李占炎，王貽明，陳順滿

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦， 贊比亞 基特韋 22592；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083；3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院， 河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，越來越多的礦山開始轉(zhuǎn)向地下開采，使得礦山地下開采的比例越來越大[1-2]。在地下開采中，井下采空區(qū)容易失穩(wěn)，且地表堆存的尾砂也會(huì)帶來一定的安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因此，充填法在礦山的應(yīng)用越來越廣，但充填采礦方法的成本相對(duì)較高[3-4]。

針對(duì)充填采礦方法成本相對(duì)較高的現(xiàn)狀，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，胡國斌等[5]對(duì)謙比希銅礦東南礦體開采技術(shù)條件進(jìn)行了分析，將Mathew理論計(jì)算方法應(yīng)用到采場(chǎng)穩(wěn)定性的分析中，可為礦山選擇合理的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供指導(dǎo)。黃小忠[6]和查道歡[7]采用有限差分軟件FLAC-3D建立了某鐵礦三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)采場(chǎng)合理進(jìn)路尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，確定了合理的采礦工藝。賈彥州[8]將“大孔距、小抵抗線”的控制爆破技術(shù)應(yīng)用于某土堆礦區(qū)，并對(duì)其采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了礦山生產(chǎn)能力，大大降低采礦成本。蘇先鋒[9]提出了整體鋼筋混凝土假頂分層崩落法及下向分層膏體充填采礦法兩種方案，并對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采工藝進(jìn)行了對(duì)比分析，優(yōu)化出了最優(yōu)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝。張利平等[10-11]在對(duì)礦山開采技術(shù)條件和地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，對(duì)采礦工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。綜上所述，上述研究從理論公式、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等方面對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和采礦工藝進(jìn)行了優(yōu)化，提高了礦山的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，但不同礦山開采技術(shù)條件和工程地質(zhì)條件存在差異，需對(duì)不同礦山進(jìn)行針對(duì)性的研究。

為了安全、高效和經(jīng)濟(jì)地開采謙比希銅礦西礦體，本文對(duì)謙比希銅礦西礦體破碎礦巖地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，對(duì)緩傾斜中厚破碎礦體在實(shí)踐中存在的問題進(jìn)行了探討，結(jié)合礦區(qū)開采技術(shù)條件，提出了“采準(zhǔn)斜坡道+采聯(lián)布置的上向分層充填采礦法”，對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐。

1 礦山概況

1.1 礦體地質(zhì)概況

謙比希銅礦西礦體走向近東西，傾向南，礦體傾角 18°～40°，平均傾角為 30°，平均銅地質(zhì)品位為2.1%。礦體走向長(zhǎng)1400～2100 m，平均真厚度為7.36 m。礦體東部和中下部厚度較大，西部厚度相對(duì)較小，僅3～4 m。礦體屬中厚緩傾斜礦體，-300 m中段以上風(fēng)化嚴(yán)重，礦體底板以下的基底巖石和長(zhǎng)石石英巖地層穩(wěn)固性良好，礦體本身穩(wěn)固性中等。礦體頂板巖石穩(wěn)固性差，部分地段很差。

西礦體屬大水礦山，含水層主要分為礦體含水層及燧石白云巖含水層，礦體含水層和燧石白云巖含水層之間的“上部石英巖”為相對(duì)隔水層。在構(gòu)造裂隙發(fā)育的地段，兩含水層之間有弱-中等的水力聯(lián)系。礦體含水層正常涌水量15 000 m3/d；最大涌水量28 000 m3/d。如果對(duì)上盤白云巖含水層全面疏干，或者大面積采用崩落法開采，塌陷導(dǎo)致和主含水層溝通，則礦坑涌水量預(yù)計(jì)為正常（雨季）30 000 m3/d，最大40 000 m3/d。

1.2 礦體采礦現(xiàn)狀

影響采礦方法選擇的主要因素是含水層和礦巖穩(wěn)固性差，考慮到排水系統(tǒng)壓力大、排水成本高及疏水周期長(zhǎng)等因素，并且礦石含銅品位較高，因此初步設(shè)計(jì)通過多方案比較，選擇采用常規(guī)的進(jìn)路充填法開采，設(shè)計(jì)采掘比為140 m3/kt，年生產(chǎn)能力為100萬t礦石量。

西礦體-300 m中段以上已開采多年，所采用的采礦方法為常規(guī)水平分層上向充填采礦法，采場(chǎng)沿走向布置，且采場(chǎng)沿走向長(zhǎng)度為60 m，進(jìn)路尺寸為4.0 m×4.0 m（寬×高），目前采場(chǎng)生產(chǎn)能力相對(duì)較低，主要問題是采場(chǎng)數(shù)量多，生產(chǎn)作業(yè)面多，運(yùn)輸距離長(zhǎng)，管理分散，由于礦體平緩導(dǎo)致泄水系統(tǒng)無法形成，作業(yè)環(huán)境差，設(shè)備利用率和人員效率較低，直接人均采礦效率只有2.6 t/d。

2 采礦方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

采礦方法優(yōu)化的方向?yàn)榇蟊P區(qū)集中管理、大型無軌設(shè)備應(yīng)用、精準(zhǔn)高效鑿巖爆破、有效的支護(hù)方法及充填方式，確保整個(gè)采礦循環(huán)高效順暢。因此將原來的傳統(tǒng)分段巷+采聯(lián)布置的上向分層充填采礦法調(diào)整為采準(zhǔn)斜坡道+采聯(lián)布置的上向分層充填采礦法，采用高分段、大斷面、大盤區(qū)大采場(chǎng)進(jìn)行回采，以解決原采礦方法存在的問題。

選用深部-300～-500 m 的礦體作為采礦方法優(yōu)化后的設(shè)計(jì)范圍。該區(qū)域礦體走向長(zhǎng)約 1100～1200 m，劃分-400 m、-500 m兩個(gè)中段，中段高度100 m。每個(gè)中段沿礦體走向劃分3個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)長(zhǎng)約360 m。每個(gè)盤區(qū)建立單獨(dú)的運(yùn)輸、充填、排水系統(tǒng)，獨(dú)立開采。

2.1 開拓運(yùn)輸系統(tǒng)

利用現(xiàn)有的豎井提升系統(tǒng)，采用豎井加斜坡道開拓，-400 m中段采用無軌運(yùn)輸；-500 m中段采用有軌運(yùn)輸。-400 m中段礦、廢石用鏟運(yùn)機(jī)及礦用卡車通過溜井轉(zhuǎn)運(yùn)至-500 m有軌運(yùn)輸中段；-500 m中段礦、廢石直接經(jīng)盤區(qū)溜井下放到-500 m中段，由電機(jī)車運(yùn)輸?shù)截Q井，再提升至地表。

2.2 回采工藝

（1）盤區(qū)和采場(chǎng)布置。沿礦體走向每 360 m劃分為一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)水平上劃分為2個(gè)采場(chǎng)，采場(chǎng)長(zhǎng)度180 m，采聯(lián)與分段聯(lián)巷連通，布置于采場(chǎng)中間，單側(cè)長(zhǎng)度不超過100 m。兩采場(chǎng)之間留3 m的間柱不回采，設(shè)計(jì)采掘比為92 m3/kt。中段高度100 m，分段高18 m，每個(gè)分段分為4個(gè)分層。

（2）采準(zhǔn)、切割。采準(zhǔn)工程布置在礦體下盤，每個(gè)盤區(qū)設(shè)1條采準(zhǔn)斜坡道，自斜坡道掘進(jìn)分段聯(lián)絡(luò)道至每個(gè)分段，然后掘進(jìn)溜井聯(lián)絡(luò)道、采礦聯(lián)絡(luò)道通達(dá)礦體。每個(gè)采場(chǎng)設(shè)1條溜井和1條充填管纜井。充填管纜井兼做回風(fēng)泄水井。

采準(zhǔn)、切割工程主要有采準(zhǔn)斜坡道、分段聯(lián)絡(luò)道、溜井聯(lián)絡(luò)道、采礦聯(lián)絡(luò)道、礦石溜井、充填管纜井等。

（3）回采、出礦。采場(chǎng)自中間采礦聯(lián)絡(luò)道向采場(chǎng)兩端前進(jìn)式回采。進(jìn)路尺寸為（4.5～6.0）×4.5 m（寬×高），進(jìn)路間留1 m礦柱。

2.3 采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)

爆破落礦后，新鮮風(fēng)流經(jīng)中段巷道、采準(zhǔn)斜坡道進(jìn)入。通過設(shè)置在采準(zhǔn)斜坡道上的局扇和風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流經(jīng)分段聯(lián)絡(luò)道、分層聯(lián)絡(luò)道、出礦巷道壓入作業(yè)工作面，污風(fēng)通過局扇和風(fēng)筒經(jīng)出礦巷道、分層聯(lián)絡(luò)道和分段聯(lián)絡(luò)道和充填管纜井聯(lián)絡(luò)道壓入充填管纜井，然后排至上部回風(fēng)巷道，經(jīng)回風(fēng)井排出地表。

2.4 采場(chǎng)支護(hù)

由于礦體穩(wěn)定性差，加上優(yōu)化后的采場(chǎng)長(zhǎng)度從原來的60 m優(yōu)化為180 m，因此，及時(shí)有效支護(hù)是最關(guān)鍵的一環(huán)。采場(chǎng)頂板全部采用“錨桿+錨索”支護(hù)，局部破碎地方增加鋼筋網(wǎng)。錨桿支護(hù)參數(shù)：排間距1.0～1.2 m，每排10根，長(zhǎng)度2.1 m。錨索支護(hù)參數(shù)：錨索排距2.0 m，每排3～4根，長(zhǎng)度6.5 m。

2.5 采區(qū)充填系統(tǒng)

地表膏體充填站→西部充填管纜井→-400 m中段運(yùn)輸巷→盤區(qū)充填回風(fēng)泄水井→采聯(lián)→采場(chǎng)端部。采用膏體充填，基本沒有泄水，為采礦標(biāo)準(zhǔn)化提供了基礎(chǔ)條件。

2.6 盤區(qū)生產(chǎn)能力及設(shè)備配置

謙比希銅礦西礦體，以盤區(qū)為單位配備大型高效鑿巖臺(tái)車，根據(jù)臺(tái)車配備鏟運(yùn)機(jī)、錨桿臺(tái)車和錨索臺(tái)車，達(dá)到生產(chǎn)能力高效組合。

圖1、圖2和圖3為礦山正在使用的雙臂自動(dòng)化鑿巖臺(tái)車、自動(dòng)化注漿錨索臺(tái)車和自動(dòng)化計(jì)量稱重鏟運(yùn)機(jī)，采場(chǎng)鑿巖采用電腦版雙臂鑿巖臺(tái)車施工水平炮孔，采用裝藥車裝藥，非電爆破。爆破通風(fēng)完畢后，用撬毛車撬毛，然后由14 t鏟運(yùn)機(jī)出礦，鏟運(yùn)機(jī)斗容7 m3，鏟運(yùn)機(jī)平均運(yùn)距200 m。鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)采場(chǎng)進(jìn)路將礦石卸入礦石溜井。出礦完畢后即用錨桿、錨索臺(tái)車對(duì)頂板進(jìn)行錨桿、錨索支護(hù)，錨桿網(wǎng)度1.0 m×1.0 m，錨索網(wǎng)度2.0 m×4.0 m；每個(gè)采場(chǎng)進(jìn)路開采完畢后進(jìn)行充填擋墻構(gòu)筑等準(zhǔn)備工作，隨后進(jìn)行膏體充填，灰砂比為 1:12～1:16。按照工藝循環(huán)及設(shè)備參數(shù)測(cè)算，盤區(qū)生產(chǎn)能力單進(jìn)路回采為每天450 t，年15萬t，雙進(jìn)路以上回采為每天750 t，年25萬t。2個(gè)中段6個(gè)盤區(qū)設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120萬t，設(shè)計(jì)比-300 m中段以上常規(guī)進(jìn)路分層充填法的100萬t年生產(chǎn)能力，提高了20%，采掘比降低42 m3/kt。

圖1 雙臂自動(dòng)化鑿巖臺(tái)車（M2C）

圖2 自動(dòng)化注漿錨索臺(tái)車（Cabletec LC）

圖3 7 m3自動(dòng)化計(jì)量稱重鏟運(yùn)機(jī)（ST14）

3 采礦方法設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)施

3.1 大盤區(qū)設(shè)備人員的集中管理

每個(gè)盤區(qū)都有獨(dú)立的運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、充填系統(tǒng)，為了確保有足夠循環(huán)的作業(yè)面，充分發(fā)揮設(shè)備的能力，按照就近集中的原則，將6個(gè)盤區(qū)劃分為兩個(gè)大采區(qū)，各配置一套設(shè)備和人員，集中管理。

3.2 實(shí)施效果

3.2.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

根據(jù)謙比希銅礦西礦體的開采情況，綜合分析了2016年、2017年、2018年和2019年礦山的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，2016年-300 m中段以上基本達(dá)到初步設(shè)計(jì)的產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了年采礦量達(dá)到98.8萬t；2017年按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)開始施工，逐步投產(chǎn)，通過三年的調(diào)整，2019年達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了采礦量達(dá)到125萬t，直接人均采礦效率達(dá)到7.5 t/d，是2016年的2.8倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。具體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.2.2 設(shè)備更新?lián)Q代投資

為了提高礦山的生產(chǎn)能力，完成礦山生產(chǎn)工藝的改造，投入了大量的設(shè)備，且這些設(shè)備投資全部采用年度設(shè)備更新資金，3年總投資1800萬美元，其中使用3年的常規(guī)年度更新資金1500萬美元，新增投資300萬美元，2020年已全部收回。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)謙比希銅礦西礦體上向分層充填采礦法的優(yōu)化，從集中管理的理念出發(fā)，將原來的采準(zhǔn)巷道平面布置改為立面布置，適當(dāng)增加生產(chǎn)系統(tǒng)工程配置，減少原采礦方法中的分段運(yùn)輸巷道，總的采掘比有所降低，實(shí)現(xiàn)了盤區(qū)獨(dú)立開采，為設(shè)備、人員的集中管理奠定了基礎(chǔ)。

（2）西礦體緩傾斜中厚破碎礦體受大量地下水的影響，屬難采礦體，適合采用水平分層充填采礦法。通過對(duì)采礦方法進(jìn)行優(yōu)化，并配置大型化設(shè)備，提高了資源利用率，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

（3）該采礦方法的優(yōu)化貫穿大型設(shè)備及采礦現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，專業(yè)化的無軌設(shè)備維保，信息化管理，以及管理制度實(shí)施，為該方法的實(shí)施提供了保障可為類似礦山提供借鑒。

（4）通過對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采場(chǎng)長(zhǎng)度從原來的60 m優(yōu)化為180 m，因此，需及時(shí)支護(hù)以確保采礦安全。