刘 涛,姜培根,乔俊斌,白腾飞,任 基

(1.山东黄金矿业(玲珑)有限公司; 2.中南大学资源与安全工程学院)

薄矿脉在钨、锡、黄金等贵重金属矿山较为常见[1]。随着地下工程逐渐向深部发展,薄矿脉开采被认为是贵重金属尤其是黄金的主要开采来源[2-4]。然而,薄和极薄矿脉的开采方法一直是黄金矿山的难题之一。由于薄矿脉采准切割工程量大,采切比高,大型设备和机械很少使用,容易导致矿房生产效率低、矿石贫化率高等问题[5]。随着矿山开采深度的增加,地压显现,且采空区未充填,造成开采难度越来越大,顶板冒顶事故频发,这严重威胁到地下作业人员的生命安全,造成矿山资源财产的损失,进而影响矿山的生产效能和经济效益。传统的工艺与技术(如浅孔留矿采矿法)已不能适应薄矿脉的开采,不仅采矿效率低,且安全性较低[6-7]。因此,需要寻找新工艺与新技术,突破薄矿脉条件与技术条件的瓶颈[8-14],以实现薄矿脉的安全高效开采。

1 工程概况

山东黄金矿业(玲珑)有限公司(下称“玲珑金矿”)共圈出有资源储量的矿体213个,其中单矿体规模属大型的(>500 m×500 m)有4个,规模属中型的有17个,规模属小型的有192个。矿体形态简单,绝大多数呈脉状产出,倾角50°～80°,水平厚度一般为0.8～2.0 m,出露岩石主要为中粗粒二长花岗岩和片麻状中细粒二长花岗岩,属典型的石英脉型金矿床,矿床较为稳定。九曲分矿是玲珑金矿的主要开采矿段之一,其急倾斜薄矿脉一直采用浅孔留矿采矿法开采。随着矿山开采深度的增加,地压显现,且采空区未充填,导致开采难度越来越高,顶板冒顶事故频发,继续使用浅孔留矿采矿法开采,工人长时间暴露在顶板下作业,作业环境危险。鉴于此,矿山开展了脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法试验研究,优化采矿工艺,以实现玲珑金矿急倾斜薄矿脉的安全高效开采。

2 顺路天井中深孔嗣后充填采矿法

以玲珑金矿九曲分矿-150 m中段9#支7173采场为例加以说明。采场矿体倾角为85°左右,平均厚度1.04 m,矿体上下盘均为玲珑花岗岩,与主构造相连,岩石稳固性强。

2.1 方法概述

脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法如图1所示,即在采场顶部留设顶柱,中间布置1条顺路天井作为人行通风通道,同时利用该顺路先自上而下施工所有炮孔,然后自下而上逐层爆破,爆落的矿石自重落入采场底部,采用铲运机出矿的平底出矿穿底部结构,用铲运机装入矿车运走。矿房回采及出矿结束后,及时封堵各个出矿穿脉,采用上部中段废石及尾砂充填采空区。主要采场要素为:采场长30 m,高40 m,矿体厚度≤0.6 m时,采幅0.6～0.8 m;矿体厚度>0.6 m时,采幅为矿体实际厚度。

图1 脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法示意图

2.2 采准工程

2.2.1 主要采准工程

主要采准工程有脉外巷(2.5 m×2.5 m)、出矿穿脉(2.2 m×2.3 m)、顺路天井(2.7 m×1.5 m)等。

2.2.2 采准巷道支护

在进行采准工程时,需要及时对巷道进行支护,保障作业的安全性。依据《玲珑金矿采掘工程支护管理规定(暂行)》,巷道(含脉外巷、出矿穿脉)为Ⅲ级岩体,采用锚杆支护。锚杆选用长1.8 m、φ40 mm的管缝式锚杆,支护网度根据岩石稳固情况可适当调整。脉外巷支护如图2所示,出矿穿脉支护如图3所示。脉外巷为拱形断面,挂网穿带,顶部锚杆支护网度为900 mm×900 mm,两帮锚杆支护网度为1 000 mm×1 000 mm;出矿穿脉锚杆支护网度为1 000 mm×1 000 mm;而顺路随上掘进行正规木支护,直至贯通上部中段。

图2 脉外巷支护示意图

图3 出矿穿脉支护示意图

2.2.3 施工顺序

首先施工脉外巷,然后施工出矿穿脉和顺路天井,且顺路天井提前与上部中段贯通。顺路天井布置在脉内,采用YT-28钻机全断面一次成形。

顺路天井施工过程中,每上掘1 m,在上下盘钻凿4个平台固定孔,每3 m钻凿1个梯子固定孔,以便于上部中段提升设备及钻机安装。

2.3 回采工艺

采准切割工程结束后,即可进行回采。回采工艺主要包括凿岩、装药爆破、通风、出矿、破碎大块等。

2.3.1 凿 岩

采用自主研发的吊罐钻机一体式作业平台(如图4所示)进行凿岩作业。吊罐钻机一体式作业平台由底座、丝杠、下盘滑轮、前后轨、上下轨、安全防护栏及安全盖板组成。其中,YGZ-90钻机通过焊接固定于作业平台上,且可通过前后轨、上下轨前后上下移动,操作灵活方便;同时在吊罐下盘面布置滑轮,便于吊罐上下移动,而丝杠可顶住顺路上下盘从而固定平台。

图4 吊罐钻机一体式作业平台

吊罐下放至施工高度后,将吊罐底部的丝杠顶住顺路上下盘从而固定吊罐。均固定牢靠后,先向采场一侧采用水平炮孔(水平上仰3°)施工2排炮孔,孔深15 m,炮孔采用“之”形布置。之后将钻机旋转180°向另一侧施工炮孔。施工完毕,下放吊罐至合适位置继续施工炮孔,直至所有炮孔施工完成。

2.3.2 装药爆破

通过绞车下放吊罐至各炮孔高度,人员在吊罐内对炮孔进行装药,第一次装4排药,起爆下面2排,上面2排提前装药,防止炮孔挤压破坏。采用颗粒状的乳化炸药,装药长度14 m,炮泥堵塞长度1 m,每次爆破2排。

爆破采用耦合连续装药导爆索+导爆管雷管联合起爆网络,非电导爆管微差起爆系统起爆,采用DBG-3C型远距离击发器引爆。

2.3.3 通风、出矿

爆破后保持局扇正常运转,通风20 min后方可进行作业。通风结束后,出矿人员在采场底部采用铲运机出矿。

2.3.4 采空区充填

矿房回采及出矿结束后,及时封堵各个出矿穿脉,封闭采空区,同时采用上部中段废石及尾砂进行采空区充填。采场全部采用1∶4胶结充填,充填体养护28 d,抗压强度不小于5 MPa。

2.4 中深孔孔网参数

中深孔孔网参数布置遵循“多打孔,少装药”的原则,尽可能控制采场采幅,降低矿石贫化率,并尽可能减少爆破振动对上下盘围岩的影响。

2.4.1 炮孔直径

炮孔直径决定了装药量和施工凿岩速度,炮孔直径的大小对延米崩矿量、大块率、最小抵抗线有直接影响。根据国内中深孔爆破工程经验,接杆钻凿中深孔的炮孔直径一般为55～65 mm;潜孔凿岩的炮孔直径一般为90～120 mm。而国外矿山在极薄、薄矿体中深孔爆破回采的炮孔直径一般为41～65 mm,且大多采用51 mm(2.0英寸)合金钻头钻凿51～53 mm的炮孔。例如,诺顿金田采用50 mm钻头配合乳化炸药车回采2～3.5 m岩金矿脉取得了较好的效果。因此,确定炮孔直径为50 mm。

2.4.2 最小抵抗线

对于薄矿脉的回采,其自由补偿空间不足、上下盘围岩对矿体夹制力大是中深孔回采爆破的一大突出特征。

1)按爆破设计手册计算最小抵抗线。

W= (25～30)d

(1)

式中:W为最小抵抗线(m);d为炮孔直径(m)。

经计算,W=1.25～1.50 m。即最小抵抗线为1.25～1.50 m。

2)按爆破漏斗试验。基于先前硬岩爆破漏斗试验结果,采用利文斯顿爆破漏斗相似模型理论,得出不同炮孔直径的最小抵抗线如表1所示。由表1可知,炮孔直径为50 mm时,推荐最小抵抗线为0.9 m。因此,最终确定最小抵抗线为0.9 m,孔底距为1.2 m。

表1 硬岩不同孔径最佳孔网参数

3 应用及效果

脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法在采场中间布置1条顺路作为人行通风通道,同时利用该顺路先自上而下施工所有炮孔,然后自下而上逐层爆破,在采场底部布置出矿工程进行后期出矿。该方法采用自主研发的吊罐钻机一体式作业平台进行采场一次性凿岩装药,矿石爆落后通过底部出矿穿结构出矿,实现了采场无人化管理,生产效率及作业安全性大大提高。其主要技术经济指标如表2所示。

表2 主要技术经济指标

由表2可知:虽然脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法采矿直接成本略高于浅孔留矿采矿法,但采矿效率提高了47 %,采矿损失率从8.00 %降低到1.19 %,矿石贫化率从22.5 %降低到12.6 %,且人员在底部出矿穿结构出矿,安全性大大提高。

4 结 语

随着玲珑金矿开采深度的不断增加,矿山所面临的压力也在逐步增加,矿体赋存条件、节理裂隙发育程度也在上升,传统的采矿方法如浅孔留矿采矿法已不再适用。当前地下矿山的发展趋势是中深孔大规模强化开采,中深孔开采过程中,人员在凿岩巷道中作业,与浅孔留矿采矿法人员在矿体顶板下作业相比,采矿安全性大大提高,同时其生产能力大,机械化程度高,生产效率高。

为此,本文提出一种脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法,即在采场顶部留设顶柱,中间布置1条顺路天井作为人行通风作业通道。现场应用实践表明:脉内顺路天井中深孔嗣后充填采矿法大大提高了工作人员作业的安全性,同时其具有生产能力大、机械化程度高、生产效率高等优点,具有显著的经济效益及社会效益,可在类似矿山中推广应用。