廣西大新錳礦緩傾斜薄礦體房柱法采礦探實

蔣深竹

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

大新錳礦是典型的沉積型礦床，其西部緩傾斜礦段礦體薄、夾石厚、斷層多、節(jié)理發(fā)育、褶皺強(qiáng)烈，破壞了礦巖的連續(xù)性、穩(wěn)固性，回采難度大。中信大錳大新錳礦分公司及承包單位廣西錫山礦業(yè)有限公司，在對該礦床的回采方法進(jìn)行了多年探索、試驗、總結(jié)、實踐后，逐漸形成了一種適合自身條件的采礦方法。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大新縣下雷錳礦礦區(qū)位于東平—湖潤—地州弧形凹陷褶皺帶前弧，上映—下雷向斜西南端，礦區(qū)內(nèi)褶皺、節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致了礦巖的連續(xù)性、穩(wěn)固性較差。

礦床由三層碳酸錳礦和兩層夾石組成，從上至下分別為Ⅲ礦、夾二、Ⅱ礦、夾一和Ⅰ礦。西部段礦體傾角變化大，20(°)～76(°)，局部有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。厚度：Ⅰ礦1.6～1.9 m；夾一7～12 m；Ⅱ礦1.8～2.0 m；夾二0.2～0.5 m；Ⅲ礦0.8～1.0 m。自然安息角42(°)～50(°)。f系數(shù)：礦石8～15；未風(fēng)化巖石10；風(fēng)化巖石6。

Ⅰ礦及兩側(cè)圍巖、Ⅱ礦多為致密塊狀結(jié)構(gòu)，未風(fēng)化時都較為穩(wěn)固，風(fēng)化后中等穩(wěn)固；夾二為錳質(zhì)泥灰?guī)r，塊狀、薄層狀；風(fēng)化程度不高，但易出現(xiàn)脫層現(xiàn)象。Ⅲ礦變化較大，從Ⅱ礦邊界到圍巖依次為致密塊狀、薄層、條帶狀；靠夾二0.5～0.8 m部分較穩(wěn)固，靠圍巖部分由于層狀明顯，層內(nèi)滲入碳質(zhì)泥巖增多，內(nèi)部粘結(jié)力差，故穩(wěn)固性變差。Ⅲ礦圍巖也有類似結(jié)構(gòu)，靠Ⅲ礦0.3～0.5 m部分相對穩(wěn)固，0.5～1.0 m穩(wěn)固性較差；所以Ⅲ礦圍巖一旦破壞，往往要繼續(xù)垮落0.5～1.0 m后，才能重新達(dá)到穩(wěn)固。

2 設(shè)計院推薦方案

西部礦體的試采工作從2012年3月份開始，根據(jù)馬鞍山礦山研究院制定的《中信大錳礦業(yè)有限公司大新分公司西北礦體采礦方法試驗方案設(shè)計》，采用“品”字型結(jié)構(gòu)的房柱法回采。

2.1 采場布置

研究院根據(jù)計算機(jī)模擬和類似礦山經(jīng)驗，設(shè)計采場垂直走向布置，寬度、斜長均為60 m左右；每30 m掘進(jìn)1條上山，利用兩側(cè)和中間上山做為安全通道和切割巷道，兩側(cè)上山每隔4 m掘進(jìn)雙側(cè)聯(lián)絡(luò)道，聯(lián)絡(luò)道深3 m；中間布置5個小礦房，每個礦房采幅8 m；礦房間留點柱支撐頂板，點柱規(guī)格3 m×4 m，間距6 m；頂柱連續(xù)布置寬3 m；每個礦房下部設(shè)置一個電耙硐室，采場運搬礦石通過先縱后橫兩道電耙耙至溜井；設(shè)計從中間切割上山開始，沿走向向兩側(cè)回采，直至兩側(cè)人行上山。保留0.5 m Ⅲ礦作為護(hù)頂?shù)V，不予回采；對不穩(wěn)固的地方安裝錨桿護(hù)頂。

采場具體布置方案如圖1所示。

2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該方案在340中段Ⅱ礦3號、4號采場內(nèi)試采后，統(tǒng)計采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下。礦房參數(shù)：采場60 m×60 m，采幅8 m，礦柱3 m×4 m；地質(zhì)礦量59 940 t；采出礦量43 098 t；回采率71.9%；采切量519 m；采切千噸比12.04 m/kt；采場生產(chǎn)能力68 t/班。底部結(jié)構(gòu)為大巷內(nèi)開短溜井。

1 頂柱； 2 點柱； 3 間柱； 4 采空區(qū)； 5 人行井； 6 溜井； 7 電耙硐室； 8 礦石； 9 拉底； 10 聯(lián)絡(luò)道； 11 上山

2.3 方案存在的問題

該方案實施后，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)存在如下問題。

1)保留0.5 m Ⅲ礦護(hù)頂?shù)霓k法不可靠。經(jīng)現(xiàn)場多次試驗證明，受折皺、斷層影響，爆破過程中很難均勻保留住0.5 m左右Ⅲ礦；Ⅲ礦與圍巖之間存在軟弱炭質(zhì)泥巖，黏結(jié)力差，暴露在空氣中吸收水分后，極易膨脹脫落；容易大面積同時冒落，反而變成重大安全隱患。即使采用錨桿護(hù)頂，也僅僅能夠托住錨桿托盤附近小范圍，但周邊及上層頂板仍會繼續(xù)垮落。且在大面積暴露的空區(qū)下方打錨桿時，因鉆機(jī)的震動效應(yīng)[1]，發(fā)生片幫冒頂?shù)目赡苄暂^大。

2)排險工作量大，頂板管理難度大。由于該方案人員經(jīng)過空區(qū)線路較長，所以用于敲幫問頂?shù)臅r間相應(yīng)也較長，必然影響到有效作業(yè)時間。且本身排險工作存在較大的安全風(fēng)險。

3)電耙作業(yè)人員的人行線路安全解決不好。特別是中后期大量空區(qū)頂板暴露出來以后，縱向耙礦時一旦發(fā)生斷繩現(xiàn)象，人員需要從連成片的空區(qū)下方經(jīng)過；即使拉底電耙道耙礦時，也要經(jīng)過多個空區(qū)下方，也不安全；以致于在4號采場回采時，因電耙作業(yè)人員感到害怕而不得不放棄繼續(xù)試驗。

4)采空區(qū)暴露面積太大，空區(qū)下作業(yè)時間久。由于是同步推進(jìn)，回采周期長，回采至中后期，采場下部是5個礦房采空區(qū)連成一片，下部采空區(qū)開始出現(xiàn)變化。固然可以通過增加作業(yè)人員，來加快推進(jìn)速度，但對于這類危險性較大的作業(yè)面，此法必然增加了群體性傷害事故發(fā)生的風(fēng)險。

5)由于處理安全占用的時間較多，有效作業(yè)時間減少，使得采場綜合生產(chǎn)能力和工班效率都比較低。

3 目前生產(chǎn)實際方案

針對研究院推薦方案中存在的護(hù)頂不住、人行通道安全解決不好等問題,我們經(jīng)過對后續(xù)試驗礦房現(xiàn)場回采數(shù)據(jù)的收集總結(jié)，又參考了遵義長溝錳礦的成功采礦經(jīng)驗，最終形成了目前相對成熟、更為適合西北緩傾斜礦體的回采方案。

3.1 改進(jìn)措施

在研究院推薦方案的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了如下的改進(jìn)。

1)加密上山[2]。將原來的30 m一條的上山加密到10 m一條。并且要求每條上山都要與上層平巷貫通；不能貫通的必須掘進(jìn)頂部回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道，以保證回采過程中的人行通道順暢。

2)提前施工聯(lián)絡(luò)道。提前沿上山每隔8～12 m橫向跟礦掘進(jìn)1條，深度不小于3 m的聯(lián)絡(luò)道，聯(lián)絡(luò)道方向指向優(yōu)先回采的一側(cè)；若作為區(qū)域內(nèi)收尾的上山，必須兩側(cè)掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)道。

3)調(diào)整采場推進(jìn)順序。將原先的整個采場同步往上推進(jìn)，調(diào)整為單個礦房依次回采，待上一個礦房回采結(jié)束，才能開始回采下一礦房。

4)改變護(hù)頂方案。將原先Ⅱ、Ⅲ礦同時回采、預(yù)留0.5 m Ⅲ礦進(jìn)行護(hù)頂，調(diào)整為先將Ⅱ礦回采結(jié)束，并預(yù)留整個Ⅲ礦作為臨時護(hù)頂，在回采Ⅱ礦的同時，將頂部Ⅲ礦炮眼布置好，待Ⅱ礦回采結(jié)束后，分2～3次集中爆破，對Ⅲ礦進(jìn)行快速落礦和出礦的方案。同時根據(jù)之前試采經(jīng)驗，采幅控制在8 m左右，頂板不再進(jìn)行任何支護(hù)。局部頂板不穩(wěn)固時，采用縮小采幅或臨時木頂撐的方式進(jìn)行臨時支護(hù)。

5)完善人員進(jìn)出線路。人員進(jìn)入采場作業(yè)面，均由上下拉底經(jīng)未回采一側(cè)的最近上山、且最靠近作業(yè)面迎頭的一條聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入作業(yè)面；或直接從礦房對應(yīng)的上山上部，下至回采作業(yè)面。若耙礦過程中發(fā)生鋼絲繩斷裂時，人員必須從最靠近斷裂位置的聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入空區(qū)，將鋼絲繩拉至相鄰上山內(nèi)后，再進(jìn)行續(xù)接。

改造后的采場布置方案如圖2所示。

1 高級備采； 2 上山； 3 采空區(qū)； 4 聯(lián)絡(luò)道； 5 備采礦體； 6 拉底電耙道； 7 人行井； 8 溜井； 9 臨時底柱；10 電耙硐室； 11 崩落礦石； 12 臨時間柱； 13 永久間柱； 14 永久頂柱

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

利用該方案，同樣在ⅡⅢ礦相同規(guī)模的采場內(nèi)，采用短溜井底部結(jié)構(gòu)時，采礦技術(shù)設(shè)計參數(shù)和生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

礦房參數(shù)60 m×60 m、采幅8 m、礦柱2 m×4 m，地質(zhì)礦量32 400 t，采出礦量27 000 t，回采率83.3%，采切工程量531.0 m，采切千噸比19.67 m/kt，采場生產(chǎn)能力80～100 t/班。

表1 改進(jìn)后采礦技術(shù)設(shè)計參數(shù)與生產(chǎn)統(tǒng)計參數(shù)對比

值得注意的是，回采率、采切比等技術(shù)指標(biāo)，不僅與采礦方案有關(guān)系，還與采場參數(shù)、底部結(jié)構(gòu)、礦體賦存情況(傾角、厚度、斷層褶皺、頂板圍巖)等也有必然的聯(lián)系。

3.3 優(yōu)勢和不足

與研究院推薦方案相比，當(dāng)前采礦方案有如下優(yōu)勢和不足。

3.3.1 優(yōu)勢

1)安全性更高。從安全通道的角度看，顯然當(dāng)前方案對人行通道的解決更加明確，穿過空區(qū)距離最短，安全風(fēng)險最小。從頂板管理角度看，將永久保留0.5 m Ⅲ礦護(hù)頂，變成了暫時預(yù)留整個Ⅲ礦護(hù)頂，待Ⅱ礦回采結(jié)束后再快速回采Ⅲ礦，由于Ⅲ礦的整體性保留更好、界線更清晰、使得不穩(wěn)固的Ⅲ礦圍巖實際暴露時間更晚，所以護(hù)頂效果更好、可操作性更高、安全更有保障，同時回采率也更高。

2)回采效率更高。目前方案經(jīng)過的空區(qū)距離短，排險工作量少，則每班實際有效作業(yè)時間增加。鑿巖過程中，采用側(cè)向刷幫的形式布孔，自由面更加充足；并且采礦前聯(lián)絡(luò)道已經(jīng)施工到位，不會出現(xiàn)留礦柱時，無自由面、難以刷通、爆破單耗大等因素影響回采效率；特別是后期放Ⅲ礦時，都是大面積壓頂，回采效率更高。

3.3.2 不足

主要不足在于采切千噸比較大，優(yōu)化措施如下。

1)合理布局，暫時用不到的采切不能盲目施工；

2)在保證施工安全、成本最優(yōu)的情況下，將采切工程施工斷面盡可能放大，以副產(chǎn)礦彌補(bǔ)提前投入的資金壓力；

3)預(yù)結(jié)算方面，通過預(yù)付款的形式，按照三級礦量平衡原則，對施工隊進(jìn)行資金援助，采礦用到時再扣除；

4)借鑒“品”字型房柱法的部分安排，在圍巖條件允許的情況下，可以嘗試將上山布置到15～20 m/條，通過中間留不規(guī)則點柱支撐頂板，以達(dá)到安全和效益的平衡。

4 下步計劃

1)選擇最優(yōu)采幅。如最開始設(shè)計采幅7 m，但經(jīng)過現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)采幅8 m以內(nèi)頂板基本都保持穩(wěn)定，超過8 m時便可能出現(xiàn)較大變化。故而將采幅調(diào)到8 m，既能滿足安全要求，又將回采率提升。圍巖穩(wěn)定礦房，甚至還可進(jìn)一步放大采幅。

2)改變間柱形狀[3]。最初設(shè)計間柱均為3 m×3 m的“□”布置，按10 m一個聯(lián)絡(luò)道，則間柱間距達(dá)7 m；將間柱改為2 m×4 m長方形布置時，不僅面積節(jié)省了1 m2，且間柱間距只有6 m；從現(xiàn)場情況看，后者對頂板的支撐效果比之前者更加突出，損失礦量更少。

3) 根據(jù)現(xiàn)場條件適當(dāng)回收部分礦柱。由于緩傾斜礦體上下空區(qū)發(fā)生垮落時相互影響較小，若下一階段回采用不到老拉底電耙道，則可在各礦房回采結(jié)束后，對上階段的臨時底柱進(jìn)行回收。若上階段采空區(qū)穩(wěn)定，則下一階段的頂柱也可適當(dāng)回收，甚至不留頂柱。間柱也類似。

4) 注意保護(hù)頂板，避免因人為破壞造成頂板垮塌而提前結(jié)束回采。如鑿巖時，頂眼要距離頂板0.5～0.8 m，即能保證礦體完成崩落，又不會傷到頂板圍巖。聯(lián)絡(luò)道不能布置在褶皺的底端，或靠近斷層的位置；如哪里需要留點柱等等。

5) 利用礦體形態(tài)提高回采率。如褶皺拱起位置頂板圍巖自撐效果很好，這些位置的礦體可以放心回采，而不必拘泥于采幅8 m的限制等等。

5 結(jié) 語

脫離了具體的應(yīng)用環(huán)境來討論采礦方法的優(yōu)劣，是沒有實際意義的。任何一種采礦方法都有其存在的原因，沒有最好的，只有最適合的采礦方法。顯然經(jīng)過改進(jìn)后的采礦方案更適合目前大新錳礦西部礦段緩傾斜礦體的回采。且隨著安全要求的日益嚴(yán)格，安全方面的風(fēng)險成本也應(yīng)作為權(quán)衡采礦方法的一項重要指標(biāo)進(jìn)行考慮，而改進(jìn)后采礦方案在安全方面也有著更大的優(yōu)勢。