普朗銅礦自然崩落法采礦工藝危險源辨識

郭林寧， 孫 偉， 馮興隆， 劉華武， 侯克鵬

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000； 2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 香格里拉 674400)

普朗銅礦為目前國內(nèi)最大的銅礦山，同時也是國內(nèi)采用自然崩落法開采的最大的礦山。與傳統(tǒng)崩落采礦法不同的是，自然崩落法一旦實(shí)施，將極難進(jìn)行開采方案的變更，同時它也是一種技術(shù)含量很高的采礦方法。對普朗銅礦來說，自然崩落法是一種新的采礦方法，在國內(nèi)礦山也不多見，成功地應(yīng)用自然崩落法的礦山更是屈指可數(shù)。因此對自然崩落法整個開采工藝環(huán)節(jié)所存在的風(fēng)險進(jìn)行辨識，可為后續(xù)生產(chǎn)的風(fēng)險控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 普朗銅礦自然崩落法采礦工藝

普朗銅礦將3 720 m水平以上的200 m礦體作為一個采場，通過在礦體的3 736 m水平進(jìn)行中深孔拉底爆破，形成拉底空間(高15 m)，使上部礦體在次生應(yīng)力場的作用下，內(nèi)部不連續(xù)面持續(xù)擴(kuò)張，并在重力作用下進(jìn)行崩落，崩落礦石通過布置在拉底和出礦水平之間的聚礦槽和3 720 m的出礦進(jìn)路放出。隨著拉底空間的不斷擴(kuò)大和崩落礦石的持續(xù)放出，上部礦體連續(xù)崩落并不斷向上發(fā)展，直至覆蓋巖層并崩通地表。

2 拉底工藝中存在的危險因素

自然崩落法是通過在放礦點(diǎn)上部進(jìn)行拉底，直至拉底面積達(dá)到足夠大，礦石才能形成初始崩落和保持正常的持續(xù)崩落。影響拉底的因素主要有：拉底方式(拉底戰(zhàn)略)、拉底順序、拉底推進(jìn)速度、拉底高度、拉底形狀與工藝、拉底巷道施工與支護(hù)。

2.1 拉底方式

目前共有4種拉底方式，分別為：后拉底、預(yù)拉底、前進(jìn)式拉底以及亨德森拉底，其中前三種使用較多。拉底方式不合理將會引起以下問題：不能進(jìn)行有效的崩落礦石；補(bǔ)償空間不夠；引起較大的應(yīng)力集中，影響出礦水平底部結(jié)構(gòu)工程的穩(wěn)定；影響施工進(jìn)度；容易形成巖柱、巖墻。

2.2 拉底順序

影響拉底順序的因素主要有：礦體形狀；礦體內(nèi)品位的分布；原巖應(yīng)力的方向和大小；礦體的強(qiáng)度和空間變化；礦石的構(gòu)造特征；在拉底礦塊附近是否存在已有的崩落區(qū)。

拉底順序不合理可能導(dǎo)致：礦石無序、不可控的崩落；巖體的大面積垮塌、空氣沖擊波的發(fā)生；應(yīng)力的集中，巷道的嚴(yán)重破壞。

2.3 拉底推進(jìn)速度

許多因素影響礦山的最優(yōu)的拉底速度。為了獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，要求加大拉底速度，但過高的拉底速度對拉底巷道、底部結(jié)構(gòu)、出礦水平巷道造成較大的破壞。拉底速度與礦石崩落速度、出礦速度應(yīng)一致，如果拉底速度過慢而放礦速度過快就會造成礦石崩落頂板與礦堆空間增大，頂板冒落引起空氣沖擊波風(fēng)險增大；拉底過快而放礦速度過慢，則會導(dǎo)致礦石壓實(shí)，難以放出。

2.4 拉底高度

較大的拉底高度可以限制出礦水平巷道的誘導(dǎo)應(yīng)力，保證崩落的順利進(jìn)行和礦巖的順利流動。然而由于高拉底必須采用深孔進(jìn)行拉底爆破，容易形成不規(guī)則的頂板，導(dǎo)致崩落效果不好。

2.5 拉底形狀與工藝

受爆破施工影響，拉底形狀對拉底的難易程度和效果及初始的崩落效果有較大影響。通常存在以下問題：炮孔施工質(zhì)量差；爆破效果不理想，形成巖柱。

2.6 拉底巷道施工與支護(hù)

拉底巷道與出礦巷道相比，服務(wù)時間相對較短，不是永久性工程。但是其在崩落過程很重要，必須保證在設(shè)計壽命內(nèi)安全。拉底巷道主要存在以下問題：拉底巷道的支護(hù)過于簡單，可能在鑿巖、打孔工程中造成人員傷害和設(shè)備損失；拉底巷道支護(hù)過于堅固，可能會難以爆破，造成資金的浪費(fèi)；爆破下來的支護(hù)措施(像噴錨網(wǎng)、鋼筋等)可能會劃傷皮帶，影響礦山運(yùn)輸。

3 出礦工藝中存在的危險因素

出礦工藝環(huán)節(jié)是自然崩落法采礦中重要的環(huán)節(jié)之一。普朗銅礦在此工藝環(huán)節(jié)過程中可能出現(xiàn)大塊率過高、卡斗、底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、聚礦槽成槽失敗等現(xiàn)象。

3.1 大塊率過高

礦石崩落塊度有三個不同的階段，即自然塊度、初始塊度和出礦塊度。礦石(巖體)的自然塊度是由礦體(巖體)的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度以及本身的構(gòu)造密度、空間分布狀態(tài)、發(fā)育程度等礦體自身性質(zhì)決定的。通過拉底來破壞礦體本身的原巖應(yīng)力，加大礦體存在的軟弱結(jié)構(gòu)面，增加礦體本身不存在的節(jié)理裂隙，從而達(dá)到初始塊度的要求。在放礦過程中，礦石相互碰撞擠壓破碎形成出礦塊度。在礦石三個不同的塊度階段，塊石塊度大小不同，一般來說，自然塊度大于初始塊度，而初始塊度又大于出礦塊度。

出現(xiàn)大塊率過高的原因可能有：

(1)第二階段礦體沒有充分將結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展，導(dǎo)致破碎的巖體塊度較大。造成這種情況出現(xiàn)的原因可能為拉底推進(jìn)速度過快。由于拉底速度過快還會導(dǎo)致崩落的礦石一直與頂板相連，無法使崩落的塊石在重力作用下進(jìn)行破碎達(dá)到預(yù)測的初始塊度值。

(2)隨著放礦活動的進(jìn)行，松散礦石不斷移動，礦石的活動帶周圍出現(xiàn)張力松馳，對將崩落礦石的夾制作用降低，使其出現(xiàn)松動現(xiàn)象，最終滑動崩裂。因此，較快的放礦速度為礦石提供的崩落機(jī)會大，崩落礦石受應(yīng)力作用的時間就短，節(jié)理裂隙無法充分發(fā)育和貫穿切割，崩落礦石的塊度必然大。

3.2 卡斗

卡斗的形成有三種情況：(1)崩落的超大塊直接壓在底部結(jié)構(gòu)之上，造成底部結(jié)構(gòu)堵塞與卡斗；(2)崩落塊度并不足以直接堵塞底部結(jié)構(gòu)，而是適當(dāng)?shù)膲K度相互組合堆疊造成底部結(jié)構(gòu)堵塞；(3)由于選礦廠、尾礦庫等采礦工藝環(huán)節(jié)之外的因素出現(xiàn)故障，造成礦山無法正常出礦，礦石存留在采場內(nèi)無法放出，造成底部結(jié)構(gòu)壓死現(xiàn)象。

3.3 底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

底部結(jié)構(gòu)屬于礦山的咽喉部位，十分重要，一旦底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，就會導(dǎo)致整個礦山都無法正常運(yùn)營，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。直接影響底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有：底部結(jié)構(gòu)的礦巖性質(zhì)及巖石力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性；底部結(jié)構(gòu)的支護(hù)與施工；卡斗(超大塊)對底部結(jié)構(gòu)的破壞；二次破碎的震動影響；鏟運(yùn)機(jī)在鏟礦運(yùn)輸過程中對底部結(jié)構(gòu)的破壞。目前，普朗銅礦的底部結(jié)構(gòu)不會失穩(wěn)，然而底部結(jié)構(gòu)的運(yùn)營時間長達(dá)18年，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，底部結(jié)構(gòu)可能無法一直保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 聚礦槽成槽失敗

聚礦槽施工爆破后，不能形成桃形礦柱，出現(xiàn)類似“樓板”現(xiàn)象，從而影響生產(chǎn)效率和出礦進(jìn)度。造成這種情況的原因有：爆破設(shè)計不合理，對拉底層的測量不準(zhǔn)確，導(dǎo)致炮孔打穿，無法裝藥；炮孔布置不合理，現(xiàn)場工人不按設(shè)計圖打孔；現(xiàn)場工人不按設(shè)計進(jìn)行裝藥，或設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)不合理；爆破方式不合理；炮孔變形，導(dǎo)致炸藥裝不進(jìn)去。

4 普朗銅礦在放礦工藝中存在的危險因素

普朗銅礦放礦過程中主要涉及到溜井井壁的磨損和放礦管理兩個方面。

4.1 溜井井壁磨損

主溜井是地下金屬礦山最重要的開拓系統(tǒng)工程之一，卸礦過程中礦石對溜井的損傷形式主要表現(xiàn)為對溜井的沖擊損傷和摩擦損傷。溜井井壁的磨損與礦石的塊度、礦石的運(yùn)動速度、礦石沖擊角度、摩擦系數(shù)以及礦石與圍巖的力學(xué)參數(shù)有關(guān)。

4.2 放礦管理

放礦管理在普朗銅礦日常工作中是一項十分繁瑣的工作，一旦放礦管理不合理則很難實(shí)現(xiàn)均衡出礦，可能出現(xiàn)損失貧化，甚至出現(xiàn)沖擊地壓或壓死現(xiàn)象。

5 結(jié)語

在普朗銅礦開采之前，國內(nèi)只有銅礦峪礦山成功采用自然崩落法采礦，因此，普朗銅礦在開采過程中可借鑒的經(jīng)驗較少。普朗銅礦需要在開采過程不斷探索、不斷學(xué)習(xí)，因此對普朗銅礦自然崩落法采礦工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險辨識，辨識方向主要是自然崩落法采用的拉底、出礦、放礦三個工藝方面。在拉底工藝方面，影響拉底的因素主要有拉底方式、拉底順序、拉底推進(jìn)速度、拉底高度、拉底形狀與工藝以及拉底巷道的施工與支護(hù)；在出礦工藝環(huán)節(jié)可能會面臨大塊率高、卡斗、底部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)以及聚礦槽成槽失敗的問題；在放礦工藝環(huán)節(jié)中面臨著溜井井壁磨損以及放礦管理不當(dāng)?shù)膯栴}。