董國強(qiáng) 王彥 張宏偉

摘要：深井開采主要面臨三高一擾動(dòng)、深井提升、通風(fēng)和智能化開采等難題，井下工人作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高，造成深部礦體回采過程中生產(chǎn)效率低、作業(yè)成本高等問題，嚴(yán)重影響井下的安全生產(chǎn)。以膠東半島某金礦深部開采為例，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理的角度進(jìn)行分析，提出了盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法試驗(yàn)研究。井下作業(yè)環(huán)境有效改善，盤區(qū)生產(chǎn)能力提高了23 %，采礦損失率降低了20 %，資源回收率和生產(chǎn)效率顯著提高。工業(yè)試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的采礦方法能夠滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，其研究成果可以用于指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：深井開采；點(diǎn)柱；充填采礦法；采礦工藝；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）06-0011-04doi：10.11792/hj20230603

引 言

礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，礦產(chǎn)資源開采歷史悠久，淺部資源已經(jīng)消耗殆盡，并隨著礦山產(chǎn)能的不斷增加，正在加快進(jìn)入深部開采，在較短時(shí)間內(nèi)，中國深井礦山數(shù)量將達(dá)到世界第一，最大的開采深度可達(dá)2 000～3 000 m。目前，膠東地區(qū)的玲瓏金礦開采深度已經(jīng)達(dá)到1 150 m，三山島金礦開采深度達(dá)1 050 m，山東金洲礦業(yè)集團(tuán)的開采深度為1 000 m，深井開采將成為中國礦業(yè)發(fā)展面臨的重大難題［1-3］。

深井開采主要面臨著三高一擾動(dòng)、深井提升、通風(fēng)和智能化開采等難題，井下工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，施工條件差，嚴(yán)重影響井下的安全生產(chǎn)［4］。如何在深井復(fù)雜地質(zhì)條件下選擇合理的采礦方法，改善作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效安全生產(chǎn)，國內(nèi)許多專家學(xué)者進(jìn)行了研究攻關(guān)。程勃等［5］

對沃溪坑口豎分條廢石膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行研究分析，選用先進(jìn)設(shè)備和改進(jìn)充填工藝，使主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到明顯提升。黃武勝等［6］

根據(jù)阿勒泰某金礦的地質(zhì)條件變化，設(shè)計(jì)了階段空場嗣后充填采礦法，使礦山安全生產(chǎn)條件大為改觀，經(jīng)濟(jì)效益明顯提升。章慶松［7］對南非西北省Mponeng金礦深井開采問題進(jìn)行分析，得出了深井開采的技術(shù)特點(diǎn)，并提出了未來發(fā)展深井開采技術(shù)的建議。賈萬玉等［8］針對三山島金礦上向水平分層充填采礦法進(jìn)行優(yōu)化研究，提出“人字形”采聯(lián)、“脈外雙通道”、共用風(fēng)聯(lián)、“雙采幅、三采幅”回采工藝等工程布置與關(guān)鍵技術(shù)，提高了采場綜合生產(chǎn)能力。

為切實(shí)有效解決深井礦山開采過程遇到的難題，滿足礦山可持續(xù)發(fā)展的需求，本文以膠東半島某金礦深部開采為例，根據(jù)礦山開采技術(shù)條件，在現(xiàn)有采礦方法的基礎(chǔ)上，研究新的安全高效的采礦方法，旨在提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本、改善礦山深井作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)資源的安全高效利用。

1 現(xiàn)有采礦方法及存在問題

1.1 開采技術(shù)條件

礦體大部分賦存于主裂面下盤的黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖帶內(nèi)，與主斷裂呈平行分布，屬構(gòu)造破碎帶蝕變巖型金礦床。礦體呈脈狀產(chǎn)出，走向長度1 260 m，控制斜深1 390 m，真厚度1.09～47.61 m，平均真厚度10.23 m，為厚度變化穩(wěn)定的傾斜中厚—厚大礦體。礦體總體走向45°，傾向南東，傾角36°～50°，平均傾角47°。

礦體上盤圍巖為絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖，下盤圍巖為花崗質(zhì)碎裂巖，賦礦巖性為黃鐵絹英巖和黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖。礦區(qū)圍巖屬堅(jiān)硬—半堅(jiān)硬巖石，巖體完整，巖石穩(wěn)固，質(zhì)量良好，屬工程地質(zhì)條件簡單的礦床。區(qū)域內(nèi)涌水、淋水現(xiàn)象極少發(fā)生，水文地質(zhì)條件簡單。

1.2 采礦現(xiàn)狀

礦山經(jīng)過30余年的開采，淺部資源已經(jīng)枯竭，目前礦山開采深度超過800 m，開拓深度超過1 000 m，已進(jìn)入深部開采階段。目前主要采礦方法為上向水平分層充填采礦法，局部邊角礦體或小礦體采用上向水平分層進(jìn)路充填采礦法開采。

沿礦體走向方向?qū)⒌V體劃分為60 m長盤區(qū)。采場垂直礦體走向布置，每個(gè)分層回采寬度7.0 m，高度3.6 m，充填過程底部墊廢石、頂部澆面，采場間留設(shè)1.5 m左右間柱，采場頂部留設(shè)3 m頂柱。

采準(zhǔn)布置由分段運(yùn)輸巷施工聯(lián)絡(luò)平巷，每個(gè)盤區(qū)施工2～3個(gè)盤區(qū)聯(lián)絡(luò)巷，每個(gè)盤區(qū)聯(lián)絡(luò)巷施工1條沿脈巷道，由沿脈巷道分3～4支分層聯(lián)絡(luò)道聯(lián)通礦體下盤，然后進(jìn)行上向水平分層回采，相鄰進(jìn)路間留設(shè)1.5 m左右礦體做間柱。

采場垂直礦體走向布置，首層回采時(shí)需先施工鑿巖巷道（3.0 m×3.0 m），然后以鑿巖巷道作為補(bǔ)償空間進(jìn)行劈幫、壓頂回采作業(yè)。

進(jìn)路回采結(jié)束后，進(jìn)行充填作業(yè)，首先利用廢石充填1.5 m，然后采用分級尾砂膠結(jié)充填對采場進(jìn)行澆面，澆面高度0.5 m，留1.6 m自由面作為上分層回采補(bǔ)償空間，充填體強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa即可進(jìn)行下分層回采。將進(jìn)入采場的聯(lián)絡(luò)道挑頂，使聯(lián)絡(luò)道底板與分層充填高度在同一高度位置。每個(gè)分層聯(lián)絡(luò)道控制5～ 6個(gè)分層回采，礦石采用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至分段運(yùn)輸巷溜井進(jìn)行出礦。

1.3 存在問題

1）礦山開采歷史悠久，目前礦山開采深度超過800 m，深部礦體工程地質(zhì)條件復(fù)雜，上盤圍巖和礦體之間充填的斷層泥造就了極為不利的回采條件，易垮塌冒落。

2）深部礦體厚大，巷道至部分采場端部距離可達(dá)60 m，采場內(nèi)主要依靠局扇進(jìn)行輔助通風(fēng)，通風(fēng)效果差，同時(shí)深井作業(yè)面臨高溫?zé)岷?，井下作業(yè)環(huán)境惡劣，嚴(yán)重危害井下作業(yè)人員身體健康，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。

3）部分采場暴露面積較大，在深井高應(yīng)力作用下，回采過程中冒頂、片幫等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成采礦損失率偏高、生產(chǎn)效率低，常規(guī)開采面臨生產(chǎn)規(guī)模、作業(yè)環(huán)境、安全條件等瓶頸制約。

2 采礦方法優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)原則

1）保證深部采礦作業(yè)的安全高效進(jìn)行。以安全生產(chǎn)為前提，在生產(chǎn)過渡期內(nèi)，保證開采礦量合理分配，為后期產(chǎn)能擴(kuò)大奠定基礎(chǔ)。

2）有效改善井下作業(yè)環(huán)境。在深井高溫、高壓、通風(fēng)困難等情況下，采礦方法應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，增加采區(qū)通風(fēng)量，提高采場空氣質(zhì)量，改善勞動(dòng)作業(yè)條件。

3）充分利用礦山現(xiàn)有設(shè)施、設(shè)備，減少建設(shè)投資。目前，礦山建有完善的分級尾砂充填系統(tǒng)，為有效控制地壓活動(dòng)，確保安全生產(chǎn)，充填采礦法是礦山開采的必然選擇。

綜上所述，擬采用盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法（見圖１）開采，并選取有代表性的礦段進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。

2.2 盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法

2.2.1 盤區(qū)布置及構(gòu)成要素

盤區(qū)沿走向長60 m，寬為礦體水平厚度，中段高度40 m，分段高度10 m，整體采用膠結(jié)充填，采場內(nèi)根據(jù)礦巖穩(wěn)固性狀況適當(dāng)布置規(guī)則點(diǎn)柱，點(diǎn)柱尺寸4 m×4 m，點(diǎn)柱間跨度約8 m。相鄰盤區(qū)間垂直走向留3 m寬連續(xù)間柱。

該方法只留頂柱、條形礦柱和少量點(diǎn)柱，不留底柱，優(yōu)先將夾石留作點(diǎn)柱，降低采礦損失貧化，同時(shí)提高回采效率，條柱和點(diǎn)柱所占礦量不大，作為永久損失。

2.2.2 采準(zhǔn)切割工程布置

1）分段運(yùn)輸巷。分段運(yùn)輸巷位于礦體下盤，大致平行礦體走向，根據(jù)分段高度和鏟運(yùn)機(jī)爬坡能力，分段巷道一般距礦體下盤50 m左右，巷道規(guī)格為3.6 m×3.2 m。

2）拉底與聯(lián)絡(luò)道。首分層先沿礦體下盤施工拉底巷道（3 m×3 m）至上盤礦體，用以準(zhǔn)確控制礦體并作為采場切采時(shí)的最初自由面，并在適當(dāng)位置施工通風(fēng)井，保證采場通風(fēng)條件；自第二分層起，采場分層回采完后將原聯(lián)絡(luò)道挑頂，作為下一分層的聯(lián)絡(luò)道，在其坡度大于11°之前，由上分段向下掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)道，在該分段最后一分層回采后與采場貫通。

3）采場天井、溜井布置。

采場天井。在采場拉底巷道中向上掘進(jìn)規(guī)格2 m×2 m的采場天井作為通風(fēng)行人井，傾角大于50°，與上中段運(yùn)輸巷的通風(fēng)充填巷貫通，用于采場通風(fēng)和充填，并作為采場內(nèi)第二安全出口。

礦石溜井。在中段運(yùn)輸巷下盤每隔60 m掘進(jìn)礦石溜井，規(guī)格均為2.5 m×2.5 m，坡度為55°～65°，將中段運(yùn)輸巷與各分段運(yùn)輸巷相通。

4）切割工程。切割工程是以拉底巷道為最初自由面，將礦體向兩邊擴(kuò)幫刷大至采場寬度，為大量落礦創(chuàng)造條件，切割工程按先上盤后下盤的順序進(jìn)行。

2.2.3 回采工藝

1）回采順序。整體回采順序?yàn)樽韵露戏謱踊夭?，分層作業(yè)由礦體下盤向上盤回采。

2）回采方式。采準(zhǔn)切割工作完成后，進(jìn)行回采作業(yè)?；夭晒ぷ饔煞謱勇?lián)絡(luò)道進(jìn)入采場挑頂開始，挑至設(shè)計(jì)分層回采的頂板標(biāo)高后向兩幫拉開回采工作面至采場設(shè)計(jì)邊界，采用前進(jìn)式回采步驟，垂直礦體走向從礦體下盤向上盤推進(jìn)（剔出預(yù)留點(diǎn)）至上盤礦體邊界。每個(gè)分段分層聯(lián)絡(luò)道控制4～5個(gè)分層回采，為提高回采效率，盤區(qū)可同時(shí)進(jìn)行多工作面回采，落礦方式為壓頂落礦。

3）鑿巖機(jī)械化。采場采用阿特拉斯液壓鑿巖臺(tái)車鑿巖，孔深3.7 m，孔徑45 mm。

4）爆破工藝。采場爆破采用控制爆破技術(shù)，光面孔遵循“多鉆孔少裝藥”的原則，盡量減少對周圍巖石的破壞程度，使頂板形成一個(gè)平整的拱形。光面爆破孔間距不大于0.6 m，最小抵抗線為0.4 m。大孔距落礦炮孔間距0.6～0.8 m，最小抵抗線0.6 m。各炮孔相互平行，交錯(cuò)排列，周邊孔為兩幫垂直，頂板呈拱形。采用反向起爆法，起爆藥包裝在孔底，光面孔用導(dǎo)爆索連接至孔口，然后用炮泥堵塞至孔口，長度不小于1 000 mm，最后用導(dǎo)爆管連接導(dǎo)爆索。

5）礦石運(yùn)輸機(jī)械化。為改善井下作業(yè)條件，礦石運(yùn)輸全過程采用機(jī)械化作業(yè)。礦石采用電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，由電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至相對應(yīng)脈外溜井，再由振動(dòng)放礦機(jī)裝入底卸式礦車，然后通過電機(jī)車運(yùn)輸至主井提升到地表。

6）充填工藝。分層回采結(jié)束后，采用分級尾砂膠結(jié)充填，先采用廢石或尾砂充填1.5 m，然后采用膠結(jié)充填0.5 m（灰砂比1∶6，濃度68 %），預(yù)留1.2～1.5 m作為下分層落礦補(bǔ)償空間，充填體養(yǎng)護(hù)3 d強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa即可進(jìn)行上分層回采，依次循環(huán)，直至回采完畢。

2.2.4 地壓管控措施

1）分段運(yùn)輸巷和分層聯(lián)絡(luò)道施工過程中，對于圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育的部位，采用錨桿或錨桿金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿錨固厚度不低于1.4 m，網(wǎng)度不大于1 m×1 m，對于破碎帶及大斷層等構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，應(yīng)采用錨噴網(wǎng)支護(hù)及鋼支架聯(lián)合支護(hù)。

2）對于采場內(nèi)頂板穩(wěn)固性差，發(fā)生離層破壞的區(qū)域，應(yīng)采用臨時(shí)木支護(hù)或長錨索支護(hù)的方式，并對頂板下沉量加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保人員和設(shè)備安全及連續(xù)正常生產(chǎn)。

3）盤區(qū)內(nèi)應(yīng)加快采礦作業(yè)施工進(jìn)度，縮短盤區(qū)作業(yè)周期，減少頂板暴露時(shí)間，同時(shí)應(yīng)采用光面落礦工藝，以保證頂板平整，頂板和間柱及點(diǎn)柱連接部分呈拱形，避免局部邊界的應(yīng)力集中。

4）盤區(qū)作業(yè)結(jié)束后，及時(shí)對盤區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填，要求充填體強(qiáng)度不小于2.0 MPa，采場底部8 m高的范圍內(nèi)采用強(qiáng)度3.0 MPa的充填體充填，底部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)提高充填體強(qiáng)度，其他充填體強(qiáng)度不低于2.0 MPa。

2.3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法與原上向水平分層充填采礦法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表1。

由表1可知：采礦方法優(yōu)化后盤區(qū)生產(chǎn)能力為138 t/d，比原采礦方法約提升了23 %，采礦損失率為16 %，比原采礦方法降低了20 %，同時(shí)作業(yè)成本比原采礦方法降低了約16 %，生產(chǎn)能力達(dá)到預(yù)期效果，滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求。

3 結(jié) 論

實(shí)踐表明，礦山采用盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法開采后，采場地壓得到有效控制，采礦作業(yè)條件有效改善，生產(chǎn)期間未發(fā)生較大規(guī)?？迓洮F(xiàn)象，盤區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)正常生產(chǎn)，研究成果可以用于指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

1）針對礦山深部礦體高壓、熱害、作業(yè)條件差和生產(chǎn)效率低等難點(diǎn)，提出盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法，新采礦方法盤區(qū)生產(chǎn)能力約提高了23 %，采礦損失率降低了20 %，有效解決了深部礦體的安全生產(chǎn)難題。

2）采用盤區(qū)機(jī)械化點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法，解決了原采礦方法長距離獨(dú)頭施工的通風(fēng)難題，可以有效排除工作面炮煙，降低粉塵濃度和工作面溫度，改善勞動(dòng)作業(yè)條件。

3）分層充填采礦法能夠有效處理采空區(qū)和管理地壓，減小采動(dòng)巖移影響，尤其是對于靠近上盤泥質(zhì)斷層的破碎地段礦體進(jìn)行回收，有效控制采礦損失貧化，提升回采作業(yè)的安全性和可靠性。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Abstract：The main challenges in deep mining include three highs and one disturbance，deep mine hoisting，ventilation，and intelligent mining.The poor working environment and high labor intensity of underground workers result in low production efficiency and high operating costs during the deep mining of mineral deposits，which seriously affects the safety of production underground.Taking the deep mining of a gold mine in the Jiaodong Peninsula as an example，the paper analyzes it from a technical，economic，and management perspective，proposing the mechanized point-column upward horizontal layered filling mining method in the mining area.The underground working environment is effectively improved，and the production capacity of the mining area is increased by 23 %，while the mining loss rate is reduced by 20 %.The resource recovery rate and production efficiency are significantly improved.Industrial experiments show that the new mining method can meet the technical and economic index requirements，and its research results can be used to guide mine production.

Keywords：deep mining;point pillar;filling mining method;mining technology;technical and economic indicators