贊比亞MUFULIRA銅礦的采礦技術及其發(fā)展

楊清平，岑佑華

（1.中國有色金屬建設股份有限公司， 北京 100029；2.大冶有色設計研究院有限公司，湖北黃石市 435005）

贊比亞MUFULIRA銅礦的采礦技術及其發(fā)展

楊清平1，岑佑華2

（1.中國有色金屬建設股份有限公司， 北京 100029；2.大冶有色設計研究院有限公司，湖北黃石市 435005）

根據(jù)贊比亞聯(lián)合銅業(yè)有限公司Mufulira銅礦（穆富里拉銅礦）礦體不同的賦存特征，結合采礦方法選擇的基本原則，對Mufulira銅礦以前采用的瀑布式采礦法、分段空場嗣后尾砂充填采礦法與垂直走向布置分段空場法采礦方法進行回顧，重點闡述目前采用的機械化空場采礦法、深孔崩礦階（分）段空場法、分段崩落法、沿走向后退式回采法、由下盤向上盤后退式分段崩落法和由上盤向下盤后退式分段崩落法的采礦工藝流程與效果，最后對該礦采礦技術今后發(fā)展方向進行展望。

Mufulira銅礦；采礦方法；采礦工藝；發(fā)展方向

1 Mufulira礦概況及其礦床開采條件

Mufulira礦隸屬于Mopani copper mines（MCM），該礦業(yè)公司由加能國際Glencore Iternational AG和第一量子公司First Quantum Minerals Limited（FQM）在2000年合資組建，是贊比亞第二大礦業(yè)公司，該公司2003年銅產(chǎn)量為12.75萬t，到2006年達到20萬t以上。Mufulira礦位于贊比亞銅礦帶向北延伸帶上，1933年開始開采，是一座特大型的地下礦山。礦體厚度和傾角變化大，根據(jù)不同的礦巖條件，采用了多種不同的采礦方法，在個別回采區(qū)域，一些適合Mufulira銅礦開采條件的采礦方法一直被采用，在其它的回采區(qū)域，根據(jù)條件的變化，最初的回采工藝得到不斷完善和發(fā)展。Mufulira銅礦歷年來最大年開采礦石量達到380萬t以上。截止2010年底累計開采礦石約2.50億t，出礦Cu品位2.64%。

Mufulira銅礦是目前贊比亞開采最深的地下礦山，已經(jīng)開采到1540m以下。主要的礦化為浸染狀硫化礦脈，出現(xiàn)在3個含礦層中：A礦體位于3個礦體最上盤，是3個礦體中最小的礦體，位于礦區(qū)東部，在采礦下降到810m水平后基本上開采完，主要是在石英巖中呈輝銅礦化，其邊緣為斑銅礦伴生黃銅礦化；C礦體位于3個礦體最下盤，是最大的一個礦體，走向延長5500m，平均厚度14m，礦化在西部主要是黃銅礦－斑銅礦伴之以輝銅礦化，到東部斑銅礦化增強；B礦體位于C礦體東部上盤，走向長度3000m，平均厚度10m。目前最具開采潛力的礦體出現(xiàn)在東部，該區(qū)域處于B、C礦體之間，屬于一個低品位礦帶，該低品位礦帶與B、C礦體同時回采也是經(jīng)濟的，稱之為“BC”聯(lián)合礦體。Mufulira銅礦1540m水平以上總資源量為2.95億t礦石，平均全銅品位3.40%。截至2010年底，剩余保有可采儲量4500萬t礦石，平均全銅品位3.15%，該礦山共有4條豎井：11＃豎井870m、14＃豎井875 m、Kanono5＃豎井575m、Lubwe6＃豎井575m，另還有4條盲斜井，構成井下開拓系統(tǒng)。

Mufulira銅礦賦存于向斜構造的南翼，傾向北東，平均傾角約45°，局部傾角0°～90°。礦區(qū)揭露巖層為羅恩組地層，產(chǎn)于下羅恩組風化帶的下部，巖體穩(wěn)定性好，在采礦過程中很少進行支護。上羅恩組覆蓋于下羅恩組之上，主要由白云巖和頁巖組成，白云巖滲透性好、風化強烈、含水豐富，采礦之前必須對礦體上盤白云巖含水層進行疏干。井下涌水約為80000m3／d，提升1t礦石要排出5t水。

2 采礦方法

在Mufulira銅礦，根據(jù)礦體不同的賦存特征，如礦體厚度、傾角、上盤穩(wěn)固性、區(qū)域地質(zhì)品位，結合采礦方法選擇的基本原則（礦石回收率高、安全性好、貧化率小、成本低），采用了不同的采礦方法。

2.1 以前采用的采礦方法

2.1.1 瀑布式采礦法

瀑布式采礦法（Cascade，見圖1）或沿礦體走向底盤漏斗分段礦房法是1964年在Mufulira銅礦推廣應用的，它主要適用于淺薄（傾角25°～35°）的礦體。采場結構參數(shù)：階段高度40～60m，分段高度15～20m，采場沿礦體走向布置，采場長30～40m，斜頂柱5～6m。之后，又經(jīng)歷了好幾次變化，但是在兩個方面保持不變：使用采場底部采礦巷道作為采場頂部回采的集礦巷道；不留房間礦柱。

這種方法最初適用于穆富里拉西部“C”礦體淺部傾斜區(qū)域，起初采用放礦漏斗，后來采用沿脈鑿巖道代替。切割槽形成后，從沿脈鑿巖和采礦鑿巖道進行回采爆破，采用扇形中深孔，傾角70°～90°。從采場底部采礦鑿巖道通過出礦聯(lián)絡巷出礦，出礦聯(lián)絡道也用于斜頂柱鑿巖和爆破。當回采工作面后退式回采到出礦聯(lián)絡巷即進行斜頂柱爆破。斜頂柱的作用是阻止廢石進入空場內(nèi)。每次爆破，必須仔細控制出礦品位，防止過多貧化。這種方法操作比較簡單，炮孔排列規(guī)整、作業(yè)安全、機械化程度高。但鑿巖道位置要求比較嚴格，以便達到最優(yōu)的回收率（75%以上），同時貧化率相對比較低（不超過25%）。

圖1 瀑布式采礦法

2.1.2 分段空場嗣后尾砂充填采礦法

分段空場嗣后尾砂充填采礦法（Mechanised Open Stoping With Sandfill，MOS／SF，見圖2）礦石回采方式與分段礦房法相比有以下不同：

（1）礦房間柱和斜頂柱的尺寸雖然降到最低限度，但還是要留有一定數(shù)量的礦石作為永久損失；

（2）當?shù)V石最大限度回收完后，所有的出礦點和進入采場的通路用混凝土隔墻封閉；

（3）混凝土隔墻封閉完后，采場采用分級尾砂充填，充填水通過安裝在混凝土隔墻內(nèi)側(cè)的脫水籠泄水。

采用這種方法的礦石回收率大約為70%～75%，貧化率可以忽略不計，特別是對于急傾斜礦體更有利。對于緩傾斜礦體，布置在廢石中的部分巷道能夠自由冒落，貧化約15%。

圖2 分段空場嗣后尾砂充填采礦法

2.1.3 垂直走向布置分段空場法

垂直走向布置分段空場法（Transverse Open Stope，TOS）是1970年后在Mufulira銅礦推廣應用的，主要是在分段崩落法采區(qū)采準和中深孔已經(jīng)完成，要求采用尾砂充填采礦法的情況下，為能夠提高礦石回收率而提出的。使用原有的分段崩落法采準工程剖面上易引起巖體明顯破壞，此方法在“BC”礦體回采中被證明是一種控制頂板不陷落非常成功的方法，隨后在未開采的區(qū)域使用。采準工程變得比較簡單，除出礦水平布置3條出礦進路外，切割巷降低到2條。這消除了對礦柱的破壞和降低了采準工程量。TOS采場沿走向長平均27m、房間柱6 m、頂柱3m，4個分段回采礦量10萬t。雖然采場底部是主要出礦水平，但所有分段水平都可以同時作業(yè)。采場生產(chǎn)能力每月可達到30000t，礦石回收率70%，貧化率可忽略不計。TOS采礦分以下5個階段：

（1）采準工程完成后，沿著下分段的頂柱的頂部拐到采場上盤掘進切割天井，切割井布置在采場中央（東西方向），切割槽沿南北方向形成，長大約占采場出礦進路的1／3；

（2）然后沿南北切割槽向東西方向擴槽，形成東西切割槽；

（3）當最低水平東西向切割槽形成后，開始形成南北向切割槽和上部水平環(huán)行切割巷。然后從切割巷以單獨的工作面朝底盤后退式回采，每個分段由上向下依次進行；

（4）最后爆破上部水平東西向用于出礦的通道；

（5）采場回采完成后，所有敞開的通道采用混凝土隔墻封閉，隨后，采用分級尾砂充填。

該采礦方法后來逐步淘汰，主要原因是礦柱損失礦量過大和礦體的特征發(fā)生變化，導致幾乎沒有適合這種方法的新回采區(qū)域。

2.2 目前采用的采礦方法

2.2.1 機械化空場采礦法

機械化空場采礦法（Mechanised Open Stoping，MOS，見圖3）是由傳統(tǒng)的空場法演變而來，傳統(tǒng)的空場法采用了扒礦平巷和格篩，勞動強度大，而MOS采用高效率鏟運機出礦，大大降低了勞動強度。但其基本原理仍保持一樣。

圖3 機械化空場采礦法

采場最初回采預留間柱和頂柱，礦柱設計的目的是用來支撐礦體頂板和阻止廢石移動到相鄰的回采采場。對開始回采的采場，直接在每個采場礦柱旁形成1個切割槽，以提供爆破自由面，再沿切割槽后退式爆破扇形孔，形成空場。最后爆破間柱和頂柱，爆落的礦石全部進入空場里，爆破方式和方法根據(jù)礦體厚度、傾角和局部條件來確定。

MOS采場底部采用平底結構，由底盤集礦巷道與出礦進路組成。采用鏟運機出礦，鏟運機從采場裝礦后卸到與礦溜井相連的采場分枝溜井，礦溜井沿礦體底盤布置，間距大約100m。該方法具有很大的靈活性，對于礦體厚度和傾角變化大的區(qū)域均能采用。該方法礦石回收率平均75%、貧化率35%，貧化率高主要是由于礦柱崩落后頂板冒落造成的。每個采場的生產(chǎn)能力為每月15000～30000t。

2.2.2 深孔崩礦階（分）段空場法

深孔崩礦階（分）段空場法（Blasthole Open Stope，簡稱BOS，見圖4）主要適用于礦體傾角55°及55°以上的礦體。它是利用高效率的潛孔鉆機鉆鑿高精度的大直徑深孔，這種方法是最近提出的，也是一種最經(jīng)濟和最有發(fā)展?jié)摿Φ牟傻V方法。

圖4 深孔崩礦階（分）段空場法

在上部鑿巖水平布置1條沿脈鑿巖道和6條穿脈巷道；在底部出礦水平布置1～2條沿脈鑿巖道、1條底盤鑿巖道和4條出礦進路。出礦水平布置分枝溜井與礦石溜井相通。切割天井直徑1.8m，采用天井鉆機施工。平均35%的采準工程布置在礦體內(nèi)。深孔采用阿特拉斯ROC－306型潛孔鉆機由上向下施工，鑿巖硐室高約5m。深孔平行礦體傾向布置，孔徑150～165mm，孔深平均55m。上部水平鑿巖硐室保安礦柱上向深孔采用特制鉆架從底盤鑿巖道工作面進行施工。在出礦水平，采用加德拉丹佛公司CH－123型鑿巖機從沿脈鑿巖道鉆鑿直徑55mm的扇形中深孔。

采場最初回采切割是在集礦水平形成拉底層和切割槽，即從沿脈鑿巖道沿礦體走向向東西兩端形成拉底層，然后從切割天井往頂盤后退式回采，形成采場切割槽。其中1條切割巷爆破全部采用微差爆破以降低藥包數(shù)量，并使每發(fā)雷管延期達到最小值。深孔底部采用沙子做的炮泥填塞，頂部填塞沙子的高度一般為2m，采用分段間隔裝藥，每個間隔的藥包通過起爆母線與起爆藥包和電雷管聯(lián)在一起。礦柱的上向中深孔爆破一般采用裝藥管和裝藥器裝藥。BOS采區(qū)每個采場的生產(chǎn)能力為每月4～6萬t，礦石回收率大約74%，貧化率36%。當?shù)V體寬度小于15m時，采用垂直距離比較低的分段和直徑105～115mm的深孔，深孔長度30m，深孔采用柱狀藥包爆破，它比直徑150～165mm深孔能更好地控制炸藥密度。經(jīng)驗表明：裝藥間隔距離過大，不能取得好的爆破效果和控制好上下盤界線，只要求在狹窄的分段空場法采場使用。

2.2.3 分段崩落法

分段崩落法（Sub－level caving，簡稱SLC）是一種礦石回收率能夠達到100%，貧化率達到最低限度的采礦方法。在生產(chǎn)實際中，礦石回收率平均88%、貧化率35%。SLC最早應用于1962年，主要應用在礦山的東采區(qū)，取代“BC”礦體的礦塊崩落法。它的設計是以瑞典分段崩落法采準為基礎。采用SLC能夠取得較高的生產(chǎn)率，到1970年，這種方法使用比例大約占到礦山回采方法的60%。1970年后，由于3＃尾礦庫下面需要采用尾砂充填采礦法，SLC被停止使用，但在其它崩落法區(qū)域仍然被采用，其生產(chǎn)能力每月降低到10萬t。SLC主要缺點是由于礦體傾角比較緩、頂盤比較穩(wěn)固，且由于賦存于具有較大經(jīng)濟價值的“BC”聯(lián)合礦體，變化大，加上一些采礦的污染物如從覆蓋層填充到采場的砂子，由于具有不同的流動特性，故很難形成滿意的覆蓋層。

2.2.4 沿走向后退式回采法

沿走向后退式回采法（Mechanised Strike Retreat，MSR，見圖5）是一種鑿巖道布置在礦體內(nèi)，鑿巖、爆破和出礦在鑿巖道中進行的一種崩落法。采場沿礦體走向布置。該法主要適用于礦體傾角超過70°、厚度小于15m的礦體，更重要的原因是采用空場法不切實際。為取得最大回收率和最小貧化率，中深孔采用了70°前傾角。這種技術能阻止出礦掌子面的廢石直接下落，減小爆破拋擲，并能維持下一排扇形炮孔爆破補償空間。垂直方向上，多分段同時回采時，兩分段采場作業(yè)面保持45°的梯段下降。典型采場的生產(chǎn)能力為每月在10000～15000t。

目前使用MSR僅僅是作為SLC落礦和MOS采場拉底層崩落的一種過渡的采礦方法。該采礦方法礦石回收率大約77%，貧化率88%，55%的采準工程布置在礦體內(nèi)。

2.2.5 由下盤向上盤后退式分段崩落法

由下盤向上盤后退式分段崩落法（SLC With Hangingwall Retreat）切割槽沿礦體下盤布置，工作面往礦體上盤集礦巷道后退，為了控制冒落和保護出礦進路，在礦體走向和傾向上，回采作業(yè)面保持45°的梯段回采順序。礦溜井布置在“A、B”礦帶之間，間距由下部運輸?shù)赖沫h(huán)形距離來確定。

圖5 沿走向后退式回采法

該采礦法的通風方式是：在上盤鑿巖道采用直徑966mm軸流式壓入式風機，在下盤鑿巖道采用直徑1200mm軸流式抽出式風機；個別回采作業(yè)面采用直徑480～610mm壓入式風機進行輔助通風。此方法的優(yōu)點是采準廢石量較少。其缺點是：風機風筒需求量大，準備困難；從下盤斜坡道和通風井掘進到采場作業(yè)面的聯(lián)絡道增加了部分采準工程；只局限于有相同傾角的礦體。

2.2.6 由上盤向下盤后退式分段崩落法

為了消除SLC With Hangingwall Retreat內(nèi)在的問題，采用了由上盤向下盤后退式分段崩落法（SLC With Footwall Retreat，見圖6）。用這種方法后退式回采，需要布置一定數(shù)量的廢石井聯(lián)絡巷、通風巷和出礦點。這種方法通風工程布置比較簡單、風筒用量少、下盤聯(lián)絡巷使用時間長。

圖6 由上盤向下盤后退式分段崩落法

采礦順序是從上盤切割槽開始，然后沿穿脈鑿巖道朝下盤后退式回采。在朝上盤后退式的同時，在礦體走向和傾向上，回采作業(yè)面保持45°的梯段回采順序。新鮮風流從斜坡道進入下盤鑿巖道后到回風天井，作業(yè)面采用直徑480～610mm（19～4英寸）抽出式風機進行通風。

3 今后采礦技術發(fā)展方向

隨著井下開采深度進一步向下延伸，礦山地壓、井下涌水、排水、通風壓力越來越大，均將對礦山開采生產(chǎn)能力及生產(chǎn)安全造成較大影響。為保證礦山持續(xù)的生產(chǎn)能力，以實現(xiàn)復雜條件下礦山正常安全開采，提高礦山綜合經(jīng)濟效益，Mufulira銅礦今后的發(fā)展方向應在以下幾個方面：

（1）開展地壓活動規(guī)律與礦山開采環(huán)境監(jiān)控技術研究，盡快建立起由人工觀察、微震監(jiān)測和應力變形監(jiān)測系統(tǒng)等子系統(tǒng)構成的地壓監(jiān)控系統(tǒng)，實時掌握開采引起的巖體應力活動和變形規(guī)律、預測地壓危險區(qū)和危險程度、優(yōu)化開采順序和采場結構參數(shù)，提出地壓控制措施；

（2）開展地下水綜合防治技術研究，加快礦床疏干，減少地下水對礦山開采的影響；

（3）開展采礦方法的優(yōu)化研究，優(yōu)化采場結構參數(shù)與爆破工藝；開展降低損失、貧化的研究，優(yōu)化回采技術經(jīng)濟指標；

（4）開展高壓力等復雜條件下巷道穩(wěn)定性分析和支護工藝研究，提高巷道穩(wěn)定性；

（5）開展深井開采通風降溫技術及通風網(wǎng)絡研究，優(yōu)化通風系統(tǒng)和通風網(wǎng)絡，提高通風系統(tǒng)運行效率和自動化控制程度，實現(xiàn)風量按需調(diào)節(jié)，改善礦井作業(yè)環(huán)境，降低通風成本；

（6）開展礦山生產(chǎn)科學管理工程與礦山生產(chǎn)決策支持系統(tǒng)研究，建立深井礦山開采信息可視化集成系統(tǒng)，實現(xiàn)礦山現(xiàn)代化的科學管理。

［1］陶干強，等.無底柱分段崩落法采場結構參數(shù)優(yōu)化研究［J］.煤炭學報，2010，35（8）：1269－1272.

［2］趙興東.謙比希礦深部開采隔離礦柱穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（1）：2616－2622.

［3］馮純安.有底柱結構分段嗣后充填法在楚雄礦冶公司的應用［J］.采礦技術，2009，9（1）：1269－1272.

［4］鄒賢季.大直徑深孔采礦法的崩礦方式研究［J］.有色金屬，2005，57（4）：10－11.

［5］劉加冬，等.淺談采礦方法的優(yōu)化選擇［J］.化工礦物與加工，2009（1）：25－27.

2011－10－09）

楊清平（1965－），男，湖北孝感人，高級工程師，長期從事采礦技術研究及應用工作。