大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法應(yīng)用研究

韓 斌 吳建勛 王 鵬，2 孫 偉 姚 松 蘇先鋒

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.吉林板廟子礦業(yè)有限公司，吉林白山134300;3.金誠信礦山研究院，北京101500)

板廟子金礦位于吉林省白山市境內(nèi)，礦區(qū)地勢屬中低山區(qū)，地形較復(fù)雜;礦體內(nèi)溶洞區(qū)發(fā)育，礦巖裂隙及溶洞內(nèi)含大量積水，開采地質(zhì)條件惡劣;地表存在大量良田，不允許崩落，礦區(qū)附近有大量建筑及當(dāng)?shù)鼐用?，對爆破振動要求?yán)格［1-4］。針對上述較為苛刻的采礦條件，板廟子金礦借鑒國內(nèi)外類似礦山的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)［5-12］，借助深孔鑿巖臺車、裝藥臺車、遙控鏟運(yùn)機(jī)、濕噴臺車等一系列先進(jìn)的大型無軌機(jī)械化設(shè)備［13］，應(yīng)用數(shù)碼雷管高精度爆破、一次爆破成井、靈活多樣的溶洞區(qū)回采技術(shù)［14-15］，試驗(yàn)成功了30 m分段高度的大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦新工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜難采厚大礦體的大規(guī)模、高效、低損失貧化開采，對國內(nèi)類似礦山開采具有良好的借鑒作用。

1 開采技術(shù)條件

金礦帶賦存層位為上元古界青白口系釣魚臺組底部赤鐵石英砂巖與其下伏的下元古界珍珠門組大理巖不整合面部位的硅化構(gòu)造角礫巖帶。共圈定了4個工業(yè)礦體，其中I號礦體為主礦體，II、III、IV號礦體為次要礦體，III號礦體為低品位礦體。各礦體地質(zhì)特征見表1。礦體直接圍巖為硅化構(gòu)造角礫巖，上盤圍巖為釣魚臺組石英砂巖，巖層結(jié)構(gòu)完整，為厚層狀的堅(jiān)硬巖石。礦體下盤巖石是珍珠門組大理巖，為半堅(jiān)硬－堅(jiān)硬的厚層狀巖石。近礦圍巖多為構(gòu)造角礫巖，在成礦過程中有一定程度的硅化膠結(jié)，有的地段可能不甚穩(wěn)固，特別是被晚期北西向斷裂切割的地段，巖石有后期的破碎，穩(wěn)定性較差。礦體內(nèi)溶洞區(qū)發(fā)育，單溶洞體積最大達(dá)6 300 m3;礦巖裂隙及溶洞內(nèi)含有大量積水，一次最大突水量曾達(dá)1 700 m3。礦區(qū)地表有大量的良田，附近有部分村民及建筑，地表不允許有大的塌陷。

表1 板廟子金礦礦體地質(zhì)特征Table 1 Geological features of Banmiaozi Gold Mine

2 采礦方法

2.1 采場結(jié)構(gòu)

(1)采場布置方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)。采場垂直礦體走向布置，主礦體傾角一般均大于50°，其礦塊構(gòu)成要素見表2，具體結(jié)構(gòu)見圖1;對于傾角小于50°的部分礦體，分段高度采用15 m，采場長、寬尺寸依礦體賦存特點(diǎn)確定。

(2)采準(zhǔn)切割工程。主要采準(zhǔn)切割工程包括分段巷道、出礦穿脈巷道、切割天井、上部穿脈鑿巖巷道、上部沿脈鑿巖巷道。分段巷道布置在礦體上盤，距上盤礦體15 m;上下分段出礦穿脈巷道兼做切割巷道，用作采場出礦、切割深孔施工、掏槽補(bǔ)償空間和掏槽天井的施工通道;切割天井垂直布置于切割槽(出礦穿脈切割道)的中部，距礦體下盤的三角區(qū)布置2～3排輔助掏槽炮孔，位置選擇要有利于切割井掏槽和減小掏槽爆破對下盤圍巖的破壞;上部穿脈鑿巖巷道用于施工切割井孔、切割掏槽孔、掏槽孔爆破裝藥和作沿脈鑿巖巷道的通道;下部出礦穿脈巷道要與上部穿脈鑿巖道對齊，便于切割井和切割掏槽爆破出現(xiàn)異常時進(jìn)行處理;上部沿脈鑿巖巷用于中深孔施工和中深孔爆破裝藥。

圖1 大直徑深孔崩礦嗣后膠結(jié)充填采礦法Fig.1 Large diameter long hole drilling with back-cementation-filling mining method

(3)采場底部結(jié)構(gòu)。由于該礦采用無軌斜坡道開拓系統(tǒng)，應(yīng)用遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦，故采用了平底式底部結(jié)構(gòu)［18］。這種底部結(jié)構(gòu)直接利用回采進(jìn)路作為出礦巷道，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)漏斗式或塹溝式底部結(jié)構(gòu)采切工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、施工周期長的弊病。

2.2 回采工藝

2.2.1 回采順序

自分段巷道掘穿脈道至礦體下盤，沿礦體下盤掘沿脈鑿巖道，同時在下部分段掘出礦穿脈巷至礦體下盤，并沿礦體走向掘進(jìn)下盤沿脈道，之后鑿切割天井爆破孔、切割槽垂直深孔及采場扇形中深孔，采用一次爆破成井方式形成切割天井，之后分2～3次爆破形成切割槽，最后一次爆破采場扇形深孔。采用遙控鏟運(yùn)機(jī)由下分段出礦進(jìn)路將礦石裝上后經(jīng)出礦穿脈巷、分段巷搬運(yùn)到分段巷裝車點(diǎn)，將礦石裝入40 t礦用卡車運(yùn)至地表礦石堆場(鏟運(yùn)機(jī)裝礦點(diǎn)至裝車點(diǎn)的距離不超過250 m)。待出礦完畢后構(gòu)筑充填擋墻，自上分段架設(shè)充填管線實(shí)施空區(qū)充填。其中一期采場采用膠結(jié)充填，二期采場先膠結(jié)打底充填后，再采用廢石非膠結(jié)充填或尾砂非膠結(jié)充填。

2.2.2 鑿巖

礦山采用Simba 1354全自動深孔鉆機(jī)配合鉆孔精確定位系統(tǒng)進(jìn)行中深孔鑿巖工作，鑿巖效率為510 m/d，其中深孔鑿巖參數(shù)見表3。

表3 深孔鑿巖參數(shù)Table 3 Long hole drilling parameters

2.2.3 裝藥及爆破

板廟子金礦采用Normet的MC 605裝藥臺車進(jìn)行深孔散裝炸藥的機(jī)械化裝藥，所用炸藥為散裝ANFO炸藥，裝藥效率為0.9 t/h，上向裝藥孔深可達(dá)46 m，綜合返藥量低至0.8%。為最大限度減少爆破對礦區(qū)周圍農(nóng)戶及地表建筑物的影響，以及減少爆破振動對圍巖、充填體的破環(huán)，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)對比，采用高精度數(shù)字雷管進(jìn)行深孔微差爆破與扇形孔超前拉底爆破，單次爆破最大總裝藥量顯著增加，但單響藥量可控制在75 kg以內(nèi)，很好地降低了爆破震動對周邊環(huán)境和社區(qū)的影響。礦石損失率由初步設(shè)計(jì)的12%降低至6%以下，表4是高精度數(shù)字雷管爆破與傳統(tǒng)中深孔爆破工藝的參數(shù)對比。

表4 爆破工藝參數(shù)對比Table 4 Comparison of blasting process parameters

同時以Simba－H1354導(dǎo)向釬桿精確鑿孔、超大直徑六空孔掏槽、高精度數(shù)字雷管螺旋式微差爆破為手段，實(shí)現(xiàn)了4 m2小斷面條件下高30 m切割井的一次爆破成井施工工藝。

針對溶洞區(qū)采場裝藥、開采難度大的問題，采用了如下幾種方法:①對于較大的溶洞區(qū)，通過改變爆破順序和回采順序，利用溶洞區(qū)作為補(bǔ)償空間實(shí)施爆破，無需施工切割天井;②利用“隔山打?！钡谋品绞?，即利用相鄰采場巷道遠(yuǎn)距離鑿孔裝藥爆破等方式，解決溶洞區(qū)無法掘進(jìn)或鑿巖、裝藥的礦體落礦問題，或采用上、下分段相向鑿巖爆破等方式;③對于規(guī)模較小的溶洞區(qū)，則利用相關(guān)材料加固、修復(fù)炮孔，最大限度避免溶洞區(qū)對采礦作業(yè)的影響，減少礦石損失。

2.2.4 出礦

礦山采用中深孔鑿巖、全礦房一次爆破方式，采場的暴露面積較大，為此礦山應(yīng)用CAT R1700G大型遙控鏟運(yùn)機(jī)(6 m3)進(jìn)行采空區(qū)的快速出礦工作，出礦效率為120 t/h。鏟運(yùn)機(jī)將礦石從采礦點(diǎn)運(yùn)出后，經(jīng)出礦穿脈巷，分段巷搬運(yùn)到各分段巷裝車點(diǎn)，再經(jīng)由CAT45 t卡車通過斜坡道直接運(yùn)至地表礦倉。

2.2.5 支護(hù)

板廟子金礦采準(zhǔn)、切割巷道以往采用干噴+管縫錨桿+樹脂錨桿的支護(hù)方式，雖然支護(hù)效果良好，但存在干噴混凝土工藝復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境差、混凝土強(qiáng)度低、掛鋼網(wǎng)支護(hù)時間長、管縫錨桿錨固力低等諸多缺點(diǎn)［16-17］。經(jīng)技術(shù)攻關(guān)，上述巷道采用了先進(jìn)的“濕噴混凝土+樹脂錨桿”機(jī)械化支護(hù)方法，即出渣結(jié)束后先采用Spraymec 1050 WPC濕噴臺車噴射纖維混凝土支護(hù)，經(jīng)2～3 h的養(yǎng)護(hù)，采用H282雙臂液壓鑿巖臺車機(jī)械化安裝樹脂錨桿，新的支護(hù)工藝使噴射混凝土強(qiáng)度由C10、C15提高至C30，錨桿的錨固力由80 kN提高至200 kN，1個循環(huán)支護(hù)作業(yè)時間由原來的10～12 h縮短至5～6 h。

2.3 充填工藝

板廟子金礦針對不同工序和特點(diǎn)的采場，應(yīng)用不同充填工藝與料漿輸送方式。形成了以尾砂、廢石等做充填材料，依靠自流、泵送兩大泵送方式進(jìn)行的以尾砂膠結(jié)充填為主，廢石膠結(jié)充填和廢石充填相結(jié)合的充填工藝。有效地控制地壓、保障作業(yè)安全、降低了采礦成本、大幅度減少了廢石對礦山環(huán)境的破壞。

(1)充填材料。膠結(jié)劑采用32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥，礦山所用尾砂采用外購尾砂，添加自產(chǎn)廢石破碎后用于井下充填。

(2)充填能力。目前礦山井下生產(chǎn)能力約為75萬t/a，年需充填體積約為28萬m3/a。充填攪拌站充填能力為1 200 m3/d。

(3)充填系統(tǒng)。充填料漿采用地面集中攪拌制備方式，自產(chǎn)破碎的廢石與鐵礦尾砂采用前裝機(jī)混合后，采用斗車和皮帶由585 m水平運(yùn)至670 m水平充填攪拌站的臥式攪拌倉，與水泥漿均勻攪拌后，經(jīng)充填鉆孔和3條充填管路分別送往南區(qū)、中區(qū)和北區(qū)，完成自流輸送。對于650 m標(biāo)高以上和局部充填倍線不足，無法自流充填的采場采用泵送方式充填，充填系統(tǒng)與充填材料提升運(yùn)輸系統(tǒng)見圖2。充填系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 充填系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 5 Main technical parameters of backfilling system

圖2 充填系統(tǒng)及充填材料提升運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.2 Filling system and filling materials hoisting-transportation system

(4)充填體強(qiáng)度要求。一期采場充填時，首先進(jìn)行10 m高的打底充填，要求充填體強(qiáng)度值為1.2～1.5 MPa，水泥摻入量為14%，之后采用較低強(qiáng)度的膠結(jié)充填，要求充填體強(qiáng)度為0.8～1.0 MPa，水泥摻入量為9%。對于二期采場，首先進(jìn)行10 m高的打底充填，要求充填體強(qiáng)度值為1.2～1.5 MPa，水泥摻入量為14%，后續(xù)則采用全廢石回填，或采用低強(qiáng)度充填料漿充填，充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.5 MPa，水泥摻入量為6%，上述充填料漿質(zhì)量濃度均為75%［18-19］。

2.4 富水礦體的開采

針對礦體內(nèi)積水量大的特點(diǎn)，采取了如下措施:①采用多種方式封閉地表河床，阻止地表河水灌入井下回采區(qū);②超前施工礦體下部開拓巷道，使礦體內(nèi)水位下降至采場最低水平以下，以最大限度減少地下水對采礦作業(yè)的影響;③加強(qiáng)井下采場通風(fēng)，以盡可能降低井下作業(yè)區(qū)域的濕度［20］。

2.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

針對富水溶洞區(qū)復(fù)雜難采礦體，該礦基于裝藥臺車機(jī)械化裝藥、高精度控制爆破、及遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦、大型機(jī)械化濕噴和鑿巖臺車機(jī)械化安裝高預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿等一系列關(guān)鍵技術(shù)與工藝，實(shí)現(xiàn)了安全、高效、低成本、高回收率目標(biāo)，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表6。同時，基于前述新技術(shù)的大量應(yīng)用，大大改善了采礦作業(yè)環(huán)境，降低了采礦勞動強(qiáng)度，固體廢棄物充填也改善了礦山環(huán)境，取得了顯著的社會效益。

表6 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)Table 6 Main economic and technical indexes

3 結(jié)論

(1)大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法在板廟子金礦的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了溶洞區(qū)復(fù)雜難采礦體的高效、安全開采。分段高度30 m的采場鉆孔深度達(dá)46 m，鑿巖機(jī)生產(chǎn)效率為510 m/d，遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦效率達(dá)120 t/h，單采場生產(chǎn)能力2 000 t/d，自流充填的料漿濃度為72% ～78%，充填能力為110 m3/h。

(2)利用遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦安全性好的優(yōu)勢，采用了平底式底部結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)漏斗式或塹溝式底部結(jié)構(gòu)采切工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、施工周期長的弊病。傾角大于50°的礦體，采用30 m高分段采礦，減少了采切工程，并通過散裝ANFO炸藥機(jī)械化裝藥、高精度數(shù)字雷管微差爆破，實(shí)現(xiàn)了大藥量、低震動采場控制爆破，使采礦回收率達(dá)到94%，貧化率控制在7%以內(nèi)，同時還實(shí)現(xiàn)了4 m2小斷面切割天井的一次爆破成井施工工藝。根據(jù)不同的溶洞賦存位置和體積，通過優(yōu)化爆破回采順序、修復(fù)炮孔、“隔山打牛”爆破等多種方式，有效解決了溶洞區(qū)的采礦難題。

(3)采用Atlas Simba 1354深孔鑿巖臺車、Normet MC 605裝藥臺車、CAT R1700G遙控鏟車、CAT45t卡車、Normet Spraymec 1050 WPC濕噴臺車、H282雙臂液壓鑿巖臺車等一大批先進(jìn)的無軌機(jī)械化采礦設(shè)備，大幅度提高了采礦效率，降低了井下作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，有效改善了井下作業(yè)環(huán)境。

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