束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術研究與應用

劉建東，陳 何，王湖鑫

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

空場法回采一般包括礦房、礦柱回采和空區處理。一些純粹采用空場法回采的礦山，一般后期均面臨大規模礦柱群回采或空區群處理的問題。礦柱通常是礦體經過一步回采后的應力集中部位，任何礦柱的回采都意味空區形態的改變，甚或相互連通，以致影響周圍其他礦柱的受力狀態和應力分布；礦柱群礦量的回采過程，必然造成空區群(或礦柱群)范圍內頻繁的巖體應力擾動和難以預料的地壓活動，是礦柱群類型殘礦資源回采的難點所在。

通常，由于空場法開采的礦山空區形成的歷史較長，形態復雜，臨空面、抵抗線等主要爆破參數和邊界條件難以準確確定，加之一般爆破規模較大，炸藥在爆破介質中的分布及爆破作用難以控制，采用中深孔爆破處理采空區群，需要分段鑿巖、分散作業，鑿巖爆破作業效率低，由于爆破抵抗線小，存在臨近采空區作業不安全等缺點，因而在大規模空區群處理的工程應用上存在相當的困難。基于束狀孔變抵抗線爆破技術的大量落礦殘礦高效回采工藝技術，可以根據空區形態調整束孔參數，設計大尺寸的爆破抵抗線，選擇工程條件較好的地段集中作業，因而是解決這一難題的安全高效的技術手段。

1 束狀孔變抵抗線爆破技術[1]

(1)

式中：d為炮孔孔徑(m)；N為炮孔個數；Δ為裝藥密度(t/m3)；q為炸藥單耗(kg/t)。

從式(1)可以看出，在炮孔孔徑d一定的情況下，通過調整每束孔的炮孔個數可靈活調整爆破抵抗線，從而為束狀孔爆破在各種復雜條件下的應用提供了便利。尤其在大規模礦柱群殘礦回采中，可根據空區形態靈活調整爆破參數，選擇工程條件良好的地段集中作業，提高殘礦回采作業的效率和安全性，是大規模空區群條件下殘礦回采中值得優先考慮的爆破技術手段。

2 束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術及應用

2.1 回采工藝與技術

以束狀孔變抵抗爆破技術為基礎，開發了適用于大規模空區群的殘礦高效回采工藝技術。采用該技術時，以采空區作為爆破的自由面和補償空間，將一定規模空區群范圍內的殘存礦量作為一個整體進行崩落。垂直方向崩落高度以不超過階段高為宜，爆區水平面積則需考慮作業安全、地壓影響、爆破規模等各方面因素綜合確定。

1)采準工程：如圖1所示，在崩落區上部布置鑿巖硐室，下部布置底部出礦工程。鑿巖硐室一般布置在礦柱上方，若布置在空區上方則需確保空區頂板具備足夠安全厚度。底部結構一般選擇“塹溝”形式，若條件允許則可對空區底部擴漏形成“大漏斗”出礦結構。由于底部結構工程的大量開挖會引起原有空區周邊應力狀態的變化，給上部作業帶來安全風險，因此需根據具體情況選擇合理的底部結構形式和施工順序。

2)鑿巖：一般采用大直徑深孔鉆機鉆鑿下向束狀深孔，束孔抵抗線以控制至空區邊界為準，根據抵抗線大小確定每束孔的炮孔個數。為控制爆破塊度，盡可能選擇多排孔、小抵抗線(但不宜小于5m)的爆破參數。當崩落區內空區上下重疊關系較為復雜時，完全采用下向束狀孔存在一定困難，可輔助一定數量的中深孔爆破。

3)爆破：以爆區內的空區作為補償空間，將整個采區作為整體一次性爆破崩落。鑒于爆破裝藥規模一般在幾十t乃至上百t以上，需要進行詳細爆破設計，精心組織爆破施工。

4)出礦：整體崩落后的大量礦石通過底部出礦結構放出，采用大斗容(一般在3m3以上)的鏟裝設備集中出礦。在覆巖下進行放礦時，必須加強放礦管理和控制，減少貧化和損失。由于一次崩落礦量較大，出礦時間較長，因此應用該方法時要求礦石不發火、不結塊。

圖1 束狀孔大量落礦殘礦高效回采技術

2.2 關鍵工藝與技術

1)束狀孔區域崩落大爆破技術：爆破參數設計是決定爆破效果的關鍵，需根據殘礦形態、礦體條件、已有工程現狀等，選擇工程條件良好的地段布置采準工程，設計合理爆破抵抗線、布孔參數、裝藥參數和起爆網絡。

2)大爆破有害效應控制技術：爆破有害效應包括爆破地震波、爆破沖擊波和爆破有毒有害氣體。區域整體崩落時，崩落礦量較大，爆破裝藥量較大(一般在幾十t乃至上百t以上)，必須采取有效措施減少爆破震動、爆破沖擊波和爆破有害氣體的危害，確保井下生產設施和人員安全。如采用分段毫秒延時起爆技術，降低爆破震動危害；采用預留礦石墊層、設置柔性阻波墻、“開天窗”等技術措施，降低爆破沖擊波危害；通過制定應急通風措施、爆破后加強通風等手段，減少大爆破有毒有害氣體危害。

3)殘礦開采地壓控制技術：殘礦回采的目標之一，是有效處理采空區。在大規模空區群下的殘礦回采中，受爆破規模的限制，一般需采取分區崩落的方式回收殘礦。隨著殘礦的開挖，必然對臨近采空區產生擾動，進而可能誘發地壓災害問題。因此，大規模空區群下的殘礦回采過程中，必須采取相關地壓控制措施，如采空區局部充填、空區密閉、地壓監測等，確保殘礦回采作業的安全。

4)大量放礦控制技術[2]：區域整體崩落后的大量礦石，一般在覆巖下進行放礦。要根據開采條件和回采需要，設計合理的出礦結構，采取合理的放礦控制措施，減少礦石貧化與損失，提高出礦效率和礦石回收率。

2.3 束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術的應用

2.3.1 赤峰國維礦業多空復雜條件下殘礦回采[3]

赤峰國維礦業公司原屬民企礦山，設計中段高40m，由于技術應用不合理和設備條件限制，采用淺孔留礦法開采。每個中段僅回采15～16m高度，剩余約20m高的礦體沒有采下來，形成了多空區復雜條件下殘礦開采條件。在部分空區上部，地表已經出現裂縫和塌陷，造成了極大的安全隱患，急需處理。

針對該礦開采現狀及殘礦回收技術條件，經研究分析，選擇束狀孔強制崩落與誘導自然崩落相結合的采礦方案，即對于二中段的半截采場和礦柱采用束狀深孔一次性崩落，解除礦柱的支撐作用，進而誘導上部裂隙發育、破壞嚴重的一中段半截采場和礦柱的全面積自然崩落，并貫通地表釋放地應力。設計鑿巖硐室布置于844m水平，從該中段打下向束狀炮孔(炮孔直徑110mm)直接穿透二中段采場頂板。崩落的礦石利用二中段原有的平底底部結構，人工裝礦推車，把礦石通過溜井溜到三中段集中運礦。

圖2 多空區復雜殘礦回采方案

該礦于2010年4月成功實施殘礦回采束狀孔大爆破，爆破施工作業一天完成，在關鍵部位建立阻波墻措施降低空氣沖擊波危害。爆破形成了貫通地表的冒落區，徹底消除了空區地壓隱患，成功回收了大量殘留礦石資源。爆破技術指標見表1。

表1 爆破技術指標

2.3.2 新疆可可塔勒鉛鋅礦空區群殘礦回采

可可塔勒鉛鋅礦是一座設計生產能力為2500t/d改建礦山，其7#礦體為開采的主礦體。2007年以前，該礦亂采濫挖現象嚴重，圍繞7#礦體共建有9條斜井，864m水平以上工程布置重復冗余，采空區錯綜復雜，有的空區相互貫通，空區最大暴露面積達3000m2。相鄰空區之間有大量形態復雜的殘存礦量，據推算7#礦體殘礦礦量達400多萬t。為盡快達產，業主千鑫礦業有限公司欲首先強化7#礦體3～7線殘留礦量的開采，并為礦山提供1500t/d的生產能力。

圖3 空區群殘礦縱投影圖

根據殘礦賦存形態和開采技術條件，7#礦體3～7線865m水平以上殘留礦的回收，采用以束狀深孔區域整體崩落技術為主、邊角礦中深孔爆破落礦技術為輔的開采技術方案。以塊段內的空區為補償空間，采用以束狀深孔變抵抗線爆破技術為主進行大量落礦。在垂直方向上，自上至下劃分三個區段：1200～1085m、1085～1006m、1006～864m。其中1200～1085m為首采段，設計將1200～1085m區段劃分三個爆區，以區段內的采空區為補償空間，按順序分次進行崩落。

1085～1200m殘礦回采主要作業水平布置在1164m、1118m和1085m三個水平，其中1164m和1118m為鑿巖作業水平，1085m為出礦作業水平。在1164m水平布置鑿巖巷道(硐室)，采用上向中深孔(孔徑65～90mm)和下向大孔(孔徑165mm)聯合崩礦。1118m為拉底水平，該水平設鑿巖巷道(硐室)，采用下向大孔布孔，爆破后形成底部出礦大漏斗。1085m為出礦作業水平，圍繞空區底部布置出礦聯絡道和出礦進路，形成底部大漏斗出礦結構。殘礦開采預期技術經濟指標見表2。

表2 殘礦開采技術經濟指標

3 結語

以束狀孔變抵抗線爆破技術為基礎，開發了束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術，為空場法開采中空區群治理和礦柱群回收難題提供了嶄新的解決途徑。工程應用實踐表明，與傳統中深孔殘礦回采技術相比，該技術具有強化開采產能大、集中作業效率高、整體崩落安全性好、工藝靈活適應性強等優點，在強化殘礦開采、提高生產能力方面具有明顯的優勢。鑒于殘礦賦存形態和回采工藝的復雜性，應用該技術時，在采準、鑿巖、爆破等各個環節均需詳細進行設計、精心組織施工。由于一次爆破開挖量較大，殘礦回采中必然面臨地壓控制和大量放礦等問題，如何根據具體情況采取合理有效的地壓控制措施和放礦管理措施，也是決定該技術應用成敗的關鍵因素。

[1] 劉建東,陳何,孫忠銘,等.平行密集束狀深孔高效爆破技術研究及應用[J].工程爆破,2010,17(2):23-25.

[2] 陳何,王湖鑫,韋方景.高階段大量放礦技術的研究與應用[J].礦冶,2009,18(3):9-11.

[3] 王湖鑫,陳何,吳志安,等.赤峰國維礦多空區復雜條件下殘礦資源回采技術研究[J].中國礦業,2011,20(3):69-70.