曹文鋼

（大冶有色金屬有限責任公司銅綠山礦）

銅綠山礦是我國長江中下游銅鐵多金屬成礦帶上重點礦山之一，有半個多世紀的開采歷史。銅綠山礦礦體產(chǎn)狀為急傾斜厚大礦體，早期為露天與地下聯(lián)合開采，21 世紀初全面轉入地下開采，隨著采礦技術工藝及設備的不斷發(fā)展，銅綠山礦的地下采礦方法也與時俱進，早期井下開采采用上向水平分層點條柱式水砂充填法，后續(xù)充填工藝改進變?yōu)樯舷蛩椒謱幽z結充填法。1990 年在Ⅲ礦體部分采場采用先進的VCR 法大直徑深孔采礦，并大規(guī)模推廣應用。近年來逐步轉入深部開采，礦巖穩(wěn)定性發(fā)生變化，出現(xiàn)了采場垮塌冒落、相鄰采場開采困難、鑿巖工作緊張等問題，分段鑿巖階段空場嗣后充填法逐步代替VCR法［1-2］。

當前，銅綠山礦已全面進入深部開采，深部礦體和上部礦體相比有較大的變化，厚大礦體所占比例縮小很多，礦體傾角變化大，分支復合現(xiàn)象嚴重，且隨著開采深度的不斷加大，礦巖內(nèi)部的原巖應力隨之加大，礦巖穩(wěn)固性變差［2-3］。目前銅綠山銅鐵礦開采中面臨的主要問題：①普通上向水平分層充填采礦法工人勞動強度大，生產(chǎn)能力低，安全性差；②采礦主要生產(chǎn)工序難以實現(xiàn)設備、人員與能力等方面的匹配，未形成優(yōu)化組合，造成人力、物力與資源等失調(diào)與浪費；③礦體賦存條件復雜，分枝復合嚴重，單一的采礦方法不能滿足多樣特殊的采礦環(huán)境；④VCR 法對于礦體的完整性要求較高，礦巖穩(wěn)固性較差，造成其貧化損失率過高；⑤采場周邊情況復雜，兩幫為充填體時，對于邊幫的控制較難把握，且影響較大；⑥每次爆破所需總藥量過大，引起較大的爆破振動，造成礦巖和充填體的穩(wěn)固性變差［4-5］。為此，開展分段空場嗣后充填法工藝試驗研究［6-8］，以保障回采過程采空區(qū)的穩(wěn)定性，并對方案的開采效益進行驗證。

1 分段空場嗣后充填采礦法

1.1 礦塊布置與構成要素

分段空場嗣后充填采礦法采取盤區(qū)化布置，單個盤區(qū)寬度為62 m，厚為礦體厚，采場垂直礦體布置，礦房采場寬度為6～8 m，礦柱采場寬度為4～6 m，底柱8 m，不留頂柱和間柱。當?shù)V巖條件較為穩(wěn)固時，采場尺寸取大值；當?shù)V巖條件較為破碎時，采場尺寸取小值，如圖1所示。

1.2 采準與切割

在各分段水平掘進分段平巷，分段平巷之間用斜坡道連接。從分段平巷開始，垂直礦體走向布置采場聯(lián)絡道，相鄰2 個采場共用1 條聯(lián)絡道，并在脈外布置溜礦井。

1.3 回采工藝

從上分段聯(lián)絡道開始，垂直礦體施工拉底巷道（3 m×3 m），后由其擴刷至3 m×8 m 的拉底平巷，在平巷內(nèi)采用錨網(wǎng)支護，鉆機鉆鑿上向平行深孔，孔網(wǎng)參數(shù)采用類比法或通過系列爆破漏斗法確定，在靠上盤端部施工切割天井及切割槽，由上盤后退式爆破，后采用鏟運機由下分段聯(lián)絡道出礦，倒入脈外溜井。

采場回采在各分段拉底空間，鉆孔直徑65 mm，正常孔排距為1.2～1.3 m，孔間距為1.5 m，采用BQF-100 風動裝藥器裝藥，裝藥系數(shù)0.8，采用非電導爆管孔底起爆。

在爆破回采過程中，減少爆破次數(shù)，且每次爆破后，為了保證后續(xù)有足夠的補償空間，采用遙控鏟運機出礦，出礦量應不低于崩礦量的50%。

1.4 采場地壓控制

針對較為穩(wěn)固的采場，采用平底結構，遙控鏟運機出礦，首先進行分段拉底并對礦體頂板進行支護，拉底高度2～3 m，拉底頂板要平整，礦體頂板全部采用管縫式錨桿+金屬網(wǎng)護頂，錨桿長度為2 m，錨桿支護網(wǎng)度為1 m，金屬網(wǎng)由6 號鋼筋編制，網(wǎng)度為30 mm×30 mm。

針對破碎的采場，在進行拉底工作的同時，將上部拉底空間拉開，并對其進行錨網(wǎng)支護，采用管縫式錨桿+塑料網(wǎng)護頂，錨桿長度為2 m，錨桿支護網(wǎng)度為1～1.2 m，塑料網(wǎng)采用礦用120 kN的塑料網(wǎng)，以防止采場爆破將網(wǎng)片崩壞。

1.5 充 填

開采結束后，在分段聯(lián)絡巷處進行封堵，由上分段聯(lián)絡巷及充填回風井進行充填，充填不接頂，預留3 m 的鑿巖空間，充填強度要求為2.5 MPa。礦柱采場開采結束后，采用一步驟同樣的充填方式，先用高配比的充填料漿充填3～5 m，后采用低配比的充填料漿進行充填，上部0.5 m高范圍內(nèi)進行澆面充填，澆面充填強度為1.5 MPa。

1.6 主要技術經(jīng)濟指標

本采礦方法理論技術經(jīng)濟指標：盤區(qū)綜合生產(chǎn)能力為400 t/d，回采綜合損失率為8%，回采綜合貧化率為8%，采礦成本（包括充填）為92.42 元/t，采準切割比為15.95 m/kt。

2 現(xiàn)場工業(yè)試驗

2.1 試驗采場選擇

試驗采場為5531 礦房采場一分段，礦體水平厚度約25 m，礦體傾角60°～80°，上緩下陡。5531 采場礦體為含銅磁鐵礦石矽卡巖，粒狀結構、交代結構，浸染狀構造，礦石品位變化較小，銅品位平均0.91%；上盤巖性為矽卡巖，粒狀變晶結構，塊狀構造；下盤巖性為矽卡巖、大理巖。礦巖堅固性系數(shù)f=6～8，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅲ級，中等穩(wěn)固，自穩(wěn)能力為跨度5～10 m，可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體位移及中小型塌方。該采場頂板安全風險等級劃分為Ⅱ級，要求錨網(wǎng)支護覆蓋面積不小于頂板暴露面積的60%。

2.2 試驗采場布置和構成要素

5531 礦房采場垂直礦體走向布置，階段高度60 m，留有8 m 底柱，分為4個分段，分段平均高度13 m，一分段回采高度約15 m，長度約為礦體水平厚度25 m，寬度8 m，礦石密度3.3 t/m3，一分段圈定工業(yè)礦石量約9 400 t。

2.3 采準與切割

5531 采場所采礦體為一支脈，其一分段下盤臨近斜坡道，故采準工程布置在礦體上盤。采準工程中已有工程包括分段平巷及聯(lián)絡巷、盤區(qū)溜井及聯(lián)絡巷、盤區(qū)回風井及聯(lián)絡巷，新建工程包括采場聯(lián)絡巷、分段鑿巖巷（同時作出礦巷）、分段充填回風巷。

切割工程一般包括切割橫巷和切割天井，由于采用平底式底部結構，切割橫巷包含在分段鑿巖巷內(nèi)，故只需施工切割井。

2.4 回采工作

（1）回采順序。從礦房的一端向另一端后退式回采，并根據(jù)采場長度情況，將采場從里至外依次分為拉槽區(qū)、側崩一區(qū)、側崩二區(qū)，拉槽區(qū)爆破落礦后松動放礦，鏟出崩落礦量的20%～30%以增加后續(xù)崩礦的補償空間，同時清理出裝藥空間，然后裝藥爆破落礦回采側崩二區(qū)，最后回采側崩三區(qū)。

（2）落礦。采用中深孔側向崩礦，用ZY41D 型采礦鑿巖臺車鉆上向平行孔，孔徑57 mm，孔深11.8 m，拉槽區(qū)排距1.0 m，孔距1.0 m，側崩區(qū)排距1.2 m，孔距1.3 m 左右，由于分段鑿巖巷未施工到采場設計邊界及兩幫需預留鉆機施工空間，所以邊孔需外插3°～4°，同時邊孔與同排相鄰孔的距離應嚴格控制，不可大于平均值1.3 m。拉槽區(qū)圍繞切割井施工5排26個炮孔，側崩一區(qū)、二區(qū)各9 排54 個炮孔。采用BQF-100 型裝藥器裝改性銨油炸藥進行爆破，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，壓氣裝藥密度應大于0.95 g/cm3，即孔徑57 mm 的炮孔每米裝藥量應大于2.42 kg。炮孔堵塞長度取0.8倍的最小抵抗線即排距1.2 m，故堵塞長度取1.0 m。使用改性銨油炸藥裝藥前應向炸藥內(nèi)兌少量水以增加炸藥的流動性；采用專用起爆器配導爆管雷管、導爆索傳爆的孔底起爆方法，裝藥時先用防靜電裝藥膠管將導爆索送入孔底并吹入底藥，然后將導爆管雷管插入起爆藥卷并纏好送入孔中，再連續(xù)壓氣吹入炸藥，孔口預留1.0 m 的堵塞長度。起爆網(wǎng)路為導爆管起爆網(wǎng)路。

（3）出礦。采場底部結構為平底結構，出礦時使用遙控鏟運機進入采場空區(qū)中進行三角礦堆的裝運。

（4）頂板管理。在回采過程中，采場空區(qū)頂板主要依靠左右兩側礦柱支撐。當采場礦巖不穩(wěn)固時，可采取超前預控頂措施予以加固。出礦巷頂板在每次爆破通風后撬毛處理浮石，并對錨網(wǎng)破壞區(qū)域二次支護。

（5）充填工作。充填采用全尾砂膠結充填料，由充填管道自流輸送至采場。充填前架設堅固的充填擋墻，并安設泄水管道。充填流量50～70 m3/h，濃度不小于65%。一步驟礦房采場底部5 m充填灰砂比1∶7，中上部灰砂比1∶11，在每分段尾砂充填面上鋪設厚度0.5 m的膠結墊層，灰砂比1∶5。二步驟礦柱采場充填時，中上部采用灰砂比1∶15的弱膠結充填料。

3 試驗技術經(jīng)濟指標分析

3.1 生產(chǎn)能力

采礦技術經(jīng)濟指標主要包括采場生產(chǎn)能力、貧損率、采切比、設備效率及采礦直接成本，其中采場生產(chǎn)能力的計算方法為采場回采礦量（不包括采切副產(chǎn)礦量）和鑿巖爆破、出礦、充填等主要工序所用時間的比值。

（1）中深孔鑿巖工作量1 580 m，耗時21 臺班，鑿巖效率為每臺班75.2 m。

（2）5531 采場一分段回采分拉槽區(qū)、側崩一區(qū)及二區(qū)爆破，裝藥耗時3 個工班。通風和撬毛共耗時3個工班?；夭沙龅V量7 590 t，采用2 m3遙控鏟運機出礦，耗時36個工班，出礦效率為每臺班211 t。

（3）充填準備耗時6個工班，充填能力60 m3/h，充填耗時12 個工班，一步驟采場充填體養(yǎng)護7 d，耗時21個工班。

（4）回采出礦量7 590 t，共耗時工班數(shù)為102 班，即34 d，采場生產(chǎn)能力為223 t/d。

3.2 采礦直接成本

采礦直接成本分采切成本、鑿巖成本、爆破成本、出礦成本、機車運輸和充填成本，匯總于表1。

3.3 綜合技術經(jīng)濟指標

試驗采場綜合技術經(jīng)濟指標匯總于表2。

銅綠山礦由于采場頂板不穩(wěn)固，采用上向水平分層充填法回采時頂板需全斷面錨桿網(wǎng)支護，支護工作量大，導致采礦作業(yè)循環(huán)時間長，采場每天只能完成一個循環(huán)，采場生產(chǎn)能力小，限制在150 t/d 之內(nèi)，并且作業(yè)人員長期暴露在采動頂板之下，安全風險不可控。試驗采用分段空場嗣后充填法之后，一般只有底部鑿巖巷道需要支護，支護工作量大大減少，落礦時中深孔一次崩礦量大，充填則采用分段一次充填，從而提高了生產(chǎn)能力，并且人員大部分時間在鑿巖巷內(nèi)作業(yè)，安全性好。空場穩(wěn)定性方面，因為采用分段空場分段充填，空場暴露時間短，能維持穩(wěn)定不垮塌，是礦巖穩(wěn)固性較差時采用中深孔回采合理的采場結構布置方式。

中深孔爆破采礦相比分層爆破回采，采切工程更簡單，鑿巖、爆破、支護及充填作業(yè)更集中，每米崩礦量更大，因此采切比和采礦直接成本有明顯的降低。

4 結論

（1）銅綠山礦深部礦巖穩(wěn)固性變差，采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法回采存在階段空場垮塌的問題，采用上向分層充填法開采又面臨生產(chǎn)能力不足和人員頂板下作業(yè)安全風險大的問題，通過改進采礦方法，減小空場高度，堅持采用中深孔落礦，實現(xiàn)產(chǎn)能最大化與空場穩(wěn)定性之間的平衡。

（2）優(yōu)選分段空場嗣后充填采礦方案，通過分段中深孔爆破、出礦、充填，合理擴大采場結構參數(shù)，從而提高生產(chǎn)能力，并且有效規(guī)避人員長期暴露于采場頂板下的安全風險。

（3）開展了分段空場嗣后充填采礦工業(yè)試驗，礦石貧損率均控制在8%以內(nèi)，單采場生產(chǎn)能力達到223 t/d，采礦直接成本57.80 元/t，相比上向水平分層充填法產(chǎn)能實現(xiàn)翻番，成本降低8.6%。