分段卸壓與讓壓崩落法在謙比希銅礦的應(yīng)用

楊清平，岑佑華

（1.中國有色金屬建設(shè)股份有限公司， 北京 100029；2.大冶有色設(shè)計研究院有限公司，湖北黃石市 435005）

分段卸壓與讓壓崩落法在謙比希銅礦的應(yīng)用

楊清平1，岑佑華2

（1.中國有色金屬建設(shè)股份有限公司， 北京 100029；2.大冶有色設(shè)計研究院有限公司，湖北黃石市 435005）

針對謙比希銅礦主礦體礦床條件，以地壓顯現(xiàn)規(guī)律、巖體冒落規(guī)律與散體流動規(guī)律適應(yīng)性理論為指導(dǎo)，開展了分段卸壓、讓壓崩落法試驗研究，通過現(xiàn)場多次試驗，成功系統(tǒng)地研發(fā)了適應(yīng)該礦高效采礦方法與破碎礦巖巷道掘支技術(shù)，形成了包括分段卸壓崩落法、分段卸壓與讓壓組合崩落法、導(dǎo)流放礦技術(shù)、分流出礦崩落法以及破碎礦巖巷道穩(wěn)固技術(shù)等完整的新型分段崩落法工藝技術(shù)體系，為國內(nèi)同類金屬礦山難采礦體以及深部高應(yīng)力礦體的高效安全開采提供一條有效的技術(shù)途徑。

謙比希銅礦；分段崩落法；卸壓；讓壓；導(dǎo)流放礦；分流出礦

1 工程概況

謙比希銅礦（Chambishi Copper Mine）位于贊比亞銅帶省，是中色集團在國外最早經(jīng)營的一座大型地下礦山。由于礦體賦存條件差和采動地壓大等原因，該礦主采區(qū)礦體高度難采。贊比亞ZCCM公司應(yīng)用英國技術(shù)地下開采到主采區(qū)（500m中段以下）后，因不能解決巷道與采場塌冒問題，造成生產(chǎn)效率低和礦石損失貧化高、經(jīng)濟虧損嚴(yán)重而被迫停產(chǎn)。中色集團出于資源開發(fā)戰(zhàn)略和政治外交原因于1998年接管后，采用國際上先進的采掘設(shè)備和詳細(xì)優(yōu)選的采礦方法，經(jīng)過20多個采場試驗，國內(nèi)外現(xiàn)有的控制地壓的技術(shù)幾乎都試用過，但沿脈鑿巖巷道與空場均難以形成，生產(chǎn)不能正常進行，主采區(qū)設(shè)計生產(chǎn)能力4500t／d，實際生產(chǎn)能力僅500t／d左右。

為盡快達(dá)到設(shè)計生產(chǎn)能力，提高礦山開采效益，從2004年9月開始進行采礦方法攻關(guān)，以東北大學(xué)“三律”（地壓顯現(xiàn)規(guī)律、巖體冒落規(guī)律與散體流動規(guī)律）適應(yīng)性理論為指導(dǎo)，開展了分段卸壓、讓壓崩落法試驗研究。通過現(xiàn)場試驗和不斷完善、改進，成功系統(tǒng)地研發(fā)了適應(yīng)謙比希銅礦主礦體礦床條件的高效采礦方法與破碎礦巖巷道掘支技術(shù)，形成了包括分段卸壓崩落法、分段卸壓與讓壓組合崩落法、導(dǎo)流放礦技術(shù)、分流出礦崩落法以及破碎礦巖巷道穩(wěn)固技術(shù)等完整的新型分段崩落法工藝技術(shù)體系，攻克了謙比希銅礦難采礦體的采礦方法“瓶頸”難關(guān)，成功地開采了原英國技術(shù)不能開采的高度難采礦體。謙比希銅礦采礦難題的解決，為國內(nèi)金屬礦山難采礦體以及深部高應(yīng)力礦體的高效安全開采提供了一條新的技術(shù)途徑。

2 礦床開采技術(shù)條件

謙比希銅礦主礦體走向長度約2200m，礦體厚度6～9m，傾角20°～65°。礦體產(chǎn)于礦化泥質(zhì)板巖中，呈層狀產(chǎn)出，礦體比較規(guī)整，以黃銅礦和斑銅礦為主，另外有少量輝銅礦。礦體底板礦化強烈，品位較高，下盤富礦帶最高品位達(dá)10%～20%，向頂板方向礦化逐漸減弱，品位逐步降低。礦體和圍巖層理和節(jié)理比較發(fā)育，沿礦體走向分為穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)、欠穩(wěn)定區(qū)。礦體直接上盤圍巖為礦化泥質(zhì)板巖（厚約10m），間接圍巖有石英巖、白云泥質(zhì)板巖和燧石白云巖，礦體直接下盤圍巖為基底礫巖，間接下盤為泥質(zhì)石英巖、中礫巖和長石石英巖等。采動地壓垂直壓力集中作用于層、節(jié)理發(fā)育的礦體與近礦圍巖，易引起巷道破壞冒落，尤其是靠下盤1.5m左右的底礫巖，穩(wěn)定性更差，更容易冒落。礦體水文地質(zhì)復(fù)雜，距礦體60～80m處為燧石白云巖，該巖層為礦區(qū)的主含水層，礦體本身為次含水層，井下涌水量約4.5萬m3／d左右。

3 采礦方法試驗方案

3.1 試驗方案的構(gòu)成

3.1.1 分段卸壓崩落法

針對謙比希銅礦重力場壓力集中作用在于礦體與近礦圍巖的特征，采取卸壓措施解決沿脈鑿巖巷道的穩(wěn)定性難題，將卸壓方法同礦石回采工藝有機結(jié)合，提出了分段卸壓崩落法（見圖1）。

圖1 分段卸壓崩落法示意

這一新方法的實質(zhì)是，在無底柱分段崩落法的基礎(chǔ)上，利用上一分段沿脈鑿巖道的回采空間為下一分段的沿脈鑿巖道卸壓，以保證沿脈巷道的穩(wěn)定性。卸壓原理就是根據(jù)應(yīng)力隔絕理論，將垂直方向上傳遞的應(yīng)力隔斷，使之無法繼續(xù)向下傳遞，從而達(dá)到卸壓目的。為滿足卸壓要求，需要崩落礦體上盤側(cè)部分圍巖，保證90°～95°的卸壓角；同時，為減小下盤礦石損失，需要開掘4～6m高的下盤圍巖。卸壓方法主要是采用中深孔超深爆破，以形成卸壓區(qū)，即在中深孔炮孔設(shè)計時，按照90°～95°的卸壓角要求設(shè)計炮孔，并與排線爆破時一同起爆，從而形成卸壓區(qū)，使下分段沿脈鑿巖道處于免壓區(qū)以內(nèi)。回采時，根據(jù)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制炮孔交錯裝藥的長度，保護眉線的完整性。該法用于主采區(qū)礦巖穩(wěn)固性較差的傾斜中厚礦體。

3.1.2 分段卸壓與讓壓組合崩落法

對于介于緩傾斜至傾斜之間的中厚不穩(wěn)礦體，綜合運用礦山“三律”的研究成果，提出了卸壓與讓壓相結(jié)合的分段崩落法。該法卸壓與讓壓分段間隔布置如圖2所示，其中卸壓分段的沿脈鑿巖道布置在上分段回采卸壓的范圍之內(nèi)；讓壓分段的沿脈鑿巖道讓開采動壓力峰值區(qū)，以實現(xiàn)采動地壓的有效控制。讓壓分段的回采為卸壓分段卸壓，卸壓分段的回采充分回收下盤礦量，同時控制上盤側(cè)爆破范圍，為讓壓分段提供良好的承壓條件。兩者相輔相成，保障不穩(wěn)巖體沿脈鑿巖道的穩(wěn)定性與較高的礦石回采指標(biāo)。

3.1.3 導(dǎo)流放礦技術(shù)

應(yīng)用隨機介質(zhì)放礦理論的研究成果，在傾斜壁邊界條件下，覆蓋層廢石沿上盤邊壁快速流向出礦口是引起下盤側(cè)礦石損失貧化大的重要原因之一。為此，結(jié)合礦體條件，在上盤側(cè)留下適宜厚度的臨時頂柱，阻擋上部廢石流，在下盤側(cè)崩開導(dǎo)流口引導(dǎo)廢石流的軸線移向下盤側(cè)，由此滯后放礦初期的上部廢石移動速度，改善崩落礦石的移動與放出條件，從而有效地減小下盤礦石損失與貧化（見圖3）。

圖2 卸壓與讓壓分段間隔布置

圖3 導(dǎo)流放礦布置

3.1.4 分流出礦分段崩落法

對于礦巖破碎的緩傾斜中厚難采礦體，提出了分流出礦分段崩落法（見圖4）。其特點是：在“自落頂、設(shè)置回收進路”的無底柱分段崩落法的基礎(chǔ)上改進采場結(jié)構(gòu)，每分段設(shè)置2條回采進路，兩進路同步距同時回采，用2個出礦口構(gòu)成分流結(jié)構(gòu)，擴大出礦口部位的散體流動范圍；同時加大采空區(qū)頂板的同步回采面積，誘導(dǎo)上盤圍巖及時冒落，改善礦石回收條件；優(yōu)化回采進路的位置與爆破參數(shù)，使崩落體＋殘留體的總體形態(tài)與放出體的形態(tài)達(dá)到高度相符。

圖4 分流出礦分段崩落法示意

3.2 采礦方法構(gòu)成要素

（1）礦塊尺寸。礦塊沿礦體走向布置，長80～100m；每個礦塊分2個采場，長40～50m，每個采場中間布置采場聯(lián)絡(luò)巷與分段平巷連通。

（2）分段高度。按照分段泄壓、讓壓崩落法原理，根據(jù)礦體不同產(chǎn)狀選取了不同的分段高度：礦巖穩(wěn)固性較差的、不穩(wěn)固的傾斜中厚礦體，分段高度取10m；礦巖破碎的緩傾斜中厚礦體，分段高度取8m。

4 試驗采場采準(zhǔn)與回采

4.1 采準(zhǔn)切割

采用脈外無軌采準(zhǔn)系統(tǒng)，即利用采區(qū)斜坡道和分段平巷，掘進采場聯(lián)絡(luò)道和沿脈鑿巖道、切割橫巷及切割井。沿脈鑿巖道則根據(jù)卸壓、讓壓以及分流出礦等不同試驗方案而布置于不同部位，試驗礦塊采準(zhǔn)系數(shù)K約為120～130m3／kt。

4.2 鑿巖道掘進與維護

沿礦體走向布置的鑿巖巷道的掘進及維護問題一直是一個亟待解決的問題，其直接影響到礦山的生產(chǎn)效益。加強鑿巖道的支護研究是采礦方法試驗研究的重要內(nèi)容。針對不同的巖性，先后推廣應(yīng)用了光面爆破和錨桿加鋼筋條網(wǎng)支護工藝、錨桿與長錨索聯(lián)合支護工藝、樹脂錨桿支護工藝，并實行短掘短支，有效地控制了巷道片幫、冒頂現(xiàn)象。管縫錨桿直徑Φ40mm，長2.0m，網(wǎng)度（1.0～1.2）m×（1.0～1.2）m，梅花型布置；長錨索4.5～6.0m，排距3m，每排3～4根；樹脂錨桿直徑Φ40mm，長2.0 m，網(wǎng)度（1.2～1.2）m×（1.2～1.5）m，局部破碎地段適當(dāng)加密網(wǎng)度。

4.3 回采

試驗采場的回采順序是從采場的兩端向中央后退式回采，回采工藝包括鑿巖、崩礦、通風(fēng)和出礦。

（1）鑿巖：采用SB1354型采礦鑿巖臺車在鑿巖巷道內(nèi)鉆鑿中深孔。根據(jù)卸壓、讓壓以及導(dǎo)流放礦技術(shù)要求設(shè)計中深孔，炮孔參數(shù)：正常排Φ76mm上向垂直扇形中深孔，雙機心鑿巖，炮孔排間距2.0～2.2m、最大孔底距2.5～2.8m；切割槽上向垂直平行中深孔，孔距1.5m，排距1.25m。

（2）崩礦：爆破切割槽形成后，以切割槽為爆破自由面后退式崩礦，每次爆破1排。超深卸壓孔與正常排同時爆破，爆破采用粉狀銨油炸藥為主和乳化炸藥藥卷（1個／孔）為輔，即起爆彈的裝藥結(jié)構(gòu)，NQF－100型裝藥器裝藥；孔底、孔口雙雷管起爆，排內(nèi)同段或分段微差爆破。切割槽布置在每個采場兩端，采用切割橫巷和切割天井聯(lián)合拉槽法。采場與采場之間共用1個切割槽。

（3）通風(fēng)：采區(qū)通風(fēng)采用局扇通風(fēng)。新鮮風(fēng)流經(jīng)分段平巷局扇壓入采場聯(lián)絡(luò)道，進入工作面，工作面污風(fēng)經(jīng)采場聯(lián)絡(luò)道進入分段回風(fēng)小井，經(jīng)上分段局扇抽出至回風(fēng)井，排入地表。

（4）出礦：采場采用TR301或400D型柴油鏟運機。出礦進行全過程管理：嚴(yán)格做到全斷面均勻出礦；加強取樣，嚴(yán)格按1%的截止品位控制出礦。

5 應(yīng)用效果分析

（1）分段卸壓崩落法。分段卸壓崩落法現(xiàn)場試驗和地壓監(jiān)測表明，采用中深孔超深爆破，能夠?qū)崿F(xiàn)20%～30%卸壓，沿脈鑿巖道穩(wěn)定性能得到一定程度的改善，眉線破壞減少，回采指標(biāo)有所好轉(zhuǎn)。但卸壓方法還有待進一步完善，以提高卸壓效果。

（2）分段卸壓與讓壓組合崩落法。通過現(xiàn)場試驗，鑿巖道穩(wěn)定性得到較好改善，眉線保持完好，試驗采場的礦石回采率由最初的60%提高到70.26%，貧化率由30%降低到25.1%。

（3）導(dǎo)流放礦技術(shù)。隨著分段卸壓試驗采場的回采，同時進行了導(dǎo)流放礦試驗，通過控制回采炮孔的深度在上盤側(cè)形成三角形礦柱，在下盤側(cè)形成2～3m寬的導(dǎo)流口，使下盤富礦帶得到較好回收，礦石損失率約降低6%，礦石貧化率約降低4%。

（4）分流出礦分段崩落法。通過對西采區(qū)傾角20°～30°，水平厚度15～20m的礦體進行的現(xiàn)場試驗表明，該法用于開采礦巖不穩(wěn)固的緩傾斜中厚礦體，比常規(guī)分段崩落法降低礦石損失9.34%。

其主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

6 結(jié) 論

試驗研究表明：通過優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)、實施超前卸壓、讓壓、導(dǎo)流放礦、分流放礦等先進技術(shù)，成功地解決了礦巖不穩(wěn)固的中厚礦體崩落法采礦高損失、高貧化問題，改善了各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，保障了主采區(qū)采礦生產(chǎn)正常進行，其經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。試驗成功推廣應(yīng)用后，5年累計采出礦石648萬t，金屬回采率達(dá)到70.26%～87.60%，礦石貧化率降至25.10%～32.14%。該項目研究期間，獲得直接經(jīng)濟效益1.76億美元。

［1］張晉軍.謙比希銅礦主礦體無底柱分段崩落法改進途徑［J］.中國礦山工程，2009，38（5）：10－12.

［2］陶干強，等.無底柱分段崩落法采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（8）：1269－1272.

［3］余 建，汪德文.高分段大間距無底柱分段崩落采礦新技術(shù)［J］.金屬礦山，2008（3）：26－31.

2011－10－09）

楊清平（1965－），男，湖北孝感人，高級工程師，長期從事采礦技術(shù)研究及應(yīng)用工作。