焦國(guó)芮，陳才賢，楊福斗，溫世平，李 恒，袁聰林

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；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；3.文山麻栗坡紫金鎢業(yè)集團(tuán)有限公司，云南 文山 663000)

緩傾斜極薄礦床開采歷來(lái)是國(guó)內(nèi)外采礦界的重大技術(shù)難題之一，該類礦床在我國(guó)分布尤為廣泛。緩傾斜薄礦脈由于礦體薄、傾角緩、作業(yè)空間有限，難以使用大型機(jī)械化設(shè)備，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、貧化損失大、生產(chǎn)成本高[1-4]。礦體傾角越小，開采難度系數(shù)越大。因此，近水平礦體開采技術(shù)的攻關(guān)對(duì)緩傾斜極薄礦床的開采有著重要意義。近水平極薄礦體的開采技術(shù)條件受到地質(zhì)條件的影響，發(fā)展較為緩慢。就目前來(lái)看，用于近水平極薄礦體的基本方法仍然是長(zhǎng)壁釆礦法、房柱法和全面法。長(zhǎng)壁式采礦法[5]具有采切量小、回采工藝簡(jiǎn)單以及機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于礦巖強(qiáng)度低的礦山。房柱法和全面法[6]用于傾角15°以下的極薄礦體時(shí)，可以釆用無(wú)軌設(shè)備或輪胎式設(shè)備來(lái)提高作業(yè)的生產(chǎn)能力。該方法存在的主要問(wèn)題是礦石損失較大、礦石回采率較低、資源利用程度低，有時(shí)需要錨桿支護(hù)，工序復(fù)雜，安全性較差。

針對(duì)近水平極薄礦床開采的技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量的研究工作，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。宋衛(wèi)東等[7-8]基于結(jié)構(gòu)力學(xué)理論提出了采用長(zhǎng)壁式采礦法回采緩傾斜極薄鐵礦，采用相似模擬實(shí)驗(yàn)，得出長(zhǎng)壁法開采緩傾斜極薄類鐵礦體圍巖移動(dòng)變化規(guī)律與破壞機(jī)理；郭燕忠[9]針對(duì)緩傾斜極薄礦體的2種可行的采礦方法(中深孔全面采礦法和削壁充填法)進(jìn)行對(duì)比分析研究；丁明飛等[10]和翟會(huì)超等[11]針對(duì)壁式削壁充填法開采在開采緩傾斜極薄礦脈中的優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化研究。

1 礦體開采地質(zhì)條件

薄礦體在南溫河鎢礦的分布范圍較廣，薄礦體礦量占到全礦儲(chǔ)量的30%，礦床整體品位較高且變化均勻。由于礦體產(chǎn)出于矽卡巖中，嚴(yán)格受層位控制，礦體頂板圍巖為二云母片巖，穩(wěn)定性較差，尤其是暴露風(fēng)化后易垮落。受此安全因素影響，曾采用電耙運(yùn)搬集礦巷直接裝車全面法進(jìn)行回采，由于采礦作業(yè)空間有限、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、貧化率大等原因，難以進(jìn)行大規(guī)模回采。

薄礦脈采場(chǎng)區(qū)域(圖1)位于礦區(qū)21線至27線3沿以西，試驗(yàn)采場(chǎng)的采深在290～360 m，礦體傾角4°左右，屬緩傾斜礦體但接近水平；礦體沿走向長(zhǎng)約470 m，厚度0.5～1.0 m不等，平均厚度0.8 m，屬極薄礦脈；礦石品位較高且分布較均勻，平均品位0.7 %，具有極高的開采價(jià)值。

圖1 極薄礦脈采場(chǎng)區(qū)域Fig.1 Stope area of extra-thin orebody

2 采礦方法

2.1 試驗(yàn)采場(chǎng)確定

擬選取東西跨度5～9沿、南北25+1～27線區(qū)域內(nèi)的礦體作為試驗(yàn)采場(chǎng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研，礦體品位分布較高，約0.7%以上，真實(shí)厚度約為0.8 m，礦體厚度變化相對(duì)均勻。

2.2 采切工程

施工沿礦體傾向的切割上山，礦房尺寸為6～8 m，礦房與礦房之間留設(shè)0.5～1.0 m條柱。于礦塊中間施工上底3.0 m、下底2.0 m、高2.0 m的“倒梯形”巷道作為落礦的受礦巷。

2.3 鑿巖爆破

受礦槽、運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷鑿巖采用YT-28氣腿式鑿巖機(jī)進(jìn)行鑿巖。以受礦槽兩幫為自由面，在受礦槽中向兩翼礦體鉆鑿與上山中線呈40°～50°夾角且彼此平行的炮孔，炮孔排列成“之”字形。一方面提高鑿巖效率，另一方面可提高礦方機(jī)械設(shè)備的利用率。

爆破采用直徑32 mm、質(zhì)量300 g的1號(hào)巖石乳化炸藥，分段起爆進(jìn)行定向拋擲爆破，回采礦石絕大部分可拋擲到出礦巷中，形成集中爆堆，利用爆破出礦的方式減少清理工作量。由于礦體厚度較小，炮孔布置采用“2-1-2”的之字形式布置炮孔，邊孔的孔口距離礦巖邊界0.1 m，孔底落于礦巖接觸面，炮孔深度3.0～4.0 m，采用導(dǎo)爆管起爆，電雷管引爆。1號(hào)巖石乳化炸藥的性能指標(biāo)見表1。

2.4 受礦槽掘進(jìn)方式優(yōu)化

受礦槽設(shè)計(jì)形狀為“倒梯形”，尺寸為上底3.0 m、下底2.0 m、高2.0 m，凈斷面為5.0 m2。對(duì)掘進(jìn)成本進(jìn)行了充分考慮，對(duì)受礦槽一次性成巷和分次成巷進(jìn)行了對(duì)比分析。切割巷長(zhǎng)度以30 m計(jì)算，成本節(jié)約2萬(wàn)元，因此試驗(yàn)采場(chǎng)受礦槽采用分次掘進(jìn)的方式，分次掘進(jìn)示意圖見圖2。

表1 1號(hào)巖石乳化炸藥性能指標(biāo)

圖2 受礦槽“先掘后采”示意圖Fig.2 Schematic diagram of "digging first and then mining" of the receiving trough

2.5 頂板支護(hù)

出礦巷道是保障薄礦體安全回采的前提。試驗(yàn)采場(chǎng)埋藏360 m，地壓顯現(xiàn)劇烈，頂板為片巖，層理性極為發(fā)育。為限制進(jìn)路兩幫整體移動(dòng)和變形，施以樹脂錨桿+穿帶支護(hù)形成聯(lián)合支護(hù)形式。樹脂錨桿可以提供較大的約束力，有效限制進(jìn)路頂板的變形；鋼筋條帶可增加進(jìn)路的整體性，有效控制桿間巖體移動(dòng)，擴(kuò)大了錨桿的支護(hù)范圍，與錨桿群結(jié)合可以抑制松動(dòng)圈的擴(kuò)大，提高進(jìn)路巷道的整體約束力。穿帶與錨桿配合支護(hù)如圖3所示。

圖3 錨桿與穿帶配合支護(hù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of combined support of anchor rod and belt

2.6 采空區(qū)處理

由于試驗(yàn)采場(chǎng)礦體較薄，僅為0.8 m左右。采場(chǎng)回采結(jié)束后可采用回填廢石或封閉方式。按照礦石松散系數(shù)理論，即使不作充填處理亦不會(huì)對(duì)相鄰采場(chǎng)造成影響，更不會(huì)有冒落至地表的風(fēng)險(xiǎn)。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

貧化是薄礦體開采面臨的最大技術(shù)難題。目前，試驗(yàn)采場(chǎng)正在開采中，從回采結(jié)束的一個(gè)盤區(qū)來(lái)看，采空區(qū)平均高度可控制為0.8 m。通過(guò)采用LS/DYNA爆破動(dòng)力學(xué)軟件，結(jié)合礦巖物理力學(xué)參數(shù)、1號(hào)巖石乳化炸藥參數(shù)、炮孔布置參數(shù)等進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化炮孔參數(shù)、裝藥參數(shù)以及導(dǎo)爆管段數(shù)，通過(guò)微差起爆方式，很好的控制了礦巖邊界，基本達(dá)到“只采礦石，不采廢石”的效果，實(shí)現(xiàn)降低貧化。開采后采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況見圖4。

圖4 爆破后現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Actual situation at the scene after blasting

薄礦體礦石損失的來(lái)源主要由采礦方法決定，條柱或點(diǎn)柱遺留會(huì)造成部分礦石損失。借助數(shù)值模擬等手段，采用FLAC3D軟件對(duì)遺留條柱的尺寸進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算采用0.5 m寬的間柱就可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的支撐，實(shí)現(xiàn)降低礦石損失的目的。

試驗(yàn)采場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式如下：

Q=W×GK×RX×RC÷GJ×P

式中：W—礦石量，t；Q—礦石實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值，萬(wàn)元；GK—試驗(yàn)采場(chǎng)礦石平均品位，%；RX—選礦回收率，%；RC—采礦回收率，%；GJ—鎢精粉品位，%；P—鎢精粉單價(jià)，萬(wàn)元。

試驗(yàn)采場(chǎng)礦石回收率90%、礦石貧化率為6%，經(jīng)計(jì)算實(shí)際礦石經(jīng)濟(jì)價(jià)值為503萬(wàn)元，扣除成本232萬(wàn)元，利潤(rùn)指標(biāo)為271萬(wàn)元。

4 結(jié)論

采用雙側(cè)側(cè)向爆破拋擲全面采礦法開采近水平極薄礦體，在技術(shù)上有了很大的突破，經(jīng)濟(jì)上取得了較好的效果。

1)經(jīng)計(jì)算由于采場(chǎng)高度較小，留0.5 m 條柱可以很好地支撐頂板，可滿足回采作業(yè)安全的需要，有效控制了采場(chǎng)地壓，防止了采空區(qū)頂板下沉。

2)由于近水平極薄礦脈崩落的礦石采用拋擲爆破技術(shù)相較于采用電耙出礦，很大程度上提高了勞動(dòng)效率，節(jié)約了成本。

3)優(yōu)化后的雙側(cè)側(cè)向爆破拋擲全面采礦法，成功解決了賦存條件復(fù)雜的近水平極薄礦體的回采難題，實(shí)現(xiàn)了高效回采的目的，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該采礦方法值得同類型礦山借鑒。