铜绿山矿分段空场嗣后充填采矿法工业试验研究

2024-01-15曹文钢

现代矿业 2023年12期

曹文钢

（大冶有色金属有限责任公司铜绿山矿）

铜绿山矿是我国长江中下游铜铁多金属成矿带上重点矿山之一，有半个多世纪的开采历史。铜绿山矿矿体产状为急倾斜厚大矿体，早期为露天与地下联合开采，21 世纪初全面转入地下开采，随着采矿技术工艺及设备的不断发展，铜绿山矿的地下采矿方法也与时俱进，早期井下开采采用上向水平分层点条柱式水砂充填法，后续充填工艺改进变为上向水平分层胶结充填法。1990 年在Ⅲ矿体部分采场采用先进的VCR 法大直径深孔采矿，并大规模推广应用。近年来逐步转入深部开采，矿岩稳定性发生变化，出现了采场垮塌冒落、相邻采场开采困难、凿岩工作紧张等问题，分段凿岩阶段空场嗣后充填法逐步代替VCR法［1-2］。

当前，铜绿山矿已全面进入深部开采，深部矿体和上部矿体相比有较大的变化，厚大矿体所占比例缩小很多，矿体倾角变化大，分支复合现象严重，且随着开采深度的不断加大，矿岩内部的原岩应力随之加大，矿岩稳固性变差［2-3］。目前铜绿山铜铁矿开采中面临的主要问题：①普通上向水平分层充填采矿法工人劳动强度大，生产能力低，安全性差；②采矿主要生产工序难以实现设备、人员与能力等方面的匹配，未形成优化组合，造成人力、物力与资源等失调与浪费；③矿体赋存条件复杂，分枝复合严重，单一的采矿方法不能满足多样特殊的采矿环境；④VCR 法对于矿体的完整性要求较高，矿岩稳固性较差，造成其贫化损失率过高；⑤采场周边情况复杂，两帮为充填体时，对于边帮的控制较难把握，且影响较大；⑥每次爆破所需总药量过大，引起较大的爆破振动，造成矿岩和充填体的稳固性变差［4-5］。为此，开展分段空场嗣后充填法工艺试验研究［6-8］，以保障回采过程采空区的稳定性，并对方案的开采效益进行验证。

1 分段空场嗣后充填采矿法

1.1 矿块布置与构成要素

分段空场嗣后充填采矿法采取盘区化布置，单个盘区宽度为62 m，厚为矿体厚，采场垂直矿体布置，矿房采场宽度为6～8 m，矿柱采场宽度为4～6 m，底柱8 m，不留顶柱和间柱。当矿岩条件较为稳固时，采场尺寸取大值；当矿岩条件较为破碎时，采场尺寸取小值，如图1所示。

1.2 采准与切割

在各分段水平掘进分段平巷，分段平巷之间用斜坡道连接。从分段平巷开始，垂直矿体走向布置采场联络道，相邻2 个采场共用1 条联络道，并在脉外布置溜矿井。

1.3 回采工艺

从上分段联络道开始，垂直矿体施工拉底巷道（3 m×3 m），后由其扩刷至3 m×8 m 的拉底平巷，在平巷内采用锚网支护，钻机钻凿上向平行深孔，孔网参数采用类比法或通过系列爆破漏斗法确定，在靠上盘端部施工切割天井及切割槽，由上盘后退式爆破，后采用铲运机由下分段联络道出矿，倒入脉外溜井。

采场回采在各分段拉底空间，钻孔直径65 mm，正常孔排距为1.2～1.3 m，孔间距为1.5 m，采用BQF-100 风动装药器装药，装药系数0.8，采用非电导爆管孔底起爆。

在爆破回采过程中，减少爆破次数，且每次爆破后，为了保证后续有足够的补偿空间，采用遥控铲运机出矿，出矿量应不低于崩矿量的50%。

1.4 采场地压控制

针对较为稳固的采场，采用平底结构，遥控铲运机出矿，首先进行分段拉底并对矿体顶板进行支护，拉底高度2～3 m，拉底顶板要平整，矿体顶板全部采用管缝式锚杆+金属网护顶，锚杆长度为2 m，锚杆支护网度为1 m，金属网由6 号钢筋编制，网度为30 mm×30 mm。

针对破碎的采场，在进行拉底工作的同时，将上部拉底空间拉开，并对其进行锚网支护，采用管缝式锚杆+塑料网护顶，锚杆长度为2 m，锚杆支护网度为1～1.2 m，塑料网采用矿用120 kN的塑料网，以防止采场爆破将网片崩坏。

1.5 充填

开采结束后，在分段联络巷处进行封堵，由上分段联络巷及充填回风井进行充填，充填不接顶，预留3 m 的凿岩空间，充填强度要求为2.5 MPa。矿柱采场开采结束后，采用一步骤同样的充填方式，先用高配比的充填料浆充填3～5 m，后采用低配比的充填料浆进行充填，上部0.5 m高范围内进行浇面充填，浇面充填强度为1.5 MPa。

1.6 主要技术经济指标

本采矿方法理论技术经济指标：盘区综合生产能力为400 t/d，回采综合损失率为8%，回采综合贫化率为8%，采矿成本（包括充填）为92.42 元/t，采准切割比为15.95 m/kt。

2 现场工业试验

2.1 试验采场选择

试验采场为5531 矿房采场一分段，矿体水平厚度约25 m，矿体倾角60°～80°，上缓下陡。5531 采场矿体为含铜磁铁矿石矽卡岩，粒状结构、交代结构，浸染状构造，矿石品位变化较小，铜品位平均0.91%；上盘岩性为矽卡岩，粒状变晶结构，块状构造；下盘岩性为矽卡岩、大理岩。矿岩坚固性系数f=6～8，岩体基本质量级别为Ⅲ级，中等稳固，自稳能力为跨度5～10 m，可稳定数月，可发生局部块体位移及中小型塌方。该采场顶板安全风险等级划分为Ⅱ级，要求锚网支护覆盖面积不小于顶板暴露面积的60%。

2.2 试验采场布置和构成要素

5531 矿房采场垂直矿体走向布置，阶段高度60 m，留有8 m 底柱，分为4个分段，分段平均高度13 m，一分段回采高度约15 m，长度约为矿体水平厚度25 m，宽度8 m，矿石密度3.3 t/m3，一分段圈定工业矿石量约9 400 t。

2.3 采准与切割

5531 采场所采矿体为一支脉，其一分段下盘临近斜坡道，故采准工程布置在矿体上盘。采准工程中已有工程包括分段平巷及联络巷、盘区溜井及联络巷、盘区回风井及联络巷，新建工程包括采场联络巷、分段凿岩巷（同时作出矿巷）、分段充填回风巷。

切割工程一般包括切割横巷和切割天井，由于采用平底式底部结构，切割横巷包含在分段凿岩巷内，故只需施工切割井。

2.4 回采工作

（1）回采顺序。从矿房的一端向另一端后退式回采，并根据采场长度情况，将采场从里至外依次分为拉槽区、侧崩一区、侧崩二区，拉槽区爆破落矿后松动放矿，铲出崩落矿量的20%～30%以增加后续崩矿的补偿空间，同时清理出装药空间，然后装药爆破落矿回采侧崩二区，最后回采侧崩三区。

（2）落矿。采用中深孔侧向崩矿，用ZY41D 型采矿凿岩台车钻上向平行孔，孔径57 mm，孔深11.8 m，拉槽区排距1.0 m，孔距1.0 m，侧崩区排距1.2 m，孔距1.3 m 左右，由于分段凿岩巷未施工到采场设计边界及两帮需预留钻机施工空间，所以边孔需外插3°～4°，同时边孔与同排相邻孔的距离应严格控制，不可大于平均值1.3 m。拉槽区围绕切割井施工5排26个炮孔，侧崩一区、二区各9 排54 个炮孔。采用BQF-100 型装药器装改性铵油炸药进行爆破，根据《爆破安全规程》，压气装药密度应大于0.95 g/cm3，即孔径57 mm 的炮孔每米装药量应大于2.42 kg。炮孔堵塞长度取0.8倍的最小抵抗线即排距1.2 m，故堵塞长度取1.0 m。使用改性铵油炸药装药前应向炸药内兑少量水以增加炸药的流动性；采用专用起爆器配导爆管雷管、导爆索传爆的孔底起爆方法，装药时先用防静电装药胶管将导爆索送入孔底并吹入底药，然后将导爆管雷管插入起爆药卷并缠好送入孔中，再连续压气吹入炸药，孔口预留1.0 m 的堵塞长度。起爆网路为导爆管起爆网路。

（3）出矿。采场底部结构为平底结构，出矿时使用遥控铲运机进入采场空区中进行三角矿堆的装运。

（4）顶板管理。在回采过程中，采场空区顶板主要依靠左右两侧矿柱支撑。当采场矿岩不稳固时，可采取超前预控顶措施予以加固。出矿巷顶板在每次爆破通风后撬毛处理浮石，并对锚网破坏区域二次支护。

（5）充填工作。充填采用全尾砂胶结充填料，由充填管道自流输送至采场。充填前架设坚固的充填挡墙，并安设泄水管道。充填流量50～70 m3/h，浓度不小于65%。一步骤矿房采场底部5 m充填灰砂比1∶7，中上部灰砂比1∶11，在每分段尾砂充填面上铺设厚度0.5 m的胶结垫层，灰砂比1∶5。二步骤矿柱采场充填时，中上部采用灰砂比1∶15的弱胶结充填料。

3 试验技术经济指标分析

3.1 生产能力

采矿技术经济指标主要包括采场生产能力、贫损率、采切比、设备效率及采矿直接成本，其中采场生产能力的计算方法为采场回采矿量（不包括采切副产矿量）和凿岩爆破、出矿、充填等主要工序所用时间的比值。

（1）中深孔凿岩工作量1 580 m，耗时21 台班，凿岩效率为每台班75.2 m。

（2）5531 采场一分段回采分拉槽区、侧崩一区及二区爆破，装药耗时3 个工班。通风和撬毛共耗时3个工班。回采出矿量7 590 t，采用2 m3遥控铲运机出矿，耗时36个工班，出矿效率为每台班211 t。

（3）充填准备耗时6个工班，充填能力60 m3/h，充填耗时12 个工班，一步骤采场充填体养护7 d，耗时21个工班。

（4）回采出矿量7 590 t，共耗时工班数为102 班，即34 d，采场生产能力为223 t/d。

3.2 采矿直接成本

采矿直接成本分采切成本、凿岩成本、爆破成本、出矿成本、机车运输和充填成本，汇总于表1。

3.3 综合技术经济指标

试验采场综合技术经济指标汇总于表2。

铜绿山矿由于采场顶板不稳固，采用上向水平分层充填法回采时顶板需全断面锚杆网支护，支护工作量大，导致采矿作业循环时间长，采场每天只能完成一个循环，采场生产能力小，限制在150 t/d 之内，并且作业人员长期暴露在采动顶板之下，安全风险不可控。试验采用分段空场嗣后充填法之后，一般只有底部凿岩巷道需要支护，支护工作量大大减少，落矿时中深孔一次崩矿量大，充填则采用分段一次充填，从而提高了生产能力，并且人员大部分时间在凿岩巷内作业，安全性好。空场稳定性方面，因为采用分段空场分段充填，空场暴露时间短，能维持稳定不垮塌，是矿岩稳固性较差时采用中深孔回采合理的采场结构布置方式。

中深孔爆破采矿相比分层爆破回采，采切工程更简单，凿岩、爆破、支护及充填作业更集中，每米崩矿量更大，因此采切比和采矿直接成本有明显的降低。