嵩县山金急倾斜中厚矿体开采方法研究与应用

邱洋洋，王元民，由松江，刘吉兴，赵紫康，彭 康

(1.嵩县山金矿业有限公司; 2.中南大学资源与安全工程学院)

引 言

嵩县山金矿业有限公司(下称“嵩县山金”)位于河南省嵩县南部大章乡，隶属于山东黄金集团有限公司。矿区内金矿体赋存于M1构造蚀变带中，矿石类型主要为蚀变岩类和蚀变构造角砾岩类。由于构造蚀变带内构造滑动面极为发育，矿体和围岩破碎，稳定性较差。根据嵩县山金资源核查地质报告，M1-Ⅰ金矿体和M1-Ⅱ金矿体为矿区内主要开采矿体，其中，M1-Ⅰ金矿体长度可达800 m，斜深可达880 m，矿体形态呈大脉状，无明显的分支复合现象，形态比较规则。

现阶段嵩县山金主要开采矿段为九仗沟矿区，其矿体倾向西北，倾角70°左右，矿体厚度变化较稳定，水平厚度约8 m，属于典型的急倾斜中厚矿体。目前，矿区针对此类矿体的开采方法仍然以浅孔留矿采矿法为主，但在实际生产过程中，浅孔留矿采矿法逐渐暴露出生产效率低，采矿损失贫化严重，作业安全性较差等严峻问题[1-3]。充填采矿法作为一种现代化采矿方案，不仅可以大幅提升作业面安全性，还具有灵活性大、采矿损失贫化小、能有效维护围岩、防止地表塌陷等诸多优点[4-7]。随着充填采矿法工艺及设备日益成熟，在黄金等贵金属矿石开采中应用越来越广泛[8-13]。基于此，嵩县山金针对目前浅孔留矿采矿法所面临的采矿难题，亟需开展更加适用于矿区内急倾斜中厚矿体的采矿方案，以达到提升矿山整体经济效益的目的。

1 采矿方法选择

1.1 选择原则

1)生产安全。必须保证工人在开采各环节的作业安全，并且在安全生产的基础上，创造良好的工作环境，确保良好的通风质量和足够的作业空间。

2)采矿强度和生产效率高。在保证生产安全的前提下，尽可能选择单中段生产能力满足矿区要求的采矿方法，避免多中段生产造成的管理复杂、中段之间风流难以控制等问题。

3)采矿损失率和矿石贫化率低。采准工程布置尽可能灵活性大，要求对矿体适应性强，尽可能提高采矿回采率和入选矿石质量，延长矿山服务年限。

4)经济效益好。综合考虑采矿回采率与成本之间的关系，不拘泥于单位矿石开采成本，力求总效益最大化；要积极采用新工艺、新设备，但主要经济指标要留有灵活应变的余地；要充分利用矿石中有用成分，尽可能提高伴生元素的回收率。

5)遵守相关法律、法规要求。采矿方法选择必须遵守有关矿山安全、环境保护、矿产资源保护等方面的有关规定。

1.2 采矿方法比较

根据嵩县山金九仗沟矿区内急倾斜中厚矿体的开采技术特点，以及采矿方法的选择原则，结合国内外针对此类矿体的开采经验，预选出4种可行性高，适用于嵩县山金开采技术特点的采矿方案，并且针对各类采矿方法的优缺点进行了详细评述。

1)方案1：分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法。该方案采矿方法见图1，其采场布置简单，仅需沿走向交替布置一步矿房和二步矿房，回采作业容易，管理难度小，工序简单，工艺成熟，方便实现大型机械化作业，施工效率高，生产能力大，采矿直接成本低，经济效益好，但是充填时需高强度充填体，尤其是回采一步矿房时，一定程度上增大了采矿综合成本。但是减少了脉外采准工程量，能更好地使采准与回采工作的接续，可进一步提高采矿效率。

图1 分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法标准方案示意图

2)方案2：脉外斜坡道上向进路充填采矿法。该方案采矿方法见图2，其适用于矿岩中等稳固至不稳固、矿石品位高、经济价值大的矿体。矿体厚度从薄到极厚、倾角从缓倾斜到急倾斜均可采用。进路法开采的顶板跨度小，回采作业安全性高。进路充填和分层充填的工艺基本相同，实际上就是将分层划分为多条进路进行回采。回采时，采矿回采率高、矿石贫化率低，但回采充填作业强度大，生产效率低，并且要求进路充填接顶。采用高效的凿岩台车和铲运机出矿可一定程度上提高采场综合生产能力。使用脉外无轨采准系统后，对于薄及中厚以下矿体，由于每分层都需要掘进联络巷道和分层巷道，采准工程量较大。此外，进路法的一个显著缺点是：由于进路法类似于独头巷道掘进，通风效果较差。

图2 脉外斜坡道上向进路充填采矿法标准方案示意图

3)方案3：分区开采上向水平分层充填采矿法。该方案采矿方法见图3，其适用于围岩中等稳固或不稳固、矿石品位高、经济价值大的矿体。矿体厚度从薄到极厚、倾角从缓倾斜到急倾斜均可采用。该方法突出优点是采矿损失贫化低，而且应用大功率无轨自行设备后，已属于一种高效率的采矿方法，适用范围广，适应能力强。该方法的显著缺点为通风效果差，原因是每层掘进的采场联络巷需从脉外人行设备天井独头掘进至矿体，从而在巷道施工时通风效果较差。

图3 分区开采上向水平分层充填采矿法标准方案示意图

4)方案4：脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法。该方案采矿方法见图4，其适用于矿岩中等稳固至不稳固、矿石品位高、经济价值大的矿体。矿体厚度从中厚到极厚、倾角从缓倾斜到急倾斜均可采用。该方法突出优点是采矿损失贫化低，适用范围广，采场服务范围大，适应能力强，采用铲运机出矿增加了采场生产能力，提高了采场的机械化水平，但也具有通风效果差的缺点。

图4 脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法标准方案示意图

综上所述，4种采矿方法各有优缺点，其优缺点对比见表1。

表1 各采矿方案优缺点对比

1.3 采矿方法确定

应用模糊数学法和未确知测度理论对嵩县山金九仗沟矿区急倾斜中厚矿体的初选方案进行了优选，根据未确知测度模型评价结果的优越性，方案4为最佳开采方案。脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法生产效率高，采矿损失贫化低，施工效率高，生产能力大，采矿直接成本低，经济效果好，作业安全，能够满足急倾斜中厚矿体开采强度和安全要求，即选定脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法作为嵩县山金九仗沟矿区急倾斜中厚矿体的最优采矿方案。

2 脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法

2.1 采场结构参数

沿走向布置矿房，矿房长为100 m，宽为矿体厚度，阶段高度为40 m，顶柱3～5 m，不设间柱连续回采，待矿房开采充填后再采用进路法回采顶柱。

2.2 采准切割工程布置

采场采用下盘脉外分段平巷分段出矿和溜井集中出矿的脉外无轨采准方式。平行矿体下盘边界布置分段运输平巷，各分段运输平巷通过联络道与主斜坡道相通。采场分层联络道将分段运输平巷与采场相连，溜井联络巷与中段集中出矿溜井相连，从而构成采场下盘脉外无轨采准系统。

从图4可以看出，采场下部不留矿石底柱，直接从中段底板开始回采，回采后在底板上构筑钢筋混凝土假底，上部留3～5 m的顶柱，待中段回采结束后统一回采。采准工程主要包括溜井联络道、溜井及采场联巷等。采准切割工程量见表2。

表2 采准切割工程量统计结果

2.3 回采工艺

1)回采顺序。回采时自下而上分层回采，沿走向从一侧向另一侧回采。每分层回采结束后进行充填，并为下一分层预留1.5～2.0 m的控顶距。待整个中段回采结束后视情况通过上向进路法回收顶柱。

2)采场凿岩爆破。采场凿岩时选择气腿式凿岩机进行凿岩。采场爆破时要严格控制采场形状，尽量使用光面爆破控制采场边界，提高顶板及两帮的稳定性。采用乳化炸药，人工装药。药卷直径一般采用32 mm，周边孔设计采用小直径药卷，长度均为200 mm。起爆采用非电微差导爆管起爆，各段雷管的起爆时间间隔50 ms。

3)采场通风。通风方式与独头掘进巷道相近，通风时需使用局扇加强通风。新鲜风流由斜坡道进入中段或分段平巷，再从中段或分段平巷通过分层联络道进入采场，采用局扇通风，清洗工作面的污风通过风机抽排到中段运输巷道，进入回风井，排出地表。

4)采场支护。爆破通风后需要进行浮石检查和撬毛作业。检撬作业从采场口开始，由外向里，最后进行工作面的检撬、撬毛，撬毛工作结束后才可进入采场检查顶底板安全情况及落矿情况，并进行采场支护。采场支护以管缝式锚杆为主。支护网度视采场稳定性而定，采场稳定时可适当增加锚杆网度。

5)采场出矿。矿房内的矿石由采场内的铲运机经各分层内的采场联巷运搬至脉外溜井中，由振动放矿机转运至矿车上，再经过矿车运输至各中段溜井口，将其倒入主溜井，统一提升至地表。

6)采场充填。充填工作主要是采场充填挡墙的搭建及滤水，充填挡墙的强度要满足采场充填的要求，确保充填质量，充填结束后至少养护3 d后方可回收板墙，安排下一分层进行回采。

充填作业中充填管路经各分层采场联巷进入采场进行充填，充填时为降低充填成本可先将一部分废石回填至采场，然后再进行胶结充填(各分层充填体的顶层0.5 m均采用C30混凝土进行充填)。

3 工业试验及经济效益

经矿山讨论决定，并结合现场实际情况，最终选定嵩县山金九仗沟矿区15中段4150529采场作为急倾斜中厚破碎矿体的试验采场，工业试验共采出矿石量23 750 t，取得了显著的经济效益，达到了预期的目标。试验采场不同采矿方法主要技术经济指标见表3。

表3 试验采场不同采矿方法主要技术经济指标

经分析统计，试验采场产生的直接经济效益主要来自3方面：一是采场生产能力提高带来的经济效益；二是开采成本降低带来的经济效益；三是采矿贫化损失降低带来的经济效益。其中，因采场生产能力提高带来的经济效益为44.27万元，因降低矿石贫化率创造的经济效益为61.05万元，因降低采矿损失率创造的经济效益为56.30万元，对比早期的浅孔留矿采矿法，采用脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法经济效益能增加68.05元/t。

4 结 语

嵩县山金九仗沟矿区矿体和围岩条件较差，经过详细分析该区地质和开采技术条件，结合类似矿山开采经验，通过多种采矿方案优缺点的对比分析，确定了脉外天井双采联上向水平分层充填采矿法作为该矿山急倾斜中厚矿体的最佳开采方案。该方案在嵩县山金九仗沟矿区15中段4150529试验采场1年内共采出矿石量23 750 t，相较于矿山早期浅孔留矿采矿法，经济效益增加了68.05元/t，效果十分显著。该采矿方案可对类似急倾斜中厚矿体安全、高效、低贫损开采提供一定的参考。