焦家金礦寺莊礦區(qū)安全高效開采技術(shù)研究

司呈斌，黨文剛

（1.山東黃金焦家金礦， 山東萊州市 261400；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083）

焦家金礦寺莊礦區(qū)安全高效開采技術(shù)研究

司呈斌1，黨文剛2

（1.山東黃金焦家金礦， 山東萊州市 261400；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長沙 410083）

為了實(shí)現(xiàn)焦家金礦寺莊礦區(qū)安全高效開采，對(duì)寺莊礦區(qū)的礦巖物理力學(xué)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，巖石類型均屬于堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬型。根據(jù)地質(zhì)資料運(yùn)用Surpac軟件建立了礦體的三維可視化模型，直觀地表述了礦體在地下的賦存情況。在此基礎(chǔ)上提出房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法，介紹了回采工藝，并對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析。工業(yè)實(shí)踐結(jié)果表明，該方法大大提高了該礦區(qū)的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

焦家金礦；巖石性質(zhì)；Surpac建模；充填采礦法；中深孔；回采工藝

1 焦家金礦開采現(xiàn)狀

焦家金礦寺莊礦區(qū)礦體賦存比較復(fù)雜，夾石相對(duì)較多，在機(jī)械化采場回采過程中暴露出來的問題越來越多，現(xiàn)在礦區(qū)在開采過程中貧化損失較為嚴(yán)重，礦石品位變化較大，開采出來的低品位礦石越來越多。寺莊礦區(qū)最初的井下生產(chǎn)工藝主要為淺孔留礦法和上向水平分層充填采礦法，生產(chǎn)能力相對(duì)較低。隨著開采強(qiáng)度的不斷加大，沿用原來的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行開采時(shí)，由于深部采場頂板不穩(wěn)固，時(shí)常發(fā)生巖石冒落與片幫現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此，為確保采場安全，寺莊礦區(qū)采用縮小采場跨度、增加點(diǎn)柱個(gè)數(shù)和縮減點(diǎn)柱間隔的辦法來保證采場的安全。但由此帶來的問題是礦山的生產(chǎn)效益嚴(yán)重受到影響，沿用之前的采礦方法使礦山的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)能力嚴(yán)重下降，礦石貧化率與損失率增大，企業(yè)生產(chǎn)效益與礦井的服務(wù)年限受到嚴(yán)重影響。

本文結(jié)合寺莊礦區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)寺莊礦區(qū)礦體圍巖的物理力學(xué)特性、礦體三維可視化建模和采礦方法進(jìn)行了研究，開發(fā)出適應(yīng)于寺莊礦區(qū)開采技術(shù)條件的安全高效低成本的采礦方法。

2 礦巖物理力學(xué)特性研究

在礦區(qū)井下選取具有代表性的巖石塊體試樣，主要巖石類型分布如下：上盤巖石主要由絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖構(gòu)成；礦體主要由黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖構(gòu)成；下盤主要由黃鐵絹英巖化花崗巖構(gòu)成。礦床圍巖蝕變發(fā)育。礦體主要分布于主裂面以下，產(chǎn)于黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗巖中。將選取的塊體巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)加工處理，制作成標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件，分別對(duì)礦區(qū)上下盤和礦體進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)特性試驗(yàn)，測試結(jié)果見表1。

表1 礦巖物理力學(xué)特性測試結(jié)果

通過室內(nèi)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，上盤巖石比較破碎且強(qiáng)度較小，節(jié)理裂隙發(fā)育，在抗壓試驗(yàn)過程中大多數(shù)都完全破碎，其破碎形式一般是沿節(jié)理面，且中間含泥質(zhì)充填物；礦體巖石強(qiáng)度較大，節(jié)理裂隙不是很發(fā)育，在抗壓試驗(yàn)過程中伴隨巖爆；下盤巖石強(qiáng)度大，在抗壓試驗(yàn)過程破壞時(shí)伴隨很強(qiáng)的巖爆現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況看，礦體及頂?shù)装鍘r石的抗壓強(qiáng)度大于30 MPa，巖石類型均屬于堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬。礦巖物理力學(xué)特性測試結(jié)果為礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究提供計(jì)算依據(jù)，以保證寺莊礦區(qū)在開采過程中的安全性、可行性、經(jīng)濟(jì)性。

3 基于Surpac的礦體三維可視化建模

目前隨著礦山信息技術(shù)的不斷發(fā)展，Surpac軟件在礦山中的運(yùn)用越來越多。Surpac軟件可以根據(jù)勘探地質(zhì)資料建立地表、地層、礦體、空區(qū)和巷道的三維可視化地質(zhì)模型，從而更直觀的表現(xiàn)出地質(zhì)體三維信息［2］。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)工程的需要對(duì)三維模型平面切割，反應(yīng)礦體的任意截面的形狀，也可以進(jìn)行礦體的體積、儲(chǔ)量品味分析計(jì)算。該軟件建立的巷道模型可以反映礦山的整個(gè)開拓體系，因而廣泛地應(yīng)用于礦山采礦設(shè)計(jì)。結(jié)合寺莊礦區(qū)地質(zhì)鉆孔資料，對(duì)寺莊礦區(qū)礦體進(jìn)行三維可視化建模，如圖1所示。

圖1 寺莊礦區(qū)Surpac模擬礦體

通過Surpac模擬的礦體圖不難發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)由多個(gè)金礦體組成，礦體的賦存形狀極不規(guī)范，分支變化非常嚴(yán)重，因此礦區(qū)的開采設(shè)計(jì)要結(jié)合礦體的具體形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的開采地點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)牟傻V方案。

4 采礦方法的選擇

為了減少礦石的損失和貧化，充填采礦技術(shù)在國內(nèi)外運(yùn)用發(fā)展較快。國內(nèi)外充填采礦實(shí)踐表明［3－4］，充填采空區(qū)可以有效防止地表塌陷，也可以消除地表尾礦的堆積，充填采礦也是綠色開采的重要組成部分［5］。因此，寺莊礦區(qū)一直采用機(jī)械化水平分層充填采礦法、盤區(qū)機(jī)械化房柱交錯(cuò)式分層充填法、機(jī)械化上向進(jìn)路充填法等。寺莊礦區(qū)采用主豎井、斜坡道聯(lián)合開拓，由于礦區(qū)由多個(gè)金礦體組成，礦體形狀極不規(guī)范，分支變化非常嚴(yán)重，用常規(guī)的分層充填采礦法對(duì)于此礦的生產(chǎn)而言效率低，采準(zhǔn)工程量相對(duì)較大，導(dǎo)致開采成本高，影響企業(yè)的效益。因此，影響寺莊礦區(qū)的安全高效開采的重要因素就是對(duì)礦區(qū)采礦方案的合理選擇。

隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，高分段充填采礦技術(shù)越來越成熟。高分段充填法主要將礦體劃分為若干分段，采礦過程中的鑿巖、爆破、出礦、充填作業(yè)相對(duì)于分層采礦而言安全、可靠。分段高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分層高度，采用中深孔崩礦，崩礦量相對(duì)較大，由此提高了落礦效率和鏟運(yùn)機(jī)出礦效率。高分段充填采礦技術(shù)的工業(yè)實(shí)踐還表明，礦石的貧化損失相對(duì)于分層開采也明顯減小。高分段充填采礦技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)寺莊礦山的高產(chǎn)高效提供了保證。綜合分析考慮，焦家金礦寺莊礦區(qū)擬采用房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法開采礦石，采礦方案如圖2所示。

4.1 回采工藝

采用脈外下盤人行斜井采準(zhǔn)方式，在距礦體5～10m處布置人行斜井，規(guī)格為2.5m×2.5m，在垂直方向上每隔10m掘進(jìn)鑿巖聯(lián)絡(luò)巷，與礦體內(nèi)出礦橫巷聯(lián)接，每一分段鑿巖聯(lián)絡(luò)巷通過分段平巷聯(lián)接，在出礦橫巷每隔8～12m向礦體掘進(jìn)出礦進(jìn)路，在礦體下盤布置脈外階段運(yùn)輸平巷。分段平巷斷面規(guī)格為3.2m×2.8m，斷面形狀為三心拱。鑿巖聯(lián)絡(luò)道布置在采場中心線，斷面規(guī)格為3.2m×2.8m。在礦體下盤布置一條階段運(yùn)輸巷道，整個(gè)階段的礦石經(jīng)出礦橫巷由無軌設(shè)備運(yùn)輸，經(jīng)過階段運(yùn)輸平巷，最后倒入溜井中。分兩步驟回采，即先采礦房，后采礦柱。鑿巖設(shè)備通過鑿巖聯(lián)絡(luò)巷、鑿巖橫巷進(jìn)入采場，在礦體中布置的鑿巖巷道與回風(fēng)巷道在上盤連通，以形成回風(fēng)風(fēng)流，采用鑿巖臺(tái)車或淺眼鑿巖。將爆落的礦石用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至溜井，出礦完畢，進(jìn)行嗣后階段充填。具體的回采工藝如下。

（1）鑿巖爆破。采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，經(jīng)脈外出礦平巷運(yùn)出。整個(gè)采場出礦完畢，在出礦進(jìn)路砌筑充填擋墻，封閉采空區(qū)，采用尾砂膠結(jié)嗣后一次充填。

（2）通風(fēng)排險(xiǎn)。新鮮風(fēng)流由階段運(yùn)輸平巷進(jìn)入人行天井，再由人行天井進(jìn)入分段平巷，再從分段平巷通過采場聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場，清洗工作面后的污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，進(jìn)入回風(fēng)平巷，最后排出地表。在通風(fēng)效果不理想的地段，采用局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。

確保通風(fēng)良好后再進(jìn)行頂板檢查和撬毛作業(yè)，由工人站在爆堆或撬毛車上進(jìn)行。檢撬從采場口開始，由外向里，最后進(jìn)行工作面的檢撬。

（3）采場支護(hù)。采場頂板及上盤破碎帶以錨桿支護(hù)為主，局部特別破碎地點(diǎn)用錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)。為配合無軌機(jī)械化作業(yè)，用管縫式錨桿，桿長1.8 m，直徑43mm，長期錨固力為30～60kN。錨桿支護(hù)網(wǎng)度為1.0m×1.0m；遇巖石特別破碎時(shí)網(wǎng)度加密至0.8m×0.8m。金屬網(wǎng)采用直徑8mm鐵絲，編織網(wǎng)格為100mm×100mm，每張金屬網(wǎng)大小為2100mm×1600mm。

圖2 房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法

（4）鏟裝。采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，經(jīng)脈外階段運(yùn)輸平巷，倒入出礦溜井。

（5）采場充填。礦房采用尾砂膠結(jié)充填，膠結(jié)材料為325＃普通硅酸鹽水泥，充填體配比為1∶4，1∶8，1∶10。采場出礦完畢后，在緊臨采空區(qū)的鑿巖出礦巷道中砌筑充填擋墻，并在采場內(nèi)懸掛充填脫水管。采場充填準(zhǔn)備完成后，在上中段充填平巷中，按充填配比充填采空區(qū)。采用管道輸送（充填料漿）充填，充填料漿在地表制備后通過鉆孔至充填平巷，最后按充填配比充入采場。非膠結(jié)充填時(shí)，廢石采用柴油鏟運(yùn)機(jī)由分段脈外巷進(jìn)入采場聯(lián)絡(luò)巷，充入采場。充填完后，充填體中的水由泄水管泄出，最后由階段平巷將水排出。

4.2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

采場生產(chǎn)能力：605t／d；采礦工效：127.3t／工班；炸藥單耗（平均）：0.443kg／t（其中，采場爆破：0.431kg／t；二次破碎：0.012kg／t）；采礦損失率：7.0%；采礦貧化率：6.5%；采切比：10.99標(biāo)準(zhǔn)m／kt；采礦直接成本：47.29元／t；工程單價(jià)為107.51元／m3。和之前的生產(chǎn)水平相比，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯提高，礦山經(jīng)濟(jì)效益大大增加。

工業(yè)試驗(yàn)表明，房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法開采具有生產(chǎn)能力高、采準(zhǔn)工程量少、爆破成本低、安全高效等優(yōu)點(diǎn)。但此方法不利于控制采場邊界，在進(jìn)行鑿巖作業(yè)時(shí)難度相對(duì)較大。在礦山的實(shí)際生產(chǎn)中為了保護(hù)地表及礦山的生產(chǎn)安全，控制巖層的移動(dòng)和地表沉降，井下必須采用接頂充填。

5 結(jié) 論

（1）對(duì)寺莊礦區(qū)的礦巖進(jìn)行了力學(xué)特性試驗(yàn)和調(diào)研。對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行取樣，通過巖樣加工、制作標(biāo)準(zhǔn)試件，完成了巖石試件抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得出了對(duì)寺莊礦區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)，為對(duì)寺莊礦區(qū)安全開采提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）基于Surpac建立了寺莊礦區(qū)礦體三維可視化模型，該礦體三維可視圖直觀地表述了礦體在地下的賦存情況，為采礦設(shè)計(jì)提供了極大的便利。

（3）提出房柱式中深孔落礦階段嗣后充填采礦法，此采礦方法能夠很好的在礦區(qū)應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。

［1］周羅全，劉曉明，蘇家紅，等.基于Surpac的礦體三維模型的建立［J］.金屬礦山，2006，358（4）：3336.

［2］李夕兵，古德生.現(xiàn)代金屬礦床開采科學(xué)技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

［3］劉同友.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］李夕兵，劉志祥，古德生.礦業(yè)固體尾廢與采空區(qū)互為資料戰(zhàn)略的思考［J］.礦冶工程，2005，25（6）：15.

［5］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）：343348.

20110918）

司呈斌（1984－），男，山東鄆城人，主要從事礦山采礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作，Email：li8259220＠163.com。