提高金川礦山下向采場(chǎng)采礦生產(chǎn)能力技術(shù)研究

楊志強(qiáng)，把多恒，王永定，高 謙

（1.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌737100；2.北京科技大學(xué)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）

提高金川礦山下向采場(chǎng)采礦生產(chǎn)能力技術(shù)研究

楊志強(qiáng)1，2，把多恒1，王永定1，高 謙2

（1.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅金昌737100；2.北京科技大學(xué)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）

幾十年連續(xù)開采，金川礦山龍首礦的富礦接近枯竭，貧礦成為主要開采對(duì)象。提高采礦生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)以規(guī)模求效益是貧礦開發(fā)利用的必由之路。以金川龍首礦Ⅲ礦區(qū)貧礦開發(fā)為工程背景，探討提高進(jìn)路分層充填采礦法生產(chǎn)能力的關(guān)鍵技術(shù)。首先，以采用大型采礦設(shè)備為主要手段，進(jìn)行了下向分層充填法采礦中的大斷面進(jìn)路參數(shù)優(yōu)化、穩(wěn)定性分析和分層道優(yōu)化布置研究。然后，開展了進(jìn)路分層充填法采礦的回采工藝參數(shù)優(yōu)化。通過大斷面進(jìn)路采礦和優(yōu)化的回采工藝，不僅提高了采礦生產(chǎn)能力，而且還確保了采礦安全生產(chǎn)，由此獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

大型貧礦；充填法開采；采礦生產(chǎn)；關(guān)鍵技術(shù)；經(jīng)濟(jì)效益

金川鎳礦是我國(guó)最大的硫化銅鎳礦床，共劃分為4個(gè)礦體。其中Ⅰ、Ⅱ礦體為富礦，Ⅲ、Ⅳ礦體為貧礦。幾十年開采，富礦日趨枯竭，貧礦是主要的開采對(duì)象。Ⅲ礦區(qū)貧礦占總礦量的93%。Ⅲ礦體是從Ⅰ礦體受地質(zhì)構(gòu)造作用錯(cuò)斷推移形成的獨(dú)立礦體，礦體地質(zhì)品位僅為0.55%～0.60%。由于經(jīng)歷了劇烈的地質(zhì)構(gòu)造作用，節(jié)理裂隙發(fā)育，礦巖破碎，穩(wěn)定性極差，屬于典型的破碎礦巖的大型貧礦體［1］。提高貧礦產(chǎn)量，降低采礦成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；б媸秦毜V開采的主要途徑。采用低成本和高產(chǎn)能自然崩落法，還是高成本和低產(chǎn)能力的充填采礦法，在Ⅲ礦體采礦方法的選擇上存在爭(zhēng)議［2］。為此開展了大量研究?？紤]到Ⅲ礦體圍巖極為破碎難以控制，必然引起礦石貧化；同時(shí)由于礦巖穩(wěn)固性差，底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以維護(hù)，最終將原設(shè)計(jì)的自然崩落法改為下向分層膠結(jié)充填法。但充填法生產(chǎn)能力是人們關(guān)注的問題。因此開展了提高充填法采礦生產(chǎn)能力的關(guān)鍵技術(shù)研究［3］。以利用大型采礦設(shè)備為主要目的，開展了與之相適應(yīng)的大斷面六角形進(jìn)路、采礦回采工藝、爆破和采場(chǎng)穩(wěn)定性控制等技術(shù)和參數(shù)優(yōu)化研究［4-8］。通過研究，使礦山的充填法采礦生產(chǎn)能力得到大幅度提高，采礦工藝與設(shè)備更加匹配，采區(qū)產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)。根據(jù)目前生產(chǎn)現(xiàn)狀，2014年龍首礦Ⅲ礦區(qū)西區(qū)能夠達(dá)產(chǎn)（165萬t/a），實(shí)現(xiàn)貧礦充填法開采規(guī)?；a(chǎn)目標(biāo)，從而提高了礦山的采礦經(jīng)濟(jì)效益，并實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用。

1 龍首礦充填法開采現(xiàn)狀分析

1.1 大型鏟裝設(shè)備利用問題

大型采掘設(shè)備的應(yīng)用是提高充填采礦生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充的重要保證。為了應(yīng)用鑿巖臺(tái)車和6m3鏟運(yùn)機(jī)，為此將原來的小斷面進(jìn)路擴(kuò)大為底寬3.5m、腰寬7m、高6m的大斷面六角形進(jìn)路。但由于采礦設(shè)施不配套，在生產(chǎn)中存在以下問題：

1）現(xiàn)場(chǎng)未配備檢撬車，進(jìn)路高度達(dá)到6m，人工檢撬頂部非常困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。

2）為了便于撬碴和裝藥，現(xiàn)場(chǎng)采用先爆破底部炮孔，然后在礦堆上裝藥再爆破上部炮孔的方法，不僅降低生產(chǎn)效率，還增加了爆破成本。

3）分層道高度是進(jìn)路的一半，進(jìn)路開口時(shí)必須人工挑頂，一般需2～3個(gè)班才能完成一條進(jìn)路的開口和挑頂，施工效率低，安全性差，不利于發(fā)揮鑿巖臺(tái)車的效率。

1.2 大斷面進(jìn)路形成與穩(wěn)定性控制問題

金川礦山目前采用下向矩形進(jìn)路和六角形進(jìn)路兩種采礦方法。矩形斷面施工簡(jiǎn)單，便于控制，但進(jìn)路受力條件差，不利于進(jìn)路的穩(wěn)定。六角形進(jìn)路圍巖應(yīng)力分布有利于采場(chǎng)穩(wěn)定，但進(jìn)路斷面形成給爆破參數(shù)優(yōu)化和控制提出了更高要求。因此，對(duì)于礦巖條件極不穩(wěn)固的貧礦開采，大斷面六角形進(jìn)路的形成與穩(wěn)定性控制是貧礦開采的關(guān)鍵技術(shù)。

1.3 充填法采礦持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)問題

回采效率高、轉(zhuǎn)層速度快、損失率和貧化率低的采礦方法是提高充填法采礦生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的六角形單一采場(chǎng)雖具有小、快、靈的特點(diǎn)，但在生產(chǎn)過程中，一個(gè)單一采場(chǎng)在回采結(jié)束后，從最后轉(zhuǎn)層準(zhǔn)備、充填實(shí)施到下分層拉開開始出礦至少需要20 d。在此期間采場(chǎng)將喪失出礦能力，嚴(yán)重制約采場(chǎng)生產(chǎn)能力的提高和供礦的均衡。針對(duì)傳統(tǒng)的六角形進(jìn)路采礦存在的問題，開展了回采工藝研究，包括單分層道回填布置方案、雙分層道布置方案、進(jìn)路斷面參數(shù)、爆破參數(shù)、盤區(qū)規(guī)劃及整合等，從而滿足大型采裝設(shè)備的使用要求和采礦效率，提高進(jìn)路充填法采礦的生產(chǎn)能力。

2 進(jìn)路回采分層道布置方案

為了發(fā)揮鑿巖臺(tái)車連續(xù)作業(yè)效率，解決六角形進(jìn)路采礦生產(chǎn)進(jìn)路的挑頂耗時(shí)長(zhǎng)問題，提出了單分層道和雙分層道兩種布置方案。

2.1 單分層道布置方案

單分層道方案是在下向采場(chǎng)中只布置一條分層道，在回采完所有進(jìn)路之后再將分層道回填一半高度的礦石墊層，而后將分層道和進(jìn)路一次充填接頂。在下一層回采工作開層時(shí)采場(chǎng)下降分層道一半的高度轉(zhuǎn)層，與上層回填的一半高度一起形成整個(gè)分層道。至此，循環(huán)往復(fù)分層道和進(jìn)路實(shí)現(xiàn)等高（5m）。單分層道布置方案如圖1所示，三視圖見圖2。

圖1 單分層道回填示意圖Fig.1 Schematic diagram of single slicing drift backfill

在中厚以下礦體中采場(chǎng)沿礦體走向布置，分層道垂直礦體走向布置，進(jìn)路沿走向布置，長(zhǎng)度50m。在厚大礦體中采場(chǎng)可靈活布置，當(dāng)分層道沿礦體走向布置時(shí)，可將適合的進(jìn)路布置成轉(zhuǎn)接分層道，其斷面與普通進(jìn)路相同，只是適當(dāng)提高支護(hù)強(qiáng)度，以適應(yīng)分層道的功能。

2.2 雙分層道布置方案

在下向采場(chǎng)的兩端各布置一條分層道，上下層只交替使用一條分層道。每層進(jìn)路回采完成后，與分層道一次充填，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)路與分層道的等高。分層道斷面為矩形斷面，規(guī)格為寬×高＝4m×5m＝20m2。雙分層道布置方案如圖3所示，雙分層道布置方案標(biāo)準(zhǔn)三視圖見圖4。

圖2 單分層道回填采礦方法三視圖Fig.2 The three-view of single slicing drift backfill stoping mining method

圖3 雙分層道六角形進(jìn)路圖Fig.3 Schematic diagram of double slicing hexagonal cross-section approach

圖4 雙分層道六角形進(jìn)路三視圖Fig.4 The three-view of double slicing hexagonal cross-section approach

雙分層道布置方案中，采場(chǎng)可根據(jù)礦體賦存狀況靈活布置，但必須保證進(jìn)路長(zhǎng)度達(dá)到50m左右，以維持采場(chǎng)回采效率。另外，還要注意礦體傾斜和界限變化對(duì)分層道的影響；相鄰采場(chǎng)布置對(duì)本采場(chǎng)分層道布置的影響。雙分層道布置方案由于不進(jìn)行礦石回填，生產(chǎn)效率較高，但分層道布置的靈活性受到限制，適應(yīng)礦體邊界變化的能力較差。

3 六角形進(jìn)路斷面參數(shù)優(yōu)化決策與分析

3.1 大斷面六角形進(jìn)路參數(shù)決策

考慮到大型采礦設(shè)備的應(yīng)用和采場(chǎng)穩(wěn)定性控制兩個(gè)方面的因素，選六角形斷面的進(jìn)路幫坡角、進(jìn)路高度和進(jìn)路寬度3個(gè)參數(shù)。

1）六角形進(jìn)路幫坡角決策

六角形斷面的合理性分析幫坡角對(duì)頂板寬度的影響。在進(jìn)路間距L固定的情況下，幫坡角越小頂板寬度就越小，頂板也就越安全。幫坡角最小坡度應(yīng)確定為礦石的自然安全息角（42°）。因?yàn)閹推陆切∮谧匀话蚕⒔墙o進(jìn)路回采礦石的運(yùn)搬帶來困難。進(jìn)路頂板寬度越小，進(jìn)路充填體的鑲嵌結(jié)構(gòu)就越顯著，進(jìn)路頂板也就越穩(wěn)定。但進(jìn)路上半部充填體幫坡角達(dá)到最小。如果接近頂板坡度為0°可視同為幫變頂，頂幫的穩(wěn)定性或礦柱承載能力最差。當(dāng)幫坡角達(dá)到最大90°時(shí)，進(jìn)路為矩形斷面，進(jìn)路頂板寬度最大，存在拉應(yīng)力區(qū)，容易出現(xiàn)脫層，頂幫轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中應(yīng)力較大，兩幫出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致巷道穩(wěn)定性差。因此，幫坡角應(yīng)在45°～90°兩種極限角度之間。在此區(qū)間有一特殊角即等邊六角形，對(duì)應(yīng)的幫坡角是60°。等邊六角形斷面在靜水應(yīng)力場(chǎng)中為最佳斷面，但在進(jìn)路的次生應(yīng)力場(chǎng)中主要是垂直應(yīng)力，僅在邊緣進(jìn)路的邊緣幫同時(shí)在承受水平和垂直應(yīng)力。為了提高礦柱承載能力，盡量增大礦柱厚度，即增大幫坡角角度。因此進(jìn)路幫坡角應(yīng)大于60°。考慮到充填體形成鑲嵌結(jié)構(gòu)，增加充填體自身承載能力，幫坡角不大于70°，所以幫坡角應(yīng)選擇在60°～70°。

2）六角形進(jìn)路斷面高度決策

龍首礦六角形進(jìn)路高度在普采采場(chǎng)中由于不受采礦設(shè)備的限制，主要考慮施工、人工檢撬以及采礦效率，選擇4m的進(jìn)路高度。為了保證采礦設(shè)備在分層道順利通過，在機(jī)采盤區(qū)進(jìn)路高度提高到6m，由此給施工、撬碴帶來不便。因此調(diào)整機(jī)采采場(chǎng)的進(jìn)路高度為4～5m，且采場(chǎng)在布置形式上采用“雙分層道布置方案”和“單分層道回填方案”，使分層道高度與進(jìn)路一致，便于大型設(shè)備的使用。

3）六角形進(jìn)路斷面寬度決策

當(dāng)進(jìn)路寬度小于高度時(shí)，其內(nèi)切（或外切）橢圓的長(zhǎng)軸方向與垂直應(yīng)力方向一致，有利于承受垂直應(yīng)力，提高進(jìn)路頂板的穩(wěn)定性。但此狀況礦柱較薄弱，不利于頂板垂直應(yīng)力的轉(zhuǎn)移。當(dāng)進(jìn)路寬度大于高度時(shí)，其內(nèi)切（或外切）橢圓的長(zhǎng)軸方向與垂直應(yīng)力方向垂直，不利于承受垂直應(yīng)力，增加頂板拉應(yīng)力區(qū)，造成頂板失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇進(jìn)路間距等于或近似等于進(jìn)路高度較為合理，這樣進(jìn)路內(nèi)切（或外切）橢圓就近似于圓，對(duì)承受地壓較為有利（見圖5）。另外，進(jìn)路寬度應(yīng)滿足采場(chǎng)運(yùn)搬設(shè)備要求。采場(chǎng)設(shè)備以鏟運(yùn)機(jī)對(duì)進(jìn)路寬度要求最為重要，進(jìn)路寬度太小，鏟斗對(duì)進(jìn)路斜幫造成破壞，容易鏟掉底幫，將斜幫變?yōu)橹睅停惯M(jìn)路呈“凸”字形結(jié)構(gòu)。選擇設(shè)備與進(jìn)路幫的間距接近1m能方便設(shè)備的作業(yè)（見圖6）。因此，在正?；夭汕闆r下，龍首礦西采區(qū)大斷面六角形進(jìn)路參數(shù)選擇為頂、底寬4m，腰寬為6m，高度5m。圖7為調(diào)整后的六角形進(jìn)路采場(chǎng)。

圖5 六角形進(jìn)路高度與寬度Fig.5 The height and width of hexagonal approach

圖6 鏟運(yùn)機(jī)與進(jìn)路寬度（單位：mm）Fig.6 The width of scooptram and approach

圖7 調(diào)整后的六角形大斷面進(jìn)路采場(chǎng)Fig.7 The hexagonal cross-section approach with large scale after approach had been adjusted

3.2 六角形進(jìn)路穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值模擬進(jìn)行了大斷面采場(chǎng)穩(wěn)定性分析，得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）進(jìn)路高度與進(jìn)路底寬之比為1.5～2.0，盡可能取小值，以增大進(jìn)路側(cè)邊角，利于礦石自溜，保證鏟運(yùn)機(jī)出礦順利；進(jìn)路腰寬與進(jìn)路底寬之比為1.2～1.3，盡可能小于1.25。進(jìn)路高度5m適用于雙分層道、單分層道墊礦結(jié)構(gòu)。

2）當(dāng)六角形進(jìn)路的頂、底寬均為4m，腰寬為6 m和高度為5m的大斷面六角形進(jìn)路時(shí)，圍巖應(yīng)力集中系數(shù)較小，采場(chǎng)穩(wěn)定性較高，可以布置雙分層道采準(zhǔn)形式，提高采場(chǎng)機(jī)械化生產(chǎn)程度。

3.3 六角形斷面進(jìn)路形成

針對(duì)傳統(tǒng)六角形采礦形成假頂周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，提出了首層隔一采一，第二層回采結(jié)束后直接開幫形成六角形雛形，第三層形成標(biāo)準(zhǔn)六角形斷面的回采工藝。結(jié)合龍首礦的地質(zhì)條件，第一層、第二層和第三層的采準(zhǔn)切割和回采工藝各不相同。第一層為中段首采分層，承受較高的地應(yīng)力，頂部是原巖，采用半圓拱形斷面加強(qiáng)支護(hù)；第二層是過渡層，負(fù)責(zé)銜接首分層和標(biāo)準(zhǔn)的六角形斷面進(jìn)路；第三層形成全面人工假頂，進(jìn)入正常有假頂六角形斷面回采階段。

1）首層進(jìn)路回采設(shè)計(jì)。首層開采進(jìn)路斷面為5.0m×4.0m（寬×高），斷面形狀為直墻半圓拱形，分層道斷面規(guī)格為4.0m×4.0m（寬×高），斷面形狀為直墻半圓拱形。分層道采用全斷面雙層噴錨網(wǎng)支護(hù)。

2）第二層進(jìn)路回采設(shè)計(jì)。第二層下降層高2.5 m，穿脈分層道斷面規(guī)格為5.0m×4.5m（寬×高），進(jìn)路斷面為4.0m×4.0m（寬×高），斷面形狀均為直墻半圓拱形。進(jìn)路充填前對(duì)兩幫礦柱進(jìn)行開幫。開幫位置在首層充填體以下，開幫深度1.0m，形成底寬4.0m，腰寬6.0m的倒梯形（見圖8）。

圖8 第二層進(jìn)路斷面的幾何參數(shù)Fig.8 The geometrical parameters of the second layer approach

3）第三層進(jìn)路回采設(shè)計(jì)。穿脈分層道斷面規(guī)格為頂、底寬4m，腰寬6m，高5m的六角形斷面。進(jìn)路為頂、底寬4m，腰寬6m，高5m的六角形斷面（見圖9）。

人工假頂在形成過程中，第二分層回采是形成進(jìn)路規(guī)格質(zhì)量的關(guān)鍵。第二分層充填體是第三分層進(jìn)路的上側(cè)灰?guī)?，第三分層進(jìn)路回采時(shí)易根據(jù)灰?guī)投ǚ较?，?dāng)?shù)诙臃较蛴衅?，超挖欠挖時(shí)，勢(shì)必影響第三分層進(jìn)路規(guī)格質(zhì)量。通過該方法，第一層施工時(shí)為純無假頂作業(yè)，第二層施工時(shí)只有頂部需要噴錨網(wǎng)支護(hù)，作業(yè)效率已經(jīng)大幅度提高，第三層轉(zhuǎn)入正常有假頂進(jìn)路回采，假頂形成時(shí)間只有傳統(tǒng)方法的一半，為采場(chǎng)的提前達(dá)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

圖9 第三層進(jìn)路斷面的幾何參數(shù)Fig.9 The geometrical parameters of the third layer approach

4 結(jié)論

針對(duì)龍首礦Ⅲ礦區(qū)貧礦體開采，探討提高采礦生產(chǎn)能力的關(guān)鍵技術(shù)，獲得以下結(jié)論：

1）采用進(jìn)路高度與進(jìn)路間距之比為1.0～1.2，控制進(jìn)路形狀盡可能接近內(nèi)切圓，使得進(jìn)路斷面周邊的應(yīng)力分布更加合理，從而有效支撐采場(chǎng)頂部及上下盤原巖應(yīng)力。

2）采用進(jìn)路與分層道等高設(shè)計(jì)，避免進(jìn)路開口必須使用手動(dòng)鑿巖機(jī)挑頂?shù)谋锥耍瑴p少了作業(yè)環(huán)節(jié)，提高了作業(yè)安全性，便于鑿巖臺(tái)車連續(xù)作業(yè)，可充分發(fā)揮大型設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

3）選擇了頂和底寬4m、腰寬6m、高5m的六角形進(jìn)路斷面，使得機(jī)采設(shè)備配套，施工效率高，安全性好。

4）快速形成人工假頂，可縮短采礦時(shí)間，產(chǎn)能穩(wěn)步提高。

5）直接利用現(xiàn)有工程，每隔垂高20m不再掘進(jìn)充填回風(fēng)道，直接利用充填回風(fēng)井接充填管進(jìn)行充填，減少了工程掘進(jìn)量，縮短了層回采周期。

［1］楊 震.金川公司龍首礦西采區(qū)貧礦開采地質(zhì)資源研究［J］.湖南有色金屬，2007，23（2）：5-6.

［2］孫旭.金川三礦采礦方法探討［J］.采礦技術(shù)，2003（3）：12-14.

［3］姚維信，把多恒，孟憲華.龍首礦500萬噸礦井建設(shè)問題分析與對(duì)策研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29（6）：101-105.

［4］喬登攀，張宗生，汪 亮，等.提高龍首礦下向六角形進(jìn)路式采礦爆破效率試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2006，15（10）：83-91.

［5］崔繼強(qiáng).金川礦區(qū)破碎礦石下向六角形進(jìn)路充填采礦技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

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［7］張梅花，高 謙，翟淑花，等.金川二礦貧礦開采充填設(shè)計(jì)優(yōu)化及數(shù)值分析［J］.金屬礦山，2009（11）：28-32.

［8］金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦.礦山低品位礦石大規(guī)模開采技術(shù)研究［R］.金昌：金川集團(tuán)股份有限公司，2013.

Study on key technology to improve the mining productivity of Jinchuan Mine

YANG Zhiqiang1，2，BA Duoheng1，WANG Yongding1，GAO Qian2
（1.Jinchuan Group Co.，Ltd.，Jinchang Gansu 737100，China；2.Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mine，Ministry of Education，University Science Technology Beijing，Beijing 100083，China）

After decades of excavation，the high-grade ore is nearly exhausted and the lean ore is becoming main mining object.To improve the mining productivity and achieve scale benefits are important approaches for the lean ore exploitation.This paper focuses on the lean ore exploitation in the mining areaⅢof Jinchuan Nickel Mine，carrying out key technology research to improve the production capacity of backfill mining method.Firstly，based on the purpose to utilize large-scale mining equipment，it starts with the parameter optimization and stability analysis in large hexagonal cross-section approach，and then investigates the drifts optimal placement in the drift stoping.Secondly，it develops the mining processes of large hexagonal cross-section drift stoping method，blasting parameter optimization and control technology.The application of the research results in Longshou Mine，not only can improve the backfill mining production capacity in lean Longshou mine，but also to guarantee mining safety.The economic and social benefits have been achieved.

large-scale lean ore body；backfill mining method；mining production；key technology；economic benefits

TD853.34

Α

1671-4172（2015）03-0048-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 （863 計(jì)劃）項(xiàng)目（SS2012AA062405）

楊志強(qiáng)（1957-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師，博士，北京科技大學(xué)兼職教授，金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室客座研究員。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.010