地下金礦非爆破機械化連續(xù)協同開采技術

陳 維 杜 坤 陳 偉

（1.湖南黃金洞礦業(yè)有限責任公司，湖南岳陽414507；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083；3.中南大學高等研究中心，湖南長沙410083）

目前，幾乎所有的大型地下煤礦均采用綜采成套裝備機械破巖方式進行回采［1］，地下硬巖礦山則采用鑿巖爆破的方式進行回采。前者是一種連續(xù)不間斷的作業(yè)模式，工作效率較后者高出很多倍；后者是一種非連續(xù)的作業(yè)模式，涉及工序很多，如鑿巖、爆破、通風、出礦、支護和充填等，各工序準備和實施時間較長，造成采礦效率低下［2］。如果能實現地下硬巖礦山如地下煤礦一樣真正意義上的連續(xù)開采，硬巖礦山的作業(yè)安全、生產能力及回采效率都將大大提高，而掘進機是當前最具可行性的硬巖連續(xù)開挖設備［3］。

目前，鑒于隧道施工的容許成本高且作業(yè)周期短的特點，隧道掘進機開挖與掘進機截齒破巖等方面已經取得了大量的研究成果并被廣泛工程應用［4-10］。但地下硬巖礦山利用掘進機回采礦石的實踐案例較少，如開陽磷礦磷礦石的普氏系數為14.8，屬于典型的硬巖，但是其磷礦石節(jié)理裂隙發(fā)育，用EBZ160TY 型巷道掘進機進行機械化開采取得了良好效果［3］。在地下硬巖礦山非爆破機械化開采過程中，除了考慮機械設備選型及材料耗損問題外，還應關注以下兩個方面的問題：

（1）老礦山現有工程與大型開采機械的協同問題。文獻［11］提出了“協同采礦”的概念，即在采場結構（含采場型式、結構參數和采準布置等）或采場回采工作（含地壓控制與落礦、礦石運搬）兩大方面具有合作、協調與同步等協同屬性的采礦方法。硬巖礦山機械化回采過程中，也存在現有開拓采準系統及采場結構如何適用于大型機械回采的問題。

（2）硬巖礦山，尤其是金屬礦山，礦體賦存條件復雜，礦體賦存傾角多變，厚度范圍變化大。在采用掘進機開采時，不能向煤礦那樣，綜采設備可長時間固定在特定區(qū)域進行作業(yè)［12］，掘進機礦石開采與巷道掘進機開挖也不相同，巷道尺寸是保持恒定的，而礦體厚度多變［13-15］。硬巖礦山機械化開采需要設計特殊的采切工程布置方案及選用可靈活移動的機械設備。

本研究根據湖南黃金洞礦業(yè)有限責任公司的主采礦體賦存產狀，提出了一種地下金礦非爆破機械化連續(xù)協同開采方法，進而從通風、出礦、支護和充填等方面提出了具體實施工藝，最后根據現場實踐，分析了該采礦方法及其工藝的優(yōu)勢。

1 研究背景

湖南黃金洞礦區(qū)內主采礦體為金塘3#脈和楊山莊202#脈。金塘3#礦脈受斷裂構造控制明顯，走向近EW，傾向S，傾角43°～66°，礦脈帶與圍巖界線清楚，沿斷層頂底板可見不穩(wěn)定斷層泥。礦體由含金蝕變破碎板巖及含金石英脈組成，以含金蝕變破碎板巖為主，礦脈帶金礦化不連續(xù)。楊山莊202#脈產狀、形態(tài)受斷層破碎帶控制，傾向 300°～56°，傾角 62°～72°。礦體呈脈狀產出，沿走向、傾向具有不明顯的舒緩波狀變化特征。礦化受主斷裂控制，其厚度不超過主斷裂頂、底兩個構造面，礦脈由含金破碎板巖及少量含金石英脈組成。根據相關巖石力學試驗結果［16］，金塘3#脈和楊山莊202#脈礦體巖石力學性質參數如表1所示。

雖然湖南黃金洞礦區(qū)內主采礦脈巖石強度高，但巖體內部節(jié)理裂隙發(fā)育，不能大面積暴露，容易發(fā)生冒頂等工程災害。目前，湖南黃金洞礦主要采礦方法為進路式廢石充填采礦方法，即以巷道爆破開挖方式采礦和人工廢石砌袋充填，該方法生產效率和機械化水平低，造成了井下開采所需工人多、安全性差等問題。針對上述情況，本研究提出了掘進機機械化連續(xù)開采的工作思路。

2 非爆破機械化連續(xù)協同開采方法與工藝

目前，礦山現有的開拓工程尺寸較小，掘進機無法整機開至采場，且存在掘進機開采時金屬錨桿影響連續(xù)開采等問題。因此本研究基于老開拓系統與新采礦方法采切工程相協調以及“玻璃鋼錨桿+高強纖維網+木支柱”支護、鏟運機或裝載機出礦及廢石/尾砂膠結充填等工藝相互協調的原則，提出了一種非爆破機械化連續(xù)協同開采技術。該技術涉及的非爆破機械化連續(xù)協同開采方法有4種變體，分別為薄礦脈水平分層廢石膠結充填法、薄礦脈水平分層尾砂膠結充填法、厚礦脈水平分層廢石膠結充填法和厚礦脈水平分層尾砂膠結充填法，其中薄礦脈水平分層廢石膠結充填法和薄礦脈水平分層尾砂膠結充填法適用于厚度為2.0～4.3 m 的礦脈，選擇沿礦體走向一次性全斷面開采。

2.1 機械化開采設備優(yōu)選

根據黃金洞礦區(qū)礦體賦存條件及開采技術條件，首先采用EBZ75型煤巷掘進機對楊山莊202#脈進行機械化采礦試驗，初步驗證了掘進機應用于黃金洞金礦破巖落礦的可行性。但由于EBZ75 型掘進機破巖功率較小，在無自由面的情況下，落礦效率不高。最后選定EBZ160.Z型巷道掘進機正式進行采礦試生產，取得了良好效果，兩款掘進機具體參數見表2。要實現“出礦—支護—充填”機械化連續(xù)開采，試生產中需要配置的相關設備的技術參數如表3所示。

*當鏟運機使用效果不佳時，探索使用裝載機。

2.2 薄礦脈機械化開采方法

2.2.1 薄礦脈水平分層廢石膠結充填法

薄礦脈水平分層廢石膠結充填法的基本原理如圖1所示。

（1）采場結構與參數。中段高度為40 m，采場沿礦體走向布置，采場長度為礦體走向長度，采場寬度為礦體厚度，采場不留底柱和間柱，頂柱根據情況另定。

（2）采準工程。在礦體底板掘進脈外運輸平巷，每50 m 布置一條穿脈，在脈外布置人行設備上山、溜礦井和充填井，每上一層，進行一次聯絡道放頂。每50 m 布置一條溜礦井和充填井，因采用廢石充填，溜礦井和充填井不共用，溜礦井和充填井坡度為60°～70°，規(guī)格為2.0 m×2.0 m。設備上山布置在礦體一端端部，為方便設備升層通行，設備上山采取分段式布置，每段高度為10 m，坡度為15°，規(guī)格為3.0 m×3.0 m。為便于生產，設備上山、溜礦井和充填井布置需在采礦作業(yè)前完成。

（3）回采?；夭蓴嗝嬉?guī)格為（2.5～4.0）m×3 m，第一層掘進高度為3 m，單次充填高度為2.0 m，而后每層落礦高度為2.0 m。單層采完后，所有設備退至設備上山中，采用鏟運機或裝載機進行充填。設備聯絡道靠近采場段用爆破放頂，靠近設備上山段2～3 m 利用掘進機鑿巖放頂（也可將設備退至分段平巷后，聯絡道整體采用爆破放頂）。

（4）礦石搬運。掘進機破巖時，利用掘進機自帶的刮板運輸機將礦石輸送至掘進機尾部，利用鏟運車或裝載機將礦轉運到溜井，掘進機和鏟運機連續(xù)作業(yè)，實現連續(xù)生產。

（5）充填。在充填井中下放廢石料和水泥，鏟運車將混合的廢石膠結充填料鏟運到采場并堆放充填，鏟運機可堆放高度為1.2～1.5 m，利用人工砌袋膠結充填至整體充填高度大于2.0 m，空頂高度小于1.0 m，盡量較小空頂高度。

（6）支護和巷道維護。采場支護采用玻璃鋼錨桿+高強纖維網支護，如遇破碎極不穩(wěn)固段，采用木支架補強支護，木材直徑大于18 mm，支護間距為1.5～2.0 m。錨桿支護間距設置為1.0 m×1.0 m，錨桿長度為3.0 m。礦用高強聚酯纖維網選取型號為JDPET200-200MS，其經向和緯向強度均為200 kN/m，拉伸率小于25%，選用網孔尺寸為50 mm×50 mm，幅寬為5.0 m。

（7）主要經濟技術指標。生產能力為3 800 t/月，采切比為28 m/kt，貧化率為10%～15%，損失率為12%～20%。

2.2.2 薄礦脈水平分層尾砂膠結充填法

薄礦脈水平分層尾砂膠結充填法原理如圖2 所示。該方法與薄礦脈水平分層廢石膠結充填法主要在充填和主要經濟技術指標方面存在差異，其他方面類似。

（1）充填。采用尾砂膠結充填，分層落礦高度3 m，充填高度3 m，由于金礦礦體破碎，為保證安全，實施空區(qū)接頂。下部2.0 m采用低強度配比的尾砂充填料漿進行充填，低強度充填體中不添加碎石；上部1.0 m空間采用高強度配比的尾砂充填料漿進行充填至接頂，高強度充填體中添加30%碎石。

（2）主要經濟技術指標。生產能力為5 700 t/月，采切比為28 m/kt，貧化率為10%～14% ，損失率為12%～16%

2.3 厚礦脈機械化開采方法

本研究提出采用厚礦脈水平分層廢石膠結充填法和厚礦脈水平分層尾砂膠結充填法開采礦脈厚度為4.3 m以上的礦體，選擇沿走向多次分條進路式開采。

2.3.1 厚礦脈水平分層廢石膠結充填法

厚礦脈水平分層廢石膠結充填法原理如圖3 所示。

（1）采場結構與參數。中段高度為40 m，采場沿礦體走向布置，采場長度為礦體走向長度，采場劃分進路開采，進路寬度根據礦體厚度調整，為2.5～4.0 m，采場不留底柱和間柱，頂柱根據情況另定。

（2）采準工程。在礦體底板掘進脈外運輸平巷，每50 m 布置一條穿脈，在脈外布置人行設備上山、溜礦井和充填井，每上一層，進行一次聯絡道放頂。每50 m 布置一條溜礦井和充填井，因采用廢石充填，溜礦井和充填井不共用，溜井和充填井坡度為60°～70°，規(guī)格為2.0 m×2.0 m。設備上山布置在礦體一端端部，為方便設備升層通行，設備上山采取分段式布置，坡度為15°，規(guī)格為3.0 m×3.0 m。為便于生產，設備上山、溜礦井和充填井布置需在采礦作業(yè)前完成。

（3）回采。首先沿礦體底板側進行進路式開采，回采斷面規(guī)格為（3.0～4.0）m×3 m，底板沿脈開采至礦體端部后，退回設備，將采礦進路空間整體充填，再沿走向進行下一條進路開采。采取沿走向采一條充一條再循環(huán)施工的方式，整層開采完畢后整體升層，升層后同樣采用采一條充一條的方式進行進路開采。升層方式與薄礦脈相同。

（4）采場運搬。掘進機破巖時，利用掘進機自帶的刮板運輸機將礦石輸送至掘進機尾部，利用鏟運車或裝載機將礦石轉運到溜井，掘進機和鏟運機連續(xù)作業(yè)。

（5）充填。采完一個分條后，將設備全部退至設備上山或分段平巷內。利用廢石膠結充填料對回采空間進行整體充填，利用充填井下放廢石料和水泥，鏟運車將廢石膠結充填料鏟運到采場并堆放充填，因鏟運機卸載高度受限，頂部剩余1.0～1.5 m空間采用人工廢石膠結砌袋充填，保障充填體最大限度接頂。

（6）支護和巷道維護。采場支護采用玻璃鋼錨桿+高強纖維網支護，如遇破碎極不穩(wěn)固段，采用木支架補強支護，木材直徑大于18 mm，支護間距為1.5～2.0 m。錨桿支護間距設置為1.0 m×1.0 m，錨桿長度為3.0 m。礦用高強聚酯纖維網選取型號為JDPET200-200MS，其經向和緯向強度均為200 kN/m，拉伸率小于25%，選用網孔尺寸為50 mm×50 mm，幅寬為5.0 m。

（7）主要經濟技術指標。生產能力為3 800 t/月，采切比為18.7 m/kt，貧化率為10%～14%，損失率為10%～15%。

2.3.2 厚礦脈水平分層尾砂膠結充填法

厚礦脈水平分層尾砂膠結充填法原理如圖4 所示。該方法與厚礦脈水平分層廢石膠結充填法主要在充填和主要經濟技術指標方面存在差異，其他方面類似。

（1）充填。采完一個分條后，將設備全部退至設備上山或分段平巷內。將已采的分條整體采用尾砂膠結充填，下部2.0 m 采用低強度配比的尾砂充填料漿進行充填，低強度充填體中不添加碎石；上部1.0 m空間采用高強度配比的尾砂充填料漿進行充填至接頂，高強度充填體中添加30%碎石。

（2）主要經濟技術指標。生產能力為5 700 t/月，采切比為18.7 m/kt，貧化率為9%～14%，損失率為8%～12%。

3 現場實踐

經過0.5 a 左右的機械化采礦試生產，如圖5 所示，黃金洞礦區(qū)共計掘進機回采礦石12 000 t，通過成本對比分析發(fā)現，掘進機采礦的噸礦直接成本低于傳統鉆爆法的直接成本，廢石膠結充填機械化開采和尾砂膠結充填機械化開采成本分別比鉆爆法少6.8元/t和4.6 元/t（表4）。巷道頂部全部用錨桿支護保持穩(wěn)固，由于機械回采中單層回采周期短，有利于巷道維穩(wěn)。掘進機和鏟運機配合作業(yè)，機械化程度高，可實現連續(xù)作業(yè)，大大降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率，減少了勞動力需求，提高了礦山的本質安全。

4 結 語

根據金塘3#脈和楊山莊202#脈的賦存產狀，提出了一種非爆破機械化連續(xù)協同開采技術。為了使礦體厚度與掘進機截割寬度相適應，將采礦方法分為全斷面回采及平面內分進路回采兩類，進而從采準、通風、出礦、支護和充填等方面提出了具體實施工藝。經過現場實踐，該非爆破機械化連續(xù)協同開采方法的采礦直接成本低于傳統的進路鉆爆采礦法；在采礦成本、管理成本和安全成本下降的同時，提高了回采效率，降低了勞動強度。