焦家金礦寺莊礦區(qū)安全高效開采技術(shù)研究

司呈斌，黨文剛

（1.山東黃金焦家金礦， 山東萊州市 261400；2.中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083）

焦家金礦寺莊礦區(qū)安全高效開采技術(shù)研究

司呈斌1，黨文剛2

（1.山東黃金焦家金礦， 山東萊州市 261400；2.中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410083）

為了實現(xiàn)焦家金礦寺莊礦區(qū)安全高效開采，對寺莊礦區(qū)的礦巖物理力學特性進行了研究，結(jié)果表明，巖石類型均屬于堅硬、半堅硬型。根據(jù)地質(zhì)資料運用Surpac軟件建立了礦體的三維可視化模型，直觀地表述了礦體在地下的賦存情況。在此基礎上提出房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法，介紹了回采工藝，并對其技術(shù)經(jīng)濟指標進行分析。工業(yè)實踐結(jié)果表明，該方法大大提高了該礦區(qū)的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。

焦家金礦；巖石性質(zhì)；Surpac建模；充填采礦法；中深孔；回采工藝

1 焦家金礦開采現(xiàn)狀

焦家金礦寺莊礦區(qū)礦體賦存比較復雜，夾石相對較多，在機械化采場回采過程中暴露出來的問題越來越多，現(xiàn)在礦區(qū)在開采過程中貧化損失較為嚴重，礦石品位變化較大，開采出來的低品位礦石越來越多。寺莊礦區(qū)最初的井下生產(chǎn)工藝主要為淺孔留礦法和上向水平分層充填采礦法，生產(chǎn)能力相對較低。隨著開采強度的不斷加大，沿用原來的技術(shù)參數(shù)進行開采時，由于深部采場頂板不穩(wěn)固，時常發(fā)生巖石冒落與片幫現(xiàn)象，對安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重的威脅。因此，為確保采場安全，寺莊礦區(qū)采用縮小采場跨度、增加點柱個數(shù)和縮減點柱間隔的辦法來保證采場的安全。但由此帶來的問題是礦山的生產(chǎn)效益嚴重受到影響，沿用之前的采礦方法使礦山的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)能力嚴重下降，礦石貧化率與損失率增大，企業(yè)生產(chǎn)效益與礦井的服務年限受到嚴重影響。

本文結(jié)合寺莊礦區(qū)的實際情況，對寺莊礦區(qū)礦體圍巖的物理力學特性、礦體三維可視化建模和采礦方法進行了研究，開發(fā)出適應于寺莊礦區(qū)開采技術(shù)條件的安全高效低成本的采礦方法。

2 礦巖物理力學特性研究

在礦區(qū)井下選取具有代表性的巖石塊體試樣，主要巖石類型分布如下：上盤巖石主要由絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖構(gòu)成；礦體主要由黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖構(gòu)成；下盤主要由黃鐵絹英巖化花崗巖構(gòu)成。礦床圍巖蝕變發(fā)育。礦體主要分布于主裂面以下，產(chǎn)于黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖中。將選取的塊體巖石試樣進行室內(nèi)加工處理，制作成標準力學試件，分別對礦區(qū)上下盤和礦體進行了室內(nèi)物理力學特性試驗，測試結(jié)果見表1。

表1 礦巖物理力學特性測試結(jié)果

通過室內(nèi)試驗可以發(fā)現(xiàn)，上盤巖石比較破碎且強度較小，節(jié)理裂隙發(fā)育，在抗壓試驗過程中大多數(shù)都完全破碎，其破碎形式一般是沿節(jié)理面，且中間含泥質(zhì)充填物；礦體巖石強度較大，節(jié)理裂隙不是很發(fā)育，在抗壓試驗過程中伴隨巖爆；下盤巖石強度大，在抗壓試驗過程破壞時伴隨很強的巖爆現(xiàn)象。根據(jù)實驗情況看，礦體及頂?shù)装鍘r石的抗壓強度大于30 MPa，巖石類型均屬于堅硬、半堅硬。礦巖物理力學特性測試結(jié)果為礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究提供計算依據(jù)，以保證寺莊礦區(qū)在開采過程中的安全性、可行性、經(jīng)濟性。

3 基于Surpac的礦體三維可視化建模

目前隨著礦山信息技術(shù)的不斷發(fā)展，Surpac軟件在礦山中的運用越來越多。Surpac軟件可以根據(jù)勘探地質(zhì)資料建立地表、地層、礦體、空區(qū)和巷道的三維可視化地質(zhì)模型，從而更直觀的表現(xiàn)出地質(zhì)體三維信息［2］。在此基礎上，可以根據(jù)工程的需要對三維模型平面切割，反應礦體的任意截面的形狀，也可以進行礦體的體積、儲量品味分析計算。該軟件建立的巷道模型可以反映礦山的整個開拓體系，因而廣泛地應用于礦山采礦設計。結(jié)合寺莊礦區(qū)地質(zhì)鉆孔資料，對寺莊礦區(qū)礦體進行三維可視化建模，如圖1所示。

圖1 寺莊礦區(qū)Surpac模擬礦體

通過Surpac模擬的礦體圖不難發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)由多個金礦體組成，礦體的賦存形狀極不規(guī)范，分支變化非常嚴重，因此礦區(qū)的開采設計要結(jié)合礦體的具體形態(tài)進行設計，對于不同的開采地點選擇適當?shù)牟傻V方案。

4 采礦方法的選擇

為了減少礦石的損失和貧化，充填采礦技術(shù)在國內(nèi)外運用發(fā)展較快。國內(nèi)外充填采礦實踐表明［3－4］，充填采空區(qū)可以有效防止地表塌陷，也可以消除地表尾礦的堆積，充填采礦也是綠色開采的重要組成部分［5］。因此，寺莊礦區(qū)一直采用機械化水平分層充填采礦法、盤區(qū)機械化房柱交錯式分層充填法、機械化上向進路充填法等。寺莊礦區(qū)采用主豎井、斜坡道聯(lián)合開拓，由于礦區(qū)由多個金礦體組成，礦體形狀極不規(guī)范，分支變化非常嚴重，用常規(guī)的分層充填采礦法對于此礦的生產(chǎn)而言效率低，采準工程量相對較大，導致開采成本高，影響企業(yè)的效益。因此，影響寺莊礦區(qū)的安全高效開采的重要因素就是對礦區(qū)采礦方案的合理選擇。

隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，高分段充填采礦技術(shù)越來越成熟。高分段充填法主要將礦體劃分為若干分段，采礦過程中的鑿巖、爆破、出礦、充填作業(yè)相對于分層采礦而言安全、可靠。分段高度遠遠大于分層高度，采用中深孔崩礦，崩礦量相對較大，由此提高了落礦效率和鏟運機出礦效率。高分段充填采礦技術(shù)的工業(yè)實踐還表明，礦石的貧化損失相對于分層開采也明顯減小。高分段充填采礦技術(shù)的成功應用對于實現(xiàn)寺莊礦山的高產(chǎn)高效提供了保證。綜合分析考慮，焦家金礦寺莊礦區(qū)擬采用房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法開采礦石，采礦方案如圖2所示。

4.1 回采工藝

采用脈外下盤人行斜井采準方式，在距礦體5～10m處布置人行斜井，規(guī)格為2.5m×2.5m，在垂直方向上每隔10m掘進鑿巖聯(lián)絡巷，與礦體內(nèi)出礦橫巷聯(lián)接，每一分段鑿巖聯(lián)絡巷通過分段平巷聯(lián)接，在出礦橫巷每隔8～12m向礦體掘進出礦進路，在礦體下盤布置脈外階段運輸平巷。分段平巷斷面規(guī)格為3.2m×2.8m，斷面形狀為三心拱。鑿巖聯(lián)絡道布置在采場中心線，斷面規(guī)格為3.2m×2.8m。在礦體下盤布置一條階段運輸巷道，整個階段的礦石經(jīng)出礦橫巷由無軌設備運輸，經(jīng)過階段運輸平巷，最后倒入溜井中。分兩步驟回采，即先采礦房，后采礦柱。鑿巖設備通過鑿巖聯(lián)絡巷、鑿巖橫巷進入采場，在礦體中布置的鑿巖巷道與回風巷道在上盤連通，以形成回風風流，采用鑿巖臺車或淺眼鑿巖。將爆落的礦石用鏟運機運至溜井，出礦完畢，進行嗣后階段充填。具體的回采工藝如下。

（1）鑿巖爆破。采用鏟運機出礦，經(jīng)脈外出礦平巷運出。整個采場出礦完畢，在出礦進路砌筑充填擋墻，封閉采空區(qū)，采用尾砂膠結(jié)嗣后一次充填。

（2）通風排險。新鮮風流由階段運輸平巷進入人行天井，再由人行天井進入分段平巷，再從分段平巷通過采場聯(lián)絡道進入采場，清洗工作面后的污風經(jīng)回風聯(lián)絡巷，進入回風平巷，最后排出地表。在通風效果不理想的地段，采用局部通風機通風。

確保通風良好后再進行頂板檢查和撬毛作業(yè)，由工人站在爆堆或撬毛車上進行。檢撬從采場口開始，由外向里，最后進行工作面的檢撬。

（3）采場支護。采場頂板及上盤破碎帶以錨桿支護為主，局部特別破碎地點用錨桿加金屬網(wǎng)支護。為配合無軌機械化作業(yè)，用管縫式錨桿，桿長1.8 m，直徑43mm，長期錨固力為30～60kN。錨桿支護網(wǎng)度為1.0m×1.0m；遇巖石特別破碎時網(wǎng)度加密至0.8m×0.8m。金屬網(wǎng)采用直徑8mm鐵絲，編織網(wǎng)格為100mm×100mm，每張金屬網(wǎng)大小為2100mm×1600mm。

圖2 房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法

（4）鏟裝。采用鏟運機出礦，經(jīng)脈外階段運輸平巷，倒入出礦溜井。

（5）采場充填。礦房采用尾砂膠結(jié)充填，膠結(jié)材料為325＃普通硅酸鹽水泥，充填體配比為1∶4，1∶8，1∶10。采場出礦完畢后，在緊臨采空區(qū)的鑿巖出礦巷道中砌筑充填擋墻，并在采場內(nèi)懸掛充填脫水管。采場充填準備完成后，在上中段充填平巷中，按充填配比充填采空區(qū)。采用管道輸送（充填料漿）充填，充填料漿在地表制備后通過鉆孔至充填平巷，最后按充填配比充入采場。非膠結(jié)充填時，廢石采用柴油鏟運機由分段脈外巷進入采場聯(lián)絡巷，充入采場。充填完后，充填體中的水由泄水管泄出，最后由階段平巷將水排出。

4.2 主要技術(shù)經(jīng)濟指標

采場生產(chǎn)能力：605t／d；采礦工效：127.3t／工班；炸藥單耗（平均）：0.443kg／t（其中，采場爆破：0.431kg／t；二次破碎：0.012kg／t）；采礦損失率：7.0%；采礦貧化率：6.5%；采切比：10.99標準m／kt；采礦直接成本：47.29元／t；工程單價為107.51元／m3。和之前的生產(chǎn)水平相比，主要經(jīng)濟指標明顯提高，礦山經(jīng)濟效益大大增加。

工業(yè)試驗表明，房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法開采具有生產(chǎn)能力高、采準工程量少、爆破成本低、安全高效等優(yōu)點。但此方法不利于控制采場邊界，在進行鑿巖作業(yè)時難度相對較大。在礦山的實際生產(chǎn)中為了保護地表及礦山的生產(chǎn)安全，控制巖層的移動和地表沉降，井下必須采用接頂充填。

5 結(jié) 論

（1）對寺莊礦區(qū)的礦巖進行了力學特性試驗和調(diào)研。對不同地區(qū)進行取樣，通過巖樣加工、制作標準試件，完成了巖石試件抗壓、抗拉、抗剪強度試驗，得出了對寺莊礦區(qū)巖石力學參數(shù)，為對寺莊礦區(qū)安全開采提供了基礎數(shù)據(jù)。

（2）基于Surpac建立了寺莊礦區(qū)礦體三維可視化模型，該礦體三維可視圖直觀地表述了礦體在地下的賦存情況，為采礦設計提供了極大的便利。

（3）提出房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法，此采礦方法能夠很好的在礦區(qū)應用，技術(shù)經(jīng)濟指標較好，經(jīng)濟社會效益顯著。

［1］周羅全，劉曉明，蘇家紅，等.基于Surpac的礦體三維模型的建立［J］.金屬礦山，2006，358（4）：3336.

［2］李夕兵，古德生.現(xiàn)代金屬礦床開采科學技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］劉同友.充填采礦技術(shù)與應用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］李夕兵，劉志祥，古德生.礦業(yè)固體尾廢與采空區(qū)互為資料戰(zhàn)略的思考［J］.礦冶工程，2005，25（6）：15.

［5］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)［J］.中國礦業(yè)大學學報，2003，32（4）：343348.

20110918）

司呈斌（1984－），男，山東鄆城人，主要從事礦山采礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作，Email：li8259220＠163.com。