硬巖無(wú)底柱無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)

胡杏保

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院)

對(duì)于無(wú)底柱分段崩落法開采，覆蓋巖層的形成是開采的前提。覆蓋層的主要作用是為了安全緩沖及爆破后礦石的有效回收。在國(guó)家《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中已經(jīng)明確要求其厚度必須達(dá)到2倍左右分層的高度。因此，作為該采礦法，首先是怎么采用最經(jīng)濟(jì)的方法形成覆蓋層;其次是怎么保證所形成的覆蓋層達(dá)到分層高度的2倍左右，以達(dá)到安全開采。通常覆蓋巖層的形成有3種方式:一是自然崩落，二是強(qiáng)制崩落，三是局部強(qiáng)制崩落(強(qiáng)制+自然)。對(duì)于很多礦山而言，尤其是硬巖頂板礦床的礦山，需要強(qiáng)制崩落形成覆蓋層，這不但增加放頂工程、增加了礦山投資及開采成本，而且延長(zhǎng)了礦山投產(chǎn)時(shí)間，影響了礦山高效率的生產(chǎn)。即對(duì)于礦山來說既增加了開采成本，又增加了基建時(shí)間。為此，一些礦山開始嘗試采用不崩頂板的“延時(shí)”—“等”冒落的采場(chǎng)開采技術(shù)，以解決覆蓋層的形成。

1 無(wú)巖覆蓋層開采原理

無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)是指在無(wú)底柱采礦法在開采過程中不專門開展強(qiáng)制放頂而依靠巖石的自然冒落形成所需要的覆蓋層。而對(duì)于硬巖條件下的巖石冒落一般不會(huì)即時(shí)發(fā)生，其存在一個(gè)“延時(shí)”過程。因此，覆蓋層形成原理需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)可以“等”頂板冒落的開采配套技術(shù)。該開采技術(shù)的要點(diǎn)是在無(wú)底柱的首采分層(或者緩傾斜礦體的上盤)以上不布置專門的放頂工程。將首采分層按照無(wú)底柱工藝進(jìn)行回采(由于該分層尚未形成正常的菱形布置，在鑿巖設(shè)備允許的條件下盡量加大首采分層高度)，而首采分層一般出礦量只能達(dá)到崩落礦量的35%～40%，剩余礦石則殘留在采場(chǎng)之內(nèi)。第二分層開采時(shí)，仍然進(jìn)行正常的爆破落礦，其崩落的礦石出礦量取決于上部頂板巖層的冒落狀況:當(dāng)上部頂板已經(jīng)大量冒落時(shí)，可以出的礦石量也可以增大;相反，如果冒落量比較少，則第二分段出礦量也相應(yīng)較少，其原則是保證在出礦進(jìn)路的上方有足夠多的覆蓋層。

在開采期間，利用類似低貧化放礦的特點(diǎn)，將部分礦石進(jìn)行暫時(shí)的殘留，其目的是“等”上部巖石的冒落，上部巖石冒落快則所殘留的礦石可以在接下來的分層盡快回收;相反，則需要將殘留的礦石多“殘留”段時(shí)間。因此，上部巖石需要具有一定的可“崩”性，并盡可能地?cái)U(kuò)大開采面積，加大頂板暴露面積，以超過其最大自穩(wěn)定面積而人為造成頂板的失穩(wěn)，創(chuàng)造自然崩落條件。在條件適當(dāng)情況下，可以在應(yīng)力集中區(qū)域適當(dāng)?shù)牟贾孟魅豕こ踢M(jìn)行工程誘導(dǎo)崩落巖石;或者在開采過程中盡可能人為造就要崩落部位“頂板應(yīng)力集中”，以達(dá)到打破其穩(wěn)定平衡并產(chǎn)生冒落。圖1為該覆蓋層形成技術(shù)過程示意圖。

圖1 覆蓋層組成

圖2為崩落礦石與巖石厚度轉(zhuǎn)化示意圖，H=H1+H2為要求的覆蓋層厚度，當(dāng)H1大于所要求的H后，下部出礦可以不受低貧化放礦限制。即在巖石不斷崩落的過程中，所殘留的礦石也可以不斷地進(jìn)行回收，直到崩落巖石足夠厚(達(dá)到2倍分層高度)時(shí)可將所留礦石層全部回收出來。此外，為了精確保障控制過程中頂板崩落狀況及上部真實(shí)覆蓋層的厚度，該技術(shù)需要建立頂板冒落及厚度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)已經(jīng)冒落巖石及存在的覆蓋層厚度進(jìn)行準(zhǔn)確把握，以指導(dǎo)各個(gè)分層的出礦計(jì)劃及管理。

圖2 崩落礦石與巖石厚度轉(zhuǎn)化

2 低貧化放礦技術(shù)

低貧化放礦以數(shù)個(gè)分層為礦石回收的考核單元，上部分層允許殘留適當(dāng)?shù)V石在采場(chǎng)內(nèi)，殘留的礦石既是減少礦巖石的混和，同時(shí)獲得較高品位的采出礦石，并可以作為覆蓋層使用。低貧化放礦工藝是介于截止品位放礦和無(wú)貧化放礦之間的放礦方式。該方法放礦是一個(gè)區(qū)域方式，而無(wú)貧化放礦和截止品位放礦屬于點(diǎn)放礦方式，因此，低貧化放礦為礦山提供更為寬闊的使用區(qū)間。采用該放礦方式可以實(shí)現(xiàn):①在生產(chǎn)過程中有意識(shí)地預(yù)留部分礦石在采場(chǎng)內(nèi)，減少了礦巖石的混和，提高采出礦石品位，降低貧化，并保證綜合回采率基本不變;②減少了礦巖混合程度、礦巖混合層量，減少采出原礦中巖石的混入量;③上分層部分礦石暫時(shí)殘留在空區(qū)內(nèi)，下分層可以在尚未形成足夠頂板巖石冒落的“覆蓋層”下進(jìn)行繼續(xù)開采，即在“礦石+巖石”組成的覆蓋層下繼續(xù)進(jìn)行下分層的開采，給上部巖石頂板的冒落提供了充分的時(shí)間。

3 無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)要求及實(shí)施要點(diǎn)

無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)要求:①在硬巖條件下的頂板一般不能及時(shí)冒落，但應(yīng)具有冒落的可能性，其冒落具有延時(shí)的特性;②分層開采區(qū)域的面積足夠大，以利于頂板的持續(xù)崩落;③不專門進(jìn)行頂板巖石的強(qiáng)制崩落;④利用預(yù)留礦石作為覆蓋層，保證開采過程的安全;⑤利用低貧化放礦的特點(diǎn)，先期可以進(jìn)行多分層的開采而“等待”頂板的冒落，為頂板冒落留有充足的等待時(shí)間;⑥當(dāng)完成頂板冒落(達(dá)到2倍分層厚度時(shí))后利用低貧化方式實(shí)現(xiàn)所“留”礦石的完全回收;⑦利用可靠的監(jiān)測(cè)手段，準(zhǔn)確掌握頂板冒落高度，指導(dǎo)生產(chǎn)出礦。

無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)實(shí)施要點(diǎn):①開展該礦山頂板巖石工程地質(zhì)調(diào)查，對(duì)該頂板在其礦體平面開采面積內(nèi)崩落的可能性及穩(wěn)固性進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定其存在可能崩落的可能性;②當(dāng)頂板具有可崩性(但不能隨采隨崩)、不再需要進(jìn)行強(qiáng)制崩落放頂;③在開采時(shí)利用第一開采分層本身出礦少、留礦多的特點(diǎn)，以所殘留在采場(chǎng)內(nèi)的礦石做為初期覆蓋層;④在開采第二分層(甚至第三分層)時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的反饋結(jié)果，采用低貧化的放礦方式適當(dāng)再殘留部分礦石在采場(chǎng)內(nèi)，保障“礦+巖”覆蓋層達(dá)到2倍左右的分層高度;⑤在保證覆蓋層達(dá)到高度要求的情況下，進(jìn)行下分層的開采與控制出礦，“等”到崩落的巖石覆蓋層達(dá)到安全要求的厚度;⑥隨著開采的進(jìn)行，空區(qū)面積的增大，其頂板巖石必將逐步進(jìn)行冒落，當(dāng)其冒落的巖石厚度達(dá)到要求的覆蓋層厚度后，其前期殘留的礦石可全部回收出礦，完成整個(gè)覆蓋層的形成;⑦建立可靠、有效的頂板崩落及空區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)、準(zhǔn)確地確定空區(qū)內(nèi)巖石已經(jīng)冒落狀況及覆蓋層變化，指導(dǎo)分層出礦控制與管理。

由此可見:低貧化放礦是無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)的基礎(chǔ)(截止品位放礦滿足不了該技術(shù))，利用“留”礦石而滿足安全覆蓋層厚度，“等”待頂板巖石冒落的方法實(shí)現(xiàn)該安全開采。既保障足夠的覆蓋層，又可以將全部礦石完好地進(jìn)行回收。

此外，確定頂板巖石崩落的量是無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，只有在明確已經(jīng)發(fā)生崩落多少巖石的基礎(chǔ)上才能確定需要留多少的礦石進(jìn)行配合，才能有效的保障覆蓋層的厚度，保障開采過程的安全及礦石的回收。因此，該開采技術(shù)對(duì)頂板的冒落監(jiān)測(cè)也是其重點(diǎn)之一。目前作為頂板巖層冒落高度的監(jiān)測(cè)手段有很多種方法，如鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)法、鉆孔探頭激光掃描法、鉆孔數(shù)字井徑儀法、介質(zhì)密度物探法。在實(shí)際礦山應(yīng)用中，為了保障監(jiān)測(cè)的可靠和有效性，一般建議需要2種監(jiān)測(cè)方法相互印證。

4 無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)適用條件及優(yōu)點(diǎn)

無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)適用條件:

(1)采用低貧化放礦工藝，在上部分層開采時(shí)適當(dāng)殘留部分礦石在采場(chǎng)內(nèi)，保障在頂板巖石尚未完全冒落情況下進(jìn)行下部分層的繼續(xù)開采，以“等”頂板巖石進(jìn)行冒落;因此，采用該方法進(jìn)行開采時(shí)，最少應(yīng)該有4個(gè)以上的重疊分層進(jìn)行開采，保證有足夠的回收分層對(duì)上部殘留進(jìn)行回收。

(2)硬巖頂板盡管堅(jiān)硬，但不能“硬”到在礦體開采面積范圍內(nèi)仍崩落不了的程度。即該頂板盡管不能及時(shí)進(jìn)行冒落，但隨著開采面積的增大、爆破震動(dòng)的影響、有限的等待時(shí)間內(nèi)或者適當(dāng)采取適量措施的情況下能逐步進(jìn)行崩落，在允許“等”的期限內(nèi)(開采到最低分層)頂板可以自行累計(jì)崩落達(dá)到2個(gè)分層高度。

(3)具有有效的“崩落厚度”實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)指導(dǎo)礦山生產(chǎn)出礦及安全管理。

因此，無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)一般適用于礦山頂板巖石不能及時(shí)跟落但慢慢可以冒落的礦山，并且為了保證安全，要求礦山在采用該技術(shù)工藝時(shí)要有相應(yīng)的覆蓋層厚度準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行支撐，及時(shí)掌握其上部覆蓋層的厚度，指導(dǎo)進(jìn)路出礦量控制。

無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)優(yōu)點(diǎn):①不需要進(jìn)行專門的放頂設(shè)計(jì)及工程布置，節(jié)省投資及開采成本;②減少礦山基建時(shí)間;③無(wú)大量的巖石混入，提高初期出礦品位;④采用低貧化放礦(留礦石層等頂板冒落)，提高礦山開采礦石品位;⑤利用暫時(shí)預(yù)留的礦石層代替崩落巖石層，當(dāng)完成頂板巖石崩落后利用低貧化放礦方式進(jìn)行回收。

5 工程實(shí)踐

某礦山礦體走向長(zhǎng)度約1 100 m，平均厚度80 m，傾角45°～65°。采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開采，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為100萬(wàn)t/a，中段高度為50 m，按照分段高度為12.5 m進(jìn)行布置，在垂直方向可以重疊布置4～5個(gè)分層。由于該礦山頂板巖石比較堅(jiān)硬，而礦山為減少基建工程及生產(chǎn)成本，礦山開采初期并未進(jìn)行強(qiáng)制崩落頂板巖石圍巖作為覆蓋層。因此，按照本覆蓋層形成技術(shù)及組合開采進(jìn)行了多年開采，已經(jīng)完成3個(gè)分層的安全開采，平面上形成約8萬(wàn)m2的開采空區(qū)，已經(jīng)累計(jì)安全開采出礦760萬(wàn)t。

5.1 頂板穩(wěn)固性評(píng)價(jià)

在礦山開采初期，為確定頂板巖石的穩(wěn)定性能，礦山采用多種方法對(duì)其工程地質(zhì)等進(jìn)行相關(guān)分析與評(píng)價(jià)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，礦山節(jié)理傾向玫瑰花圖、傾角頻率直方圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 節(jié)理傾向玫瑰花圖

根據(jù)圖3可知，存在2組優(yōu)勢(shì)節(jié)理:第1組節(jié)理平均走向?yàn)镹E52°左右，第2組為NW305°左右。根據(jù)巖石判斷準(zhǔn)則，采用RMR法、Mathews法等穩(wěn)定性方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合得出該礦山頂板巖體可崩性處于中等位置，可崩性尚好;在達(dá)到適當(dāng)?shù)谋┞睹娣e后空區(qū)頂板具有良好的崩落性能，即頂板達(dá)到一定暴露面積后，存在自然崩落的可能性。

圖4 節(jié)理傾角直方圖

5.2 采場(chǎng)出礦與控制

在開采過程中，為了保證足夠厚度的安全覆蓋層，在建立了地表鉆孔加井下物理探測(cè)頂板巖體崩落及覆蓋層厚度監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，在首采分層采用了殘留礦石做覆蓋層的回采工藝，并采取封閉空區(qū)與巷道的通道防止空區(qū)出現(xiàn)大冒落產(chǎn)生的壓縮氣流危害工程措施。具體在出礦方面，第1分段出礦量控制在所崩落礦量的25%～35%，第2分段出礦量控制在所崩落礦量的45%～55%，根據(jù)爆破后礦石的松散系數(shù)(約1.5)計(jì)算，采礦水平下降到第2個(gè)分段時(shí)采空區(qū)內(nèi)留礦厚度層已達(dá)20 m;當(dāng)?shù)?分段開采結(jié)束時(shí)，頂板巖層已經(jīng)平均冒落約11 m，按照冒落巖石松散系數(shù)1.2～1.3進(jìn)行計(jì)算，其巖石冒落形成的覆蓋層厚度已經(jīng)達(dá)到13.2～14.3 m，仍小于安全覆蓋層厚度(25 m);但此時(shí)空區(qū)內(nèi)已經(jīng)存在有礦石墊層+巖石層厚度達(dá)到33 m，大于安全覆蓋層要求的25 m，因此，其第3分段開采時(shí)可以按照正常采礦時(shí)的出礦進(jìn)行控制出礦，并可以適當(dāng)回收上部分層殘留在采場(chǎng)內(nèi)的礦石;隨著第3分段的開采頂板巖層也在不斷的進(jìn)行著冒落，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn):在第2分段開采結(jié)束時(shí)，上部巖體的覆蓋層厚度已經(jīng)達(dá)到了39 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全覆蓋層25 m的要求。實(shí)現(xiàn)了巖石覆蓋層的完全形成及硬巖礦山在不需要進(jìn)行強(qiáng)制崩落頂板巖石的條件下的安全開采。

6 結(jié)論

(1)詳細(xì)介紹了采用低貧化放礦為基礎(chǔ)的無(wú)巖覆蓋層開采技術(shù)在硬巖礦山實(shí)現(xiàn)不需要強(qiáng)制崩落頂板實(shí)現(xiàn)安全開采的技術(shù)。該開采技術(shù)的應(yīng)用，提高采出礦石品位，減少了廢石的混入。該開采技術(shù)的應(yīng)用，為礦山節(jié)省了強(qiáng)制放頂直接費(fèi)用，并保障了礦山快速投產(chǎn)與達(dá)產(chǎn)，為礦山創(chuàng)造了較好的直接經(jīng)濟(jì)效益。

(2)為了有效指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)及控制出礦，在開展該工藝開采時(shí)要求采用有效的頂板崩落和空區(qū)狀況監(jiān)測(cè)的手段進(jìn)行配合使用，保障開采安全及礦山有效出礦;實(shí)踐表明:采用JJY－ID數(shù)字井徑儀鉆孔監(jiān)測(cè)及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)2種監(jiān)測(cè)手段(相互驗(yàn)證)可以較精確地確定掌握空區(qū)冒落及覆蓋層的實(shí)際厚度，滿足礦山安全與生產(chǎn)要求。

(3)通過對(duì)實(shí)例礦山的工程地質(zhì)調(diào)查，巖石取樣，巖石力學(xué)試驗(yàn)等工作，對(duì)礦山采空區(qū)頂板利用RMR法、Mathews法進(jìn)行了可崩性評(píng)價(jià)。分析認(rèn)為該礦采空區(qū)頂板具有較好的可崩性;因此，對(duì)于該礦開采的巖石條件，其頂板巖石雖然不能隨著開采而及時(shí)進(jìn)行冒落，但在開采范圍達(dá)到一定區(qū)域后，在不斷的開采過程中可以由零星冒落累加而形成足夠的覆蓋層厚度。

(4)對(duì)礦山的采礦方法現(xiàn)狀和采空區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)礦山前期的鉆孔觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，采空區(qū)頂板隨著開采已經(jīng)開始逐步冒落，經(jīng)過2年的生產(chǎn)，采場(chǎng)上部的覆蓋層厚度已經(jīng)達(dá)到了2個(gè)分段的高度左右，因此，礦山在按照低貧化放礦過程控制、確保維持兩個(gè)分段的高度左右覆蓋層的前提下可以繼續(xù)進(jìn)行開采。即為了實(shí)現(xiàn)開采的連續(xù)作業(yè)，為滿足巖石崩落“滯后”及無(wú)底柱開采要求覆蓋層的要求，采用低貧化放礦方式進(jìn)行出礦可以實(shí)現(xiàn)礦山在不需要強(qiáng)制崩落的條件下進(jìn)行安全開采。

［1］ 胡建華，周科平，羅先偉，等.頂板誘導(dǎo)崩落爆破效果的全景探測(cè)與評(píng)價(jià)［J］.巖石力學(xué)，2010，31(5):

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