吉林省某玉石矿非爆破采矿方法研究*

戴岩，翟增硕，谷中元

(长春工程学院， 吉林 长春 130000)

0 引言

据统计，我国有30余种玉石矿被开采，矿山数量在170处左右，其开发利用状况备受关注[1-2]。宝玉石矿要求原矿完整性好、内部微损伤小，故在采矿方法运用方面应有其自身的特点[3]，但在实际生产中，直接引入金属矿的采矿方法对玉石矿进行开采仍是主流。

近年来，部分学者就玉石矿的采矿方法进行了探索。陈平等[4]采用聚能控制爆破技术对辽宁省岫岩县玉石矿的采矿工艺进行了改进。赵建平等[5]针对通天玉石矿极薄急倾斜的赋存特点，提出了一种基于线型聚能爆破技术的改进采矿方法。郭晓旭[6]对削壁充填法在玉石矿中的开采进行了应用研究，认为该方法对玉石矿的开采较为适宜。黄佑洪、汪柳俊等[7-8]分别从锯切和爆破方法对紫袍玉带石的开采进行了研究，采出矿石的完整性均有所提升。这些探索对玉石矿开采水平的提升具有积极作用，但总体上仍以爆破方法为主。相关实践证明，如果采矿方法不能很好考虑玉石矿自身特点，那么必然会导致玉石矿内部损伤严重[9-10]。

吉林省某矿山同时拥有玉石矿与铅锌矿，其在铅锌矿开采方面比较成熟，但在玉石矿开采方面却相对较弱，采出矿石质量不高，严重影响了玉石矿经济价值的实现。因此，亟需针对玉石矿赋存特点和产品需要开展采矿方法研究。

1 玉石矿开采条件特征

该玉石矿山位于吉林省磐石市，矿区内主要出露地层为古生界二叠系下统大河深组，主要岩性为安山岩、流纹岩、流纹质凝灰岩及灰岩等。矿区内断裂构造发育，但对玉石矿体基本没有破坏作用。根据目前的勘探成果，矿区内赋存有14条铅锌矿体和10条石英质玉矿体，其中玉石矿体特征见表1。

表1 玉石矿体特征

玉石矿体主要为热液蚀变产物，围岩主要为英安质凝灰岩、安山质凝灰岩和泥质板岩，矿体与围岩接触界限较为清晰，玉石矿体内部无夹石分布。

根据地质勘探资源和现场调研，矿区水文地质条件属于简单类型，但矿区断裂构造较发育，隐伏构造影响的破碎带、蚀变带于局部地段较发育，且矿床中矿体部分置于岩体风化带内及附近，这些因素都给矿床开采带来不利影响。故矿区工程地质条件属于中等类型。因此，矿床开采技术条件属复合问题的矿床。

2 采矿方法选择

2.1 现用采矿方法及问题

由于对玉石矿开采缺乏经验，目前矿山对玉石矿采用与铅锌矿同样的采矿方法进行开采。对厚度5 m及以下的矿体采用浅孔留矿法，对厚度5 m以上的矿体采用分段空场法进行开采。

但是从现场使用情况来看，不管是浅孔留矿法还是分段空场法，均存在如下难以克服的问题：

（1）由于采用爆破方法落矿，采出的玉石矿完整性差、成材率低，且不可避免地使玉石出现微裂隙，导致后续雕琢加工困难；

（2）由于要求采出的玉石原矿具有较大块度，爆破中炸药装药量较普通爆破要小，导致大量矿石不能采出，加上爆炸近区的粉矿损失，对矿体厚度大于5 m的玉石矿的回采率仅为45%左右；

（3）矿体局部较为破碎，在爆炸冲击作用下，安全性差，局部顶板不稳固，安全隐患较为突出；

（4）相对于铅锌矿，采出的玉石矿块度较大，无论是浅孔留矿法还是分段空场法，均存在既不能使用底部结构也不能使用自行设备的问题，工人劳动强度大，作业条件差。

2.2 新采矿方法的选择

针对上述存在的问题，采矿方法的选择过程中应考虑的因素有以下几方面。

（1）尽量采用非爆破开挖代替爆破开挖。尽管采用精细控制爆破方法可能会减小爆炸冲击对玉石的损伤，但这种方法技术要求较高，且安全性改善有限。

（2）自行设备最好能直接进入采场。由于采出玉石的块度一般较大，依赖人工搬运的劳动强度太大，很难提高生产效率。

（3）由于玉石矿脉与围岩的界限非常清晰，围岩中几乎不含玉石，因此，采矿过程中最好能将围岩留在原地支撑采空区。这样，既能保证空区安全，也能减小运输成本和废石处理成本。

由此，进一步根据矿山开采现状，提出了采用分层上向垂直走向进路切割干式充填法和分层上向沿走向进路切割干式充填法代替原有采矿方法的思路，其中前者用于开采矿体厚度大于5 m的玉石矿，后者用于开采矿体厚度小于等于5 m的玉石矿。两种采矿方法的标准方案分别如图1和图2 所示。

图1 分层上向垂直走向进路切割干式充填法

图2 分层上向沿走向进路切割干式充填法

由图1和图2可知，两种采矿方法的主要区别就是矿体厚度大于5 m的矿块垂直走向布置，矿体厚度小于5 m的矿块沿走向布置。

3 采矿方法设计

3.1 分层上向垂直走向进路切割充填法

3.1.1 矿块布置及结构参数

阶段高度为50 m，矿块长度为50 m，矿块宽度为矿体水平厚度；分段高度为11～16.5 m，分层高度为5.5 m，进路宽度为6 m，顶柱为6 m，间柱8～10 m，不留底柱。矿房内留设宽度为6 m的矿柱，保证垂直走向回采进路最大暴露面积在200 m2以内，留设房内矿柱时要保证上下中段的矿柱直立对应。

3.1.2 采准切割

采准、切割工作主要包括阶段运输巷道、采区斜坡道、分段巷道、分层联络道及脉内分层联络平巷、回采进路、人行通风天井。

设计沿矿体走向布置矿块，阶段运输平巷布置在矿体下盘15～20 m岩石较稳固处。每50 m划分为一个矿块。

在矿体下盘岩移界限外布置断面为4.45 m×4.0 m的采区斜坡道。斜坡道坡度为10%～12%，弯道半径为8～10 m，每11～16.5 m高自斜坡道向矿体开掘分段巷道（沿矿体走向布置），把采场人行通风天井（或西、东风井）连接起来，作为出矿、通风、设备的通道。

采用分层联络道与分段巷道、脉内分层联络平巷连通，联络道、联络平巷、分段巷道断面均与采区斜坡道相同。

分层高度为5.5 m，每个联络道负担2～3个分层的开采。脉内分层联络平巷沿矿体走向布置在矿体内，把所有进路连接起来，作为脉内出矿、通风、设备的通道。自脉内分层联络平巷垂直矿体走向掘进回采进路。每个分层巷道内根据实际情况可设置2个左右分割硐室。在采区斜坡道与分层巷道连接的联络道附近设置沉淀池。

3.1.3 回采工艺

回采进路垂直走向布置。进路间距为6 m，同一分层内，回采进路之间相互平行，进路断面为6 m×5.5 m。

（1）落矿。回采（切割）前在要回采的玉石下部用钢架+圆木将其垫实。依据采矿结构参数，回采设备采用DC-CS3000型硐室开采链臂锯和ZY-37G-6P绳锯机。设计开采玉石块度暂定截面块度为（1～1.3）m×（1～1.3）m×（1～1.3）m，采场切割出玉石最大块度禁止超过叉车搬运能力，不许超过6 t。采用DC-CS3000型硐室开采链臂锯分别切割玉石块体的上下平面和两侧立面。先切割矿体的下平面，切割完成后用木质楔子垫在锯缝内，为以后搬运出块体提供空间。上下平面及两侧立面切割完成后，由下平面插入导向轮，然后穿入ZY-37G-6P绳锯机的金钢石串珠索锯，开始切割玉石块体的立向背面。

（2）出矿。玉石块体切割完毕后，采用XJ953-16D型16 t叉车将块体搬运至运矿车内，直接运至地表的临时矿石堆场。大块可在采场或分割硐室内分割成小块体，均采用16 t叉车搬运。

（3）采场通风。采场内无需爆破，回采过程中全程使用喷水切割，湿式作业，作业人员均佩戴防尘口罩，每个进路配一台JK58-1No3.5型局扇，进入采场的风流满足工作人员需风量即可。阶段运输巷道新鲜风流→采区斜坡道→分层联络道→回采进路（借助局扇压风）清洗回采工作面→人行通风天井（或西、东风井）→污风排至上阶段回风巷道。

在实际钻进施工过程中，如果发现护筒中排出的水分以及泥浆中出现气泡问题，或是护筒中水位突然下降都表明存在筒壁坍塌问题。产生此类问题主要原因是因为施工区域土质较为松散，泥浆护壁较差，在上述护筒埋设过程中牢固性较差，护筒中存在较多污水。钻头在钻孔过程中转速较快，成孔之后待灌混凝土时间较长。可以在松散度较大的土层中埋设护筒，将回填土有效密实。使用的泥浆优质性较高，能够提升泥浆比重与土质黏度。对护筒适度升高，终孔之后补给适量泥浆，确保水头高度得到有效控制。然后对钢筋笼质量进行控制，避免钢筋笼制作中出现较大变形问题。在实际吊放过程中要对准孔位，对灌注速度进行控制[3]。

（4）撬毛、支护。对采场顶板稳固性分级，并实施安全确认制度。切割后的采场顶板无爆破扰动，稳定性好，一般不需要支护。对采场内局部不稳固处浮石，采用JY-5多功能服务车进行撬毛工作，对顶板或两帮不稳固处采用锚杆或锚杆加金属网支护。

（5）矿柱回采及充填。矿块留设的矿柱不予回采。进路回采完毕，拆除水管线，采用UK-12型矿用运矿卡车运输废石、配以WJD-2铲运机充填 进路。

3.2 分层上向沿走向进路切割充填法

3.2.1 矿块布置及结构参数

阶段高度为50 m，矿块长度为50 m，矿块宽度为矿体水平厚度；分段高度为11～16.5 m，分层高度为5.5 m；进路宽度为4～6 m，顶柱为6 m，间柱为8～10 m，不留底柱。保证空区最大暴露面积在400 m2以内，留设矿柱时要保证上下中段的矿柱直立对应。

3.2.2 采准切割

采准、切割工作主要包括阶段运输巷道、采区斜坡道、分段巷道、分层联络道及回采进路、人行通风天井。采用分层联络道与分段巷道、回采进路连通，联络道、分段巷道断面均与采区斜坡道相同。回采进路沿矿体走向掘进。除以上内容以外，其余均与“垂直走向布置采准切割”设计相同。

回采进路沿走向布置，同一分层内布置一条回采进路，进路断面为（4～5）m×5.5 m。落矿、出矿、采场通风、支护、矿柱回采及充填等工艺均与分层上向垂直走向进路切割充填法相似。

3.3 效果分析

在矿山选定的区域开展了采矿方法试验，新的采矿方法克服了既有的以爆破为基础的采矿方法存在的炸药单耗高和原矿完整性低的缺点。现场统计还表明，新的采矿方法获得完整大块玉石的比例由既有方法的不到50%提高至80%以上，矿石回采率也从不到45%提升至55%左右，经济效果非常显著。

4 结论

针对吉林省某玉石矿存在的成材率低、安全性差和回采率的难题，根据不同玉石矿体的厚度，提出了分层上向垂直走向进路切割干式充填法和分层上向沿走向进路切割干式充填法两种非爆破采矿方法，并进行了工程设计。现场试验表明，与既有采矿方法相比，新的采矿方法取得了显著的经济效益，玉石成材率和矿石回采率都得到了大幅提升。