为砂岩，节理裂隙发育，稳定性一般。

南矿带矿体主要为含铜矽卡岩、含铜大理岩，矿体稳定性较好，少部分区域（W1、W2、W4、E5、E7、E8等）有花岗岩和煌斑岩穿插，穿插厚度为2～10m左右。花岗岩、煌斑岩均易风化，长期暴露易吸湿膨胀、垮帮。

南矿带矿体成马蹄形，南矿带围岩中间（上盘）为花岗岩，易风化，长期暴露易吸湿膨胀、垮帮。下盘为大理岩，较为稳定。

3 历史采矿方法应用情况

分段崩落法及分层崩落法。武山铜矿在建矿初期至20世纪90年代使用该采矿方法，其特点是生产能力低、顶板控制难度大，易冒落，安全性保障低，矿体损失率低。

下向分层水砂充填采矿法。在20世纪90年代至今一直沿用，其特点是支护量大，人工假底量大，材料运输繁忙，成本高，生产能力相对较低，劳动生产率低，但安全性较好。

上向分层水砂充填采矿法。在20世纪90年代至2013年在武山铜矿南部围岩及矿体均较稳定的采场应用较多，主要是南矿带S、N部矿体。其特点是施工效率较高，但遇破碎带及软岩段支护量大，松石伤人事故频发，为保证施工过程中顶板的稳定性，往往需预留矿柱，损失率大，同时受上向施工时底板充填砂的影响，贫化率也较大。

下向分层胶结充填采矿法。该方法在武山铜矿应用最为成功，解决充填体稳定性后，采场支护量大为减少，施工过程中安全性较高，矿体贫损指标非常低，但充填成本相对较高。同时受分条充填时密闭墙施工等影响，采场材料使用量较大，运输成本较高。

分段空场嗣后充填采矿法。该方法近年来在武山铜矿试验成功，验证了高采空区边帮稳定性及充填体假顶的自稳能力满足分段或中段空场采矿的要求，推广应用后，有望大幅减少用工及作业成本。

4 VCR采矿法应用展望

4.1 应用VCR采矿法

VCR采矿法在金属矿山应用较多，特别是大型井采金属矿，因该方法高效、低成本，近年来应用面在逐步扩大［3］。武山铜矿经过近两年分段空场嗣后充填采矿法试验，验证了高采空区边帮的稳定性，进一步增强了该矿后期引进更高效率的采矿方法的可能性，VCR采矿法是主要方向。

国内大多数矿山都采取“一矿多方法”的模式，有针对性地解决采矿效率低、地质结构复杂等问题，取得了很好的效果。武山铜矿作为老矿山，现有的进路式采矿方法应用成熟，该采矿方法也解决了武山铜矿规模小、松软难采矿体的开采问题。为了最大限度利用资源，应当再优化并推广其在难采矿体区域的应用［4］。结合武山铜矿围岩稳定性具有区域性的特点，我们认为在一些稳定性较好，如南矿带S、E、N5、N6等采场，可以采取更先进更高效的采矿法，能在一定程度上解决现有采矿方法成本高、用工量大、安全隐患多、施工效率低等一系列问题。

对比国内外采矿方法的应用成果，并结合武山铜矿矿体赋存条件及充填工艺条件，VCR采矿法+嗣后膏体充填是武山铜矿后期发展的不二之选。分析该采矿方法的优点，能发现该采矿方法有利于综合效益的提升，同时，结合武山铜矿的实际情况，该方法也便于应用和推广。

4.2 武山铜试用VCR法的优点

武山铜矿得益于成熟的充填工艺及部分区域稳定的地质条件，应用VCR采矿法优点比较明显。

（1）南矿带部分矿体较稳固，同时矿体不连续，且矿体规模不大，都属于急倾斜矿体，比较适合应用此法，具体操作时，可以选取单个采场作为一个矿房，免去了二步骤回采矿柱的麻烦。

（2）由于使用了全尾膏体充填工艺，可以充分利用稳定的充填体假顶作为VCR法中矿房顶部凿岩硐室、矿房联巷以及其他巷道的顶板，确保了凿岩施工的安全。

（3）矿房底部采取有底柱出矿系统，出矿巷与受矿巷分开布置，能有效保证出矿安全。

（4）矿房回收干净后，通过对底部8m左右采取高强度（4MP）充填后，底部结构可以采取现有的水平分层充填采矿法进行回收，能有效解决底柱回收困难的问题。

（5）在成本控制上，由于采取该方法后不再需要每12m施工一层分段沿脉巷道，同时一次爆破出矿量将会大大提升，采矿成本将会成倍下降。

4.3 VCR法具体施工工法建议

（1）选取分段高度50m矿体（如选取南矿带E3采场-310m至-360m），底部5m施工底部结构。出矿溜井由-410m送至-360m并与底部出矿巷道贯通，排水由-360m采联道排出。底部结构由采联道靠近矿体约10m左右处开口掘进盘区沿脉巷，在走向方向上间隔24m掘进一条出矿巷，出矿巷与出矿巷之间掘进一条受矿巷，受矿巷与出矿巷之间每间隔5m掘进一条出矿进路（如图1）。

图1 底部结构巷道布置图

（2）底部出矿巷及受矿巷施工完成后，在受矿巷进行中孔拉底施工（如图2）。中深孔拉底后形成底部出矿堑沟及补偿空间［4］（如图3所示）。

图2 受矿巷拉底中深孔施工图

图3 底部出矿堑沟

（3）矿房顶部凿岩巷道及硐室施工。利用现有胶结充填工艺，对E3采场进行不少于3个分层的胶结充填，确保顶板稳定后，在采场开掘矿房顶部凿岩巷道及硐室，凿岩巷布置与底部结构出矿巷及受矿巷类似，但两巷道间不再开掘出矿进路（如图4所示）。

图4 凿岩巷道布置图

（4）矿房深孔施工。在已施工完成的凿岩巷道上，根据爆破方案施工深孔（如图5），深孔施工完成后，以利文斯顿爆破漏斗原理为基础［5-7］，充分利用球状药包爆破特点，采用小断面掏槽与倒梯段侧向崩矿相结合的留矿爆破回采工艺。

图5 深孔施工示意图

（5）出矿。用铲运机或其他高效率出矿设备从出矿巷道及出矿进路中运出破碎矿石30%～40%，为下一分层爆破提供补偿空间。

（6）底柱回收。利用全尾膏体充填工艺，待盘区矿房出尽矿石后，封堵底部结构中的采联道，对采空区进行充填作业，为保证采空区底部的充填强度并为下中段VCR采矿法应用提供稳定的凿岩巷道及硐室，要求底部10～15m采矿高强度充填（4MP以上）。充填完成并养护后，对底柱采取水平分层充填采矿法回收（视底柱高度决定1个或2个分层），最后一个分层施工时按矿房凿岩巷道形式设计施工，为下中段深孔施工创造条件。

4.4 VCR采矿法与现有采矿方法的比较

武山铜矿正处于采矿方法的变革期，对于新采矿方法的选择，要充分结合矿山实际情况，当前武山铜矿单个采场采矿效率低、全员劳动生产率低、采矿作业工序繁杂、采矿作业成本高是主要问题。若采取高效率的VCR采矿法，上述问题将大为改善。从上述四个方面进行比较可发现，VCR采矿法优势比较明显。

表1 VCR采矿法与现采矿方法效益表现比较

4.5 应用VCR采矿法的几点问题

（1）VCR采矿方法关键点在于深孔钻凿及球形药包装药爆破［6］，以取得良好的矿石块度及提高围岩的稳定性，避免出矿过程中的卡堵及矿体边界围岩过度扰动。为此，为了更好地应用此方法，还需邀请专业的科研院所针对武铜的具体情况进行研究、设计。

（2）结合国内外矿山应用此方法的实例，出矿过程中，难以保证不会出现卡堵的情况。因此，针对卡堵现象应制定相应的措施，特别是对大块的破碎，是采取长臂大块破碎机还是采取机械化钻孔装药破碎，应对应现场的安全情况择优选取或多种方法并行。

（3）采取VCR法后，由于爆破矿体大、产量高，影响生产能力提升的主要问题将集中在出矿环节上，如何提升出矿效率将是该方法应用后需重点考虑的因素。

（4）由于底部结构及部分顶部凿岩硐室可能在原岩中施工，各种巷道的顶板支护将会是保证施工安全的重要措施，同时支护的稳定性、可靠性不仅影响安全，也将影响生产效率。为此，使用专业化的支护设备，能大大缓解上述难题。

（5）VCR采矿法底部结构形式并非只有上述一种，还有无底柱及人工砼底柱等多种方式［8］。根据武山铜矿生产经验，这里推荐上述有底柱形式，施工较为经济、安全性也相对较好。但无论哪种底部结构，可能都会面临出尽采矿区内矿石时铲运机等出矿设备暴露在采空区内的现象，有松石伤害的风险。为此，多数矿山的经验都是对最后剩余的矿石采用遥控设备作业，以降低对人的伤害风险。

（6）对于VCR法中贫化的问题，与武山铜矿现有采矿方法相差不会太大。主要原因在于现有采矿方法中充填跑冒现象比较多，其中跑冒后的尾砂（江砂）大部分进入了矿石，这些尾砂进入矿石后贫化已比较严重（从地质品位与入选品位比较就能发现问题所在）。而VCR采矿法，因其嗣后充填的性质，矿石贫化只有大爆破过程中难以剔除的废石混入，充填砂将不再会进入矿石中。

5 结束语

武山铜矿已开启三期改扩建工程，建万吨标杆井采铜矿山在即，在现有采矿方法的基础上，合理地改进施工断面或施工方法，同时投入效率更高、能力更大、自适性更好的采矿机械设备，以降低劳动强度、缩短部分工序的施工作业时间、及时处理安全隐患，从而达到安全、高效、降成本的目的，而针对这些方法及目标的达成，现阶段进路式采矿法局限性很大。只有探索高效的采矿方法，才有可能在未来的三期采矿作业过程中使效率及成本达到最佳状态。结合武山铜矿矿体赋存情况及生产实际，推荐试用VCR采矿法，通过在南矿带E3采场简单模拟该方法，提出了方法试用时可能存在的问题，为后期可选采矿方法提供一定的参考。