寧彥紅(鵬欣環(huán)球資源股份有限公司,上海200336)

1 前言

1.1 工程概況

南非某金礦位于南非西北省Klerksdorp 地區(qū),是一個(gè)年采選100 萬(wàn)t 的大型礦山,自1931年建成投產(chǎn)至今已有90年歷史,2000年最高生產(chǎn)能力149.66 萬(wàn)t,產(chǎn)金15.448 t,采礦方法主要為全面法,7 個(gè)礦井最深已經(jīng)開(kāi)拓至2 325.9 m,一期工程1 000 m高度以上的30 個(gè)中段已經(jīng)回采結(jié)束,目前進(jìn)入二、三期工程。設(shè)計(jì)高度為1 000～2 200 m 的32～70中段,礦山開(kāi)拓方式為礦體兩翼及中間布置1-7#豎井。

1.2 礦床開(kāi)采技術(shù)條件

礦區(qū)氣候?yàn)榈湫偷哪戏歉咴菰瓪夂?夏季氣溫22 ℃～34 ℃,冬季(5月～7月)平均氣溫為15.5℃,該地區(qū)氣候不會(huì)對(duì)該礦生產(chǎn)作業(yè)造成任何影響;礦區(qū)地形平坦,伴隨著一些起伏的丘陵,海拔在1 300～1 350 m。西北省是林波波河源頭(包括東流至印度洋的格羅特馬里科河)及奧蘭治-瓦爾河水系多條支流(如西流至大西洋的莫洛波河)的分水嶺,擁有大量的地下水儲(chǔ)備,該金礦開(kāi)采深度在地下800～2 300 m[1]。

1.3 水文地質(zhì)

礦區(qū)主要含水層火山熔巖風(fēng)化裂隙弱含水層,發(fā)育于似硬結(jié)隔水層的下部,下伏為隔水性能強(qiáng)的火山熔巖隔水層。該含水層具有補(bǔ)給條件差,富水性弱,地下水為潛水,局部承壓。雖為礦床主要充水水源,但由于有礦床上覆火山熔巖相隔,且隔水層構(gòu)造裂隙和斷層破碎帶既不含水也不導(dǎo)水,不會(huì)直接充水礦床;隔水層巖體穩(wěn)定性強(qiáng),也不會(huì)產(chǎn)生陷落柱,更不會(huì)有孔隙和巖溶通道。充水含水層地下水與礦床地下水水力聯(lián)系弱,間接充水礦床的水量小。礦區(qū)所有礦體雖然埋深于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下的深部,礦坑涌水無(wú)法自然排泄,但礦坑涌水量小,長(zhǎng)期穩(wěn)定在1 000 m3/d,因此礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

1.4 環(huán)境地質(zhì)

礦區(qū)位于卡普瓦爾(Kaapvaal)克拉通西北部,也是蘭德凹陷盆地西北部邊緣。自然(構(gòu)造)地震頻度低、震級(jí)小,礦區(qū)附近2014年8月5日發(fā)生的5.5 級(jí)地震為誘發(fā)淺源地震,屬內(nèi)力地質(zhì)作用相對(duì)較弱的穩(wěn)定區(qū)塊。礦區(qū)鉆孔巖心沒(méi)有餅化跡象,河流切割較淺,沒(méi)有陡崖和深谷地貌,井下開(kāi)拓也沒(méi)有巖爆反應(yīng),說(shuō)明沒(méi)有大的殘余應(yīng)力聚集,屬非高原應(yīng)力區(qū)。殘余應(yīng)力低的穩(wěn)定區(qū)塊有利礦山安全生產(chǎn)和建設(shè)。

礦區(qū)地形平坦開(kāi)闊,沒(méi)有產(chǎn)生山巖開(kāi)裂、崩塌、滑坡的地貌條件;礦床埋深大,上部巖體穩(wěn)定性強(qiáng),也沒(méi)有產(chǎn)生地面塌陷和開(kāi)裂的工程地質(zhì)條件;礦坑涌水量小,隔水層隔水性能好,礦坑排水和生產(chǎn)用水不會(huì)大幅度改變水循環(huán)條件和水化學(xué)環(huán)境。深部開(kāi)采也不會(huì)引發(fā)水土流失、土地肥力減弱及土壤侵蝕等損壞土地問(wèn)題。礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件良好[2]。

2 目前采礦方法弊端及采礦方法選擇

2.1 采礦方法弊端

隨著開(kāi)采深度的增加,該金礦多年來(lái)形成的全面法回采已經(jīng)很成熟,但是出現(xiàn)貧化率損失率偏高、回采礦量不足、采場(chǎng)出礦困難、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低下、機(jī)械化程度低、生產(chǎn)成本上升、原提升系統(tǒng)自動(dòng)化程度低,不能夠滿足大規(guī)模采出礦生產(chǎn)等問(wèn)題。

2.2 采礦方法選擇

礦山二期工程設(shè)計(jì)服務(wù)年限30年,二期工程控制的礦體主要是地下1 000～2 200 m,仍然是緩傾斜、薄礦體、礦巖穩(wěn)固類型,生產(chǎn)能力120 萬(wàn)t/年,經(jīng)2020年補(bǔ)充深部勘探至地下3 000 m,深部仍然具有較大資源量。

針對(duì)本礦生產(chǎn)現(xiàn)狀,除了提升運(yùn)輸工藝系統(tǒng)需要改造以外,采礦方法優(yōu)化改進(jìn)仍然是重中之重。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,中深孔全面法開(kāi)采,可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn),但是采切比增大、貧化率升高,不便于出礦和地壓管理,所以暫不考慮,全面法開(kāi)采工藝如圖1所示。原有使用的長(zhǎng)臂式全面法繼續(xù)保留,條件是在礦體厚度≥0.9 m 以上時(shí),實(shí)行混采混出,貧化率符合設(shè)計(jì)要求;當(dāng)?shù)V體厚度＜0.9 m 時(shí),改為削壁充填全面法,礦脈出現(xiàn)急傾斜時(shí)(極少數(shù))選擇淺孔留礦法回采,根據(jù)礦脈厚度、工程進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)合理性及充填空間大小進(jìn)行調(diào)整施工,類比國(guó)內(nèi)外同類礦山,經(jīng)過(guò)充分論證,其他采礦方法尚不適宜本礦山。本文以削壁充填全面法為例進(jìn)行試驗(yàn)和論述。削壁充填全面法開(kāi)采技術(shù)條件見(jiàn)表1。削壁充填全面法開(kāi)采工藝如圖2所示。

圖1 全面法

圖2 削壁充填全面法

表1 削壁充填全面法開(kāi)采技術(shù)條件

3 削壁充填全面法

3.1 削壁充填全面法回采順序

根據(jù)開(kāi)拓工程布置、礦脈及礦塊的分布情況,因VCR 及EB 礦脈間距較近(2～15 m),開(kāi)采順序?yàn)?首先開(kāi)采上層VCR 號(hào)礦脈,然后開(kāi)采下層EB號(hào)礦脈,Vaal 號(hào)礦脈距VCR 間距500 m 垂高,同時(shí)布置開(kāi)拓工程。同一礦脈開(kāi)采時(shí)要由上向下逐階段進(jìn)行,每個(gè)階段沿礦脈走向前進(jìn)式開(kāi)采,礦房?jī)?nèi)也可以由下向上開(kāi)采,同一礦脈的上階段開(kāi)采結(jié)束后,其上中段作為下階段開(kāi)采時(shí)的回風(fēng)巷道,要求對(duì)回風(fēng)巷道加強(qiáng)維護(hù),確保通風(fēng)暢通安全;當(dāng)?shù)V體厚度＞0.9 m 時(shí),不需要削壁,直接選擇全面法回采(圖1),地下開(kāi)采工藝流程如圖3所示。

圖3 地下開(kāi)采工藝流程

削壁充填全面法回采作業(yè)順序:削下盤圍巖充填采空區(qū)—平場(chǎng)—鋪墊層—落礦—出礦,因?yàn)榈V巖屬于穩(wěn)固型,削壁圍巖可以靈活調(diào)整為上盤或下盤均可,根據(jù)礦脈厚度變化情況,也可以選擇第一次剝礦,第二次削壁圍巖,控制總采副不超過(guò)1.2 m(局部礦脈厚度＞1.2 m 例外);當(dāng)?shù)V脈厚度＜0.5 m,削壁圍巖厚度在＞0.7 m,采空區(qū)充填系數(shù)控制在80%以內(nèi),以保證充分的回采和出礦空間,圍巖需要排出一部分,充填圍巖過(guò)程選用ST600LP 低矮式鏟運(yùn)機(jī)協(xié)助。

3.2 礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦塊沿走向布置,因礦脈緩傾斜(15°左右),中段高度不宜過(guò)高,選擇中段垂高30 m,礦塊長(zhǎng)度80～200 m,礦塊寬度為礦體厚度,局部礦塊沿脈巷兼作出礦電耙道,巷道斷面為2.5 m×2.5 m,礦塊間留設(shè)2 m 間柱或點(diǎn)柱,采切比48.0 m3/kt。削壁充填全面法結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 削壁充填全面法結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 鑿巖爆破

礦巖屬于穩(wěn)固型,使用低矮式 Rocket BommerS1L 雙臂鑿巖臺(tái)車(或定制CMJ2-18)鑿巖,南非本地水壓鉆機(jī)HPS 協(xié)助施工,孔徑40 mm,排距與孔距均為0.7 m。為減少大塊,排間交叉布孔,眼深1.5～2.4 m,改變?cè)瓉?lái)鑿巖深度1 m 及作業(yè)面布孔長(zhǎng)度12 m 的參數(shù),裝藥(條狀)0.4～0.6 kg/m,堵塞0.2 m 炮泥,用毫秒導(dǎo)爆管(1、3、5、7、9 段或2、4、6、8、10 段)起爆乳化炸藥,實(shí)行微差爆破,削壁圍巖用拋擲爆破技術(shù),采礦過(guò)程用松動(dòng)爆破落礦,圍巖充填采空區(qū)支撐頂板,礦石耙出,回采步距2 m 左右,大塊率控制在5%以內(nèi)。礦巖也可同時(shí)鑿巖,但必須分層爆破,具體參數(shù)在生產(chǎn)過(guò)程以硬度系數(shù)變化進(jìn)行調(diào)整。主要采礦設(shè)備見(jiàn)表3。

表3 主要采礦設(shè)備

3.4 出礦

采場(chǎng)內(nèi)出礦,選擇5.5～55 kW 型電耙,根據(jù)運(yùn)距選型電耙和調(diào)整位置,富礦段采場(chǎng)底板需要扒渣機(jī)協(xié)助清理(或水洗)粉礦;漏斗放礦,漏斗間距15～20 m,采場(chǎng)內(nèi)耙礦距離逐步加長(zhǎng),局部需要增加第二臺(tái)電耙輔助耙礦(安裝于切割上山相應(yīng)高度)。隨著回采高度上升,根據(jù)運(yùn)輸巷位置,采場(chǎng)中間增加溜礦井放礦,漏斗或溜礦井放礦至礦車,牽引車將裝好的礦車運(yùn)至井底車場(chǎng)(主運(yùn)平巷3.5 m×3.5 m 雙軌道),礦石放入中段溜礦井,進(jìn)入一期1300#礦倉(cāng),最后由箕斗提升出井,正在改造的6-7#礦井提升能力將達(dá)到6 000 t/d,采場(chǎng)回采、放礦結(jié)束,封閉該采場(chǎng)。

3.5 地壓管理

南非礦山地壓管理,要求具有專業(yè)資質(zhì)的巖石工程師進(jìn)行監(jiān)管,每日監(jiān)測(cè)地震、地壓及圍巖應(yīng)力變化數(shù)據(jù),研究地壓變化規(guī)律,超前預(yù)報(bào)及采取整改措施。該礦區(qū)有史以來(lái)有多次微震記錄,但不影響生產(chǎn);井巷工程在開(kāi)拓及回采期間極少發(fā)生巖爆現(xiàn)象,礦山建設(shè)初期有巖爆規(guī)律記錄,以調(diào)整施工時(shí)間段來(lái)躲避災(zāi)害;在采區(qū)內(nèi)首先施工切割巷、電耙硐室、上山通風(fēng)天井,實(shí)現(xiàn)應(yīng)力探測(cè)、釋放、轉(zhuǎn)移及采取管理措施;礦房?jī)?nèi)沿礦脈走向推進(jìn)回采,即一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn),有效控制了地壓管理。

3.6 采場(chǎng)通風(fēng)

1-7#礦井已經(jīng)開(kāi)拓90年歷史,井底互相貫通,新鮮風(fēng)流由7#礦井側(cè)面的服務(wù)井,進(jìn)入千米以下的井底中段石門,通過(guò)運(yùn)輸平巷進(jìn)入出礦漏斗,再進(jìn)入采場(chǎng),通過(guò)人行通風(fēng)天井,將污風(fēng)排至上中段通風(fēng)井,最后由6#礦井主風(fēng)機(jī)抽出地表,各采場(chǎng)無(wú)粉塵和炮煙現(xiàn)象,通風(fēng)效果良好。目前正常通風(fēng)條件下觀測(cè)到的井溫正常(20～25 ℃),說(shuō)明除一定強(qiáng)度的地溫梯度熱能外,礦坑其他熱能(礦體硫化物含量2%～5%,氧化反應(yīng)熱和貫通性傳導(dǎo)熱)增溫很小,屬常溫礦床,沒(méi)有熱污染,也不會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)工人的身心健康造成太大影響,2 300 m 以下新開(kāi)拓工程,出現(xiàn)高溫＞29°現(xiàn)象,采用大功率風(fēng)機(jī)傳遞通風(fēng),實(shí)現(xiàn)正常作業(yè),目前沒(méi)有增加井下制冷系統(tǒng)。

3.7 井下排水

礦區(qū)各條豎井井底涌水量在1 000～2 000 m3/d,選用730 m-56 L/s 水泵(揚(yáng)程730 m,電機(jī)575 kW)實(shí)行三級(jí)接替型排水,本地有停電現(xiàn)象,大型應(yīng)急發(fā)電機(jī)組隨時(shí)待命,排水設(shè)備設(shè)施、水倉(cāng)及排水能力符合礦井排水規(guī)范,每日排水量直接進(jìn)入地表選礦廠,作為工業(yè)水源之一。

4 結(jié)論

(1)增加削壁充填全面法生產(chǎn),克服單一采礦方法之弊端,調(diào)整機(jī)械鑿巖方式、鑿巖參數(shù)、礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù),減少了廢石外出,不留礦柱,達(dá)到減少貧化率,提高回采率,延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限之目的。

(2)削壁充填過(guò)程增加了采礦、出礦作業(yè)時(shí)間和成本,但是品位提高、減少了提升廢石成本和支護(hù)成本,供礦品位符合選礦回收要求,利大于弊。

(3)該采礦方法的改進(jìn),千噸采切比并沒(méi)有增加,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性回采,強(qiáng)化了頂板管理及地壓管理,在同類深井礦山具有參考價(jià)值。