曲永貴

某金礦位于湖南省岳陽市平江縣萬古礦區(qū)西北部，礦區(qū)面積0.2083 平方公里，礦區(qū)為千古金礦21 號礦床東段，開采深度為220m ～+50m 標(biāo)高。該金礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力在每年生產(chǎn)礦石8.5萬t/a 礦石量。按照生產(chǎn)要求，采礦設(shè)計(jì)標(biāo)高至+65m。由于無法系統(tǒng)地開展地質(zhì)調(diào)查工作，礦山資源儲量未明確。采礦采用淺孔留法，貧化率高，安全工作不到位，重大生產(chǎn)安全事故發(fā)生率高。為了更好地利用礦山資源，提高效率，在保證礦山生產(chǎn)安全的同時，最大限度地提高產(chǎn)能，必須探索和自主創(chuàng)新適合金礦的安全有效的開采方式。

1 金礦開采技術(shù)及采場可靠性分析

削壁充填采礦法已應(yīng)用于金屬礦山的開采，取得了良好的工程和經(jīng)濟(jì)實(shí)用效果；明確提出采用機(jī)械自動化水平和分級削壁充填開采方法的實(shí)驗(yàn)和研究，在極薄急傾斜的金礦床開采工作中，取得了良好效果，產(chǎn)量得到進(jìn)一步提高；目前，采用削壁充填法開采桂花樹錫礦緩斜極薄礦體已取得成功；研究者對挖掘機(jī)加長臂切割充填法、斜分層切割充填法、向上切割充填法、扇形向上切割充填法、機(jī)械自動切割和填充方法等進(jìn)行分析，進(jìn)一步明確了削壁充填采礦法的應(yīng)用效果。開采急傾斜、極薄礦體的實(shí)際效果顯著，提高了安全性能，大大降低了開采的損失率和貧化率。

基于上述削壁充填開采法在礦山生產(chǎn)過程中的成功開采經(jīng)驗(yàn)，建議選擇該法作為金礦極薄礦體的開采方式，并確定開采標(biāo)高在+65m 以上，通過分析論證確定采礦技術(shù)參數(shù)，確保采礦工藝的優(yōu)越性，為今后安全生產(chǎn)帶來保障。削壁充填法是一種用于開采極薄礦脈的干式充填法。先開采巖石還是先開采圍巖，應(yīng)根據(jù)礦石巖石的物理性質(zhì)和物理性質(zhì)對開采方式加以明確。該采礦方法適用于賦存穩(wěn)定、與圍巖接觸明顯、易分離的礦脈，圍巖無礦石或呈緩傾斜、急傾斜的極薄礦體。

2 巖石力學(xué)主要參數(shù)測試

為更加有效地評價金礦頂?shù)装鍘r石水文地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在李屋毛坡房村和海工灣瓦子房村的采場和巷道中選取了2 種不規(guī)則巖層標(biāo)本，對148 組使用DH-1 點(diǎn)載荷儀進(jìn)行點(diǎn)載荷試驗(yàn)。根據(jù)對試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，對不規(guī)則巖樣點(diǎn)荷載、巖層抗拉強(qiáng)度σc、巖層抗壓強(qiáng)度指標(biāo)值Is（50）、抗壓強(qiáng)度σt 進(jìn)行了測量計(jì)算。由于巖樣規(guī)格受到抗壓強(qiáng)度指標(biāo)值的影響比較大，為驗(yàn)證得到的不規(guī)則巖樣I 值的準(zhǔn)確性，選用數(shù)學(xué)回歸分析方法，分析樣品的總載荷（P）與芯徑（De）之間的相關(guān)性。并在回歸曲線上找到與De2=2500mm2配對的P50 值。根據(jù)計(jì)算公式I（50）=P/2500，得到點(diǎn)荷載抗拉強(qiáng)度I（50），進(jìn)一步測得多元回歸分析結(jié)果σc 和σt。經(jīng)比較，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析的依據(jù)與多元回歸分析的結(jié)論一致。

測量金礦石軟巖的抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度的測定是將采集的巖石試樣置于壓力試驗(yàn)機(jī)上，以規(guī)定的加載速率（0.1mm/min）加載，直至試樣破壞，根據(jù)試件斷裂時增加的承載力P，可以用試件的橫截面A 來測量巖層的單軸抗壓強(qiáng)度S0。通常，表面單軸拉伸強(qiáng)度的測量值有很大的偏差。因此，為了獲得可靠的平均單軸抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度值，每組試件數(shù)量不少于3 個。在測定巖石的抗拉、抗壓強(qiáng)度時，在進(jìn)行巖石拉伸試驗(yàn)時，將試件制成圓盤狀，放在壓機(jī)上進(jìn)行壓裂試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)試件受集中承載力的影響。

3 巖石水文地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量評議研究

該礦的巖石水文地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、含量結(jié)構(gòu)角礫巖和含量石英脈帶聚集在一起，常常位于淺層石英砂巖和冷家溪組平原組構(gòu)造裂隙粉碎帶中，方向?yàn)槲鞅逼?，趨勢為北東向，它的發(fā)生沿方向和趨勢發(fā)生了很大的變化，礦床長100m ～150m，厚0.3m ～1.2m。礦床內(nèi)容物為構(gòu)造角礫巖，除部分密實(shí)的硅質(zhì)細(xì)粉砂外，一般為斷塊泥粉砂細(xì)砂，巖層太軟，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性能差。結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度低。在頂部和底部，破碎石英砂巖多由構(gòu)造振蕩產(chǎn)生，薄至0.6 ～6.95m，有的為斷塊糜棱巖，巖層軟，構(gòu)造松散，水文地質(zhì)不穩(wěn)定。

礦體出露標(biāo)高為200m ～230m。開采設(shè)計(jì)最低標(biāo)高為-30m。礦體傾斜深度約200m，礦體走向長度約350m。礦體呈片狀、硅化，由構(gòu)造角礫巖、含石英脈、含硅化碎砂石英砂巖組成。單個礦體最大金品位為6.28×10-6，礦體平均品位為3.66×10-6。設(shè)計(jì)海拔160m 以下，金礦品位相對穩(wěn)定。礦體厚度0.35m ～10m，平均壁厚0.63m，礦體平均傾角63°，屬急傾斜極薄礦體。

新巖層密度高、硬度大，抗彎抗拉強(qiáng)度高，可靠性好。部分礦層頂部和底部裂縫的生長和發(fā)育導(dǎo)致巖層的堅(jiān)固性降低。礦體軟巖為冷家溪群坪組二段第四巖段，多為淺灰色、淺灰綠色至灰綠色粉質(zhì)砂質(zhì)板巖和砂質(zhì)石英砂巖。礦石巖石硬度好、密度高、透水性差。

根據(jù)金礦區(qū)地形地貌、礦巖分布及軟巖特征，結(jié)合巖層物理力學(xué)指標(biāo)值，將金礦附近的軟巖（包括斜面和球面）根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組成規(guī)則進(jìn)行劃分。在巖組中，斷裂調(diào)查的地點(diǎn)在礦體中心區(qū)-140m 沿脈的金礦上，砂巖群正斷層裂隙相對密度等值線及立體投影現(xiàn)場勘察如圖1 所示：

圖1 砂巖群正斷層裂縫相對密度等值線及立體投影現(xiàn)場勘察

該巖層為冷家溪群坪源組二段第四巖段（PT、P2-4），它是淺灰色和淺灰綠色變體，位于礦體的上部，該巖組的巖體結(jié)構(gòu)具有粒狀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度低的特點(diǎn)。重點(diǎn)生長發(fā)育9°∠83°、323°∠44°、56°∠55°3 組剪切節(jié)理，節(jié)理表面有石英脈、砂質(zhì)填充物，平均體積接頭相對密度為16.28bars/m3，計(jì)算出的RQD 值為45.16%，整體硬度不高，可靠性一般。Ⅲ、Ⅳ級構(gòu)造嚴(yán)重影響巖體的變形和破壞。如果金礦工程布置在此處的巖組中，應(yīng)改進(jìn)錨桿支護(hù)，避免巖體坍塌，礦石巖石群的關(guān)鍵物理力學(xué)性能為：RC=39.77-64.46MPa，Rt=1.54-2.49MPa。

4 采場安全開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

采場可靠性分析采用Mathews 法，基于穩(wěn)定性指標(biāo)N 和外觀要素（水力坡度）HR，可采用Mathews 法采場可靠性進(jìn)行分析。

在分析過程中，已知參數(shù)Q′為調(diào)整后的Q 值；A 為巖層應(yīng)力指數(shù)，細(xì)部巖體的雙軸抗拉強(qiáng)度與平行平面基坑開挖面較大誘導(dǎo)應(yīng)力的比值；B 為節(jié)理方向指標(biāo)，根據(jù)分區(qū)規(guī)劃，節(jié)理與采場面的相對方向明確；C 為重力調(diào)整指標(biāo)，考慮到重力對采場裸露面的可靠性危害，如坍塌、滑移等，重力調(diào)整指標(biāo)C 與采場面傾角有關(guān)，計(jì)算方法為C=8-6COS（采場工作面傾角的警示度數(shù)）。

調(diào)整后的Q 值如表1 所示。

表1 Q′值計(jì)算結(jié)果

此階段的坍塌不僅威脅采場工作的安全，而且增加了礦石的破壞和貧化率。因此，為保證金礦采場作業(yè)安全，必須改變目前的地下開采方式，采用安全程度高的削壁充填開采方式。

5 采場下盤錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

近年來，由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采的礦山數(shù)量逐漸增多。例如，中國首鋼集團(tuán)通州鐵礦、城鋼梅河口鐵礦、銅山銅礦、鳳凰山銅礦和廣西大新錳礦等：海外主要有巴西的科菲方丹鉆石礦、澳大利亞的蒙特雷爾銅礦和基德-澳大利亞的克里克銅礦。露天轉(zhuǎn)地下開采的突出問題之一是如何保證采場的穩(wěn)定性，這也是影響地下礦山安全高效開采的關(guān)鍵因素。地下采場穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于采場軟巖體、開采內(nèi)應(yīng)力、采場外觀的工程特征，采場穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵是開采作業(yè)經(jīng)驗(yàn)法、基礎(chǔ)理論分析法和有限元分析法及其現(xiàn)場檢測方法。

Hutchinson 和Diederichs 根據(jù)楔形形塊拱（梁）的基本理論計(jì)算了錨索的間距，錨索將巖石變成具有自承工作能力的拱或梁，以抵抗巖石的彎曲變形。他們明確提出了可靠性指標(biāo)值縱軸和水力半徑R 為錨索設(shè)計(jì)方案區(qū)間數(shù)據(jù)圖相同總面積的橫軸；根據(jù)現(xiàn)澆板結(jié)構(gòu)加筋拱梁可靠度分析及上覆巖層重量計(jì)算，當(dāng)錨索鋼筋的錨固長度超過破壞面積時，可以保證被破壞區(qū)域的地區(qū)穩(wěn)定。如果進(jìn)一步增加錨索的長度，則不能提高交叉索的實(shí)際支撐效果?，F(xiàn)澆板長度和無支護(hù)采場左右板長度分別為52.5m、35.84m 和12.11m。其中，穩(wěn)定長度在沒有球體支撐的情況下較短，不能滿足礦山生產(chǎn)要求。因此，采場球必須由錨索支撐，其中水力半徑取穩(wěn)定區(qū)的最小值；當(dāng)采場被球支撐時，允許采場球向37.4m 的長度移動。

金礦采場不支護(hù)時，下盤水平位移最大為19.3mm，變形小，采場下盤塑性區(qū)較大，說明采場存在可靠性問題。數(shù)值計(jì)算方法和工作經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測分析的結(jié)論是一致的，采場下盤支護(hù)采用長預(yù)應(yīng)力錨索后，下盤的大水平位移和塑性區(qū)范圍明顯減小。采礦區(qū)最大水平位移由19.3mm 減小到11.6mm，塑性區(qū)由3.5m減小到1.5m。有限元分析結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)能夠保證采場的巖石穩(wěn)定性。結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)、巖石質(zhì)量分級、巖石結(jié)構(gòu)力學(xué)主要參數(shù)測量與計(jì)算，選用可靠度圖方法和標(biāo)準(zhǔn)值分析方法，實(shí)現(xiàn)金礦采場北段采場結(jié)構(gòu)主要參數(shù)分析，應(yīng)用Mathews可靠度圖，經(jīng)計(jì)算，在無支護(hù)情況下，采場所采用的現(xiàn)澆板、掛墻和底墻的最大長度分別為52.5m、35.84m 和12.11m，反而有可能不能滿足礦山開采生產(chǎn)的要求。充分考慮現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境和施工條件，顯然較大的采場很可能出露長度為34m。研究者的分析結(jié)果表明，采場發(fā)生了較大范圍的塑性破壞。采場下盤的數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)圖法可知，采場下盤支護(hù)的主要參數(shù)為：網(wǎng)孔尺寸為2.0m×2.0m，交錯索長度為8m。根據(jù)數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證，下墻選用預(yù)應(yīng)力錨索后，水平位移和延性面積顯著減小。

6 削壁充填開采法的應(yīng)用

削壁充填開采法廣泛應(yīng)用于極薄貴金屬礦體，在金礦的開采應(yīng)用中成效顯著。

6.1 礦塊布局及組成因素

充分考慮到該金礦床地質(zhì)條件變化較大，開采技術(shù)條件復(fù)雜。因此，礦塊沿走向布置，礦塊長度為30m ～40m，中段高度不宜過大，一般為30m ～40m，一般不留間柱，頂柱、底柱的高度為2m ～4m，當(dāng)?shù)V石品位很高時，用剛性鋼筋混凝土假底，厚度0.5m，開采寬度一般超過1.2m。

6.2 工作面出礦

（1）開采順序。礦塊的開采順序是按照，中段之間從上到下，礦塊是從中間向兩邊，逆傾向開采方式。礦塊長約40m，當(dāng)?shù)V體長度小于40m 時，礦塊長度以礦體長度為準(zhǔn)。

（2）鉆孔和爆破。使用YSP-45 鑿巖機(jī)鉆孔，炮孔深度和裝藥量應(yīng)考慮不損害頂部現(xiàn)澆板坯，采用控制爆破技術(shù)。為防止礦石或高品位粉礦崩落到充填材料上而造成損失，將橡膠板鋪在地板上作為基礎(chǔ)墊層，可多次回收利用。

（3）礦石運(yùn)輸。根據(jù)礦山開采情況，礦石崩落后，人工篩選礦石，選出廢石充填到采空區(qū)。將礦石運(yùn)送到溜槽卸料，然后將礦石從料斗提升到地表。

（4）采場支護(hù)?？蛇x擇單柱支撐點(diǎn)，單柱可以是立柱或金屬材料支撐。

（5）采場通風(fēng)。工程爆破后，首先采用機(jī)械通風(fēng)，排除炮煙。新鮮風(fēng)流經(jīng)通風(fēng)人行天井進(jìn)入采場，沖刷工作面后，進(jìn)入上中段回風(fēng)巷道，排出地表。

7 結(jié)語

綜上所述，削壁充填采礦法結(jié)合礦體和圍巖的穩(wěn)固程度展開工作，可進(jìn)一步降低采礦損失率和貧化率，有效提升采場出礦效率。礦石采出后，將廢石充入采空區(qū)，同時完成了采空區(qū)治理，確保了礦山安全生產(chǎn)。