大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法應用研究

韓 斌 吳建勛 王 鵬，2 孫 偉 姚 松 蘇先鋒

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083;2.吉林板廟子礦業有限公司，吉林白山134300;3.金誠信礦山研究院，北京101500)

板廟子金礦位于吉林省白山市境內，礦區地勢屬中低山區，地形較復雜;礦體內溶洞區發育，礦巖裂隙及溶洞內含大量積水，開采地質條件惡劣;地表存在大量良田，不允許崩落，礦區附近有大量建筑及當地居民，對爆破振動要求嚴格［1-4］。針對上述較為苛刻的采礦條件，板廟子金礦借鑒國內外類似礦山的先進經驗［5-12］，借助深孔鑿巖臺車、裝藥臺車、遙控鏟運機、濕噴臺車等一系列先進的大型無軌機械化設備［13］，應用數碼雷管高精度爆破、一次爆破成井、靈活多樣的溶洞區回采技術［14-15］，試驗成功了30 m分段高度的大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦新工藝，實現了復雜難采厚大礦體的大規模、高效、低損失貧化開采，對國內類似礦山開采具有良好的借鑒作用。

1 開采技術條件

金礦帶賦存層位為上元古界青白口系釣魚臺組底部赤鐵石英砂巖與其下伏的下元古界珍珠門組大理巖不整合面部位的硅化構造角礫巖帶。共圈定了4個工業礦體，其中I號礦體為主礦體，II、III、IV號礦體為次要礦體，III號礦體為低品位礦體。各礦體地質特征見表1。礦體直接圍巖為硅化構造角礫巖，上盤圍巖為釣魚臺組石英砂巖，巖層結構完整，為厚層狀的堅硬巖石。礦體下盤巖石是珍珠門組大理巖，為半堅硬－堅硬的厚層狀巖石。近礦圍巖多為構造角礫巖，在成礦過程中有一定程度的硅化膠結，有的地段可能不甚穩固，特別是被晚期北西向斷裂切割的地段，巖石有后期的破碎，穩定性較差。礦體內溶洞區發育，單溶洞體積最大達6 300 m3;礦巖裂隙及溶洞內含有大量積水，一次最大突水量曾達1 700 m3。礦區地表有大量的良田，附近有部分村民及建筑，地表不允許有大的塌陷。

表1 板廟子金礦礦體地質特征Table 1 Geological features of Banmiaozi Gold Mine

2 采礦方法

2.1 采場結構

(1)采場布置方式及結構參數。采場垂直礦體走向布置，主礦體傾角一般均大于50°，其礦塊構成要素見表2，具體結構見圖1;對于傾角小于50°的部分礦體，分段高度采用15 m，采場長、寬尺寸依礦體賦存特點確定。

(2)采準切割工程。主要采準切割工程包括分段巷道、出礦穿脈巷道、切割天井、上部穿脈鑿巖巷道、上部沿脈鑿巖巷道。分段巷道布置在礦體上盤，距上盤礦體15 m;上下分段出礦穿脈巷道兼做切割巷道，用作采場出礦、切割深孔施工、掏槽補償空間和掏槽天井的施工通道;切割天井垂直布置于切割槽(出礦穿脈切割道)的中部，距礦體下盤的三角區布置2～3排輔助掏槽炮孔，位置選擇要有利于切割井掏槽和減小掏槽爆破對下盤圍巖的破壞;上部穿脈鑿巖巷道用于施工切割井孔、切割掏槽孔、掏槽孔爆破裝藥和作沿脈鑿巖巷道的通道;下部出礦穿脈巷道要與上部穿脈鑿巖道對齊，便于切割井和切割掏槽爆破出現異常時進行處理;上部沿脈鑿巖巷用于中深孔施工和中深孔爆破裝藥。

圖1 大直徑深孔崩礦嗣后膠結充填采礦法Fig.1 Large diameter long hole drilling with back-cementation-filling mining method

(3)采場底部結構。由于該礦采用無軌斜坡道開拓系統，應用遙控鏟運機出礦，故采用了平底式底部結構［18］。這種底部結構直接利用回采進路作為出礦巷道，具有結構簡單、穩定性好、施工效率高的優點，避免了傳統漏斗式或塹溝式底部結構采切工程量大、結構復雜、穩定性差、施工周期長的弊病。

2.2 回采工藝

2.2.1 回采順序

自分段巷道掘穿脈道至礦體下盤，沿礦體下盤掘沿脈鑿巖道，同時在下部分段掘出礦穿脈巷至礦體下盤，并沿礦體走向掘進下盤沿脈道，之后鑿切割天井爆破孔、切割槽垂直深孔及采場扇形中深孔，采用一次爆破成井方式形成切割天井，之后分2～3次爆破形成切割槽，最后一次爆破采場扇形深孔。采用遙控鏟運機由下分段出礦進路將礦石裝上后經出礦穿脈巷、分段巷搬運到分段巷裝車點，將礦石裝入40 t礦用卡車運至地表礦石堆場(鏟運機裝礦點至裝車點的距離不超過250 m)。待出礦完畢后構筑充填擋墻，自上分段架設充填管線實施空區充填。其中一期采場采用膠結充填，二期采場先膠結打底充填后，再采用廢石非膠結充填或尾砂非膠結充填。

2.2.2 鑿巖

礦山采用Simba 1354全自動深孔鉆機配合鉆孔精確定位系統進行中深孔鑿巖工作，鑿巖效率為510 m/d，其中深孔鑿巖參數見表3。

表3 深孔鑿巖參數Table 3 Long hole drilling parameters

2.2.3 裝藥及爆破

板廟子金礦采用Normet的MC 605裝藥臺車進行深孔散裝炸藥的機械化裝藥，所用炸藥為散裝ANFO炸藥，裝藥效率為0.9 t/h，上向裝藥孔深可達46 m，綜合返藥量低至0.8%。為最大限度減少爆破對礦區周圍農戶及地表建筑物的影響，以及減少爆破振動對圍巖、充填體的破環，經大量的實驗對比，采用高精度數字雷管進行深孔微差爆破與扇形孔超前拉底爆破，單次爆破最大總裝藥量顯著增加，但單響藥量可控制在75 kg以內，很好地降低了爆破震動對周邊環境和社區的影響。礦石損失率由初步設計的12%降低至6%以下，表4是高精度數字雷管爆破與傳統中深孔爆破工藝的參數對比。

表4 爆破工藝參數對比Table 4 Comparison of blasting process parameters

同時以Simba－H1354導向釬桿精確鑿孔、超大直徑六空孔掏槽、高精度數字雷管螺旋式微差爆破為手段，實現了4 m2小斷面條件下高30 m切割井的一次爆破成井施工工藝。

針對溶洞區采場裝藥、開采難度大的問題，采用了如下幾種方法:①對于較大的溶洞區，通過改變爆破順序和回采順序，利用溶洞區作為補償空間實施爆破，無需施工切割天井;②利用“隔山打牛”的爆破方式，即利用相鄰采場巷道遠距離鑿孔裝藥爆破等方式，解決溶洞區無法掘進或鑿巖、裝藥的礦體落礦問題，或采用上、下分段相向鑿巖爆破等方式;③對于規模較小的溶洞區，則利用相關材料加固、修復炮孔，最大限度避免溶洞區對采礦作業的影響，減少礦石損失。

2.2.4 出礦

礦山采用中深孔鑿巖、全礦房一次爆破方式，采場的暴露面積較大，為此礦山應用CAT R1700G大型遙控鏟運機(6 m3)進行采空區的快速出礦工作，出礦效率為120 t/h。鏟運機將礦石從采礦點運出后，經出礦穿脈巷，分段巷搬運到各分段巷裝車點，再經由CAT45 t卡車通過斜坡道直接運至地表礦倉。

2.2.5 支護

板廟子金礦采準、切割巷道以往采用干噴+管縫錨桿+樹脂錨桿的支護方式，雖然支護效果良好，但存在干噴混凝土工藝復雜、作業環境差、混凝土強度低、掛鋼網支護時間長、管縫錨桿錨固力低等諸多缺點［16-17］。經技術攻關，上述巷道采用了先進的“濕噴混凝土+樹脂錨桿”機械化支護方法，即出渣結束后先采用Spraymec 1050 WPC濕噴臺車噴射纖維混凝土支護，經2～3 h的養護，采用H282雙臂液壓鑿巖臺車機械化安裝樹脂錨桿，新的支護工藝使噴射混凝土強度由C10、C15提高至C30，錨桿的錨固力由80 kN提高至200 kN，1個循環支護作業時間由原來的10～12 h縮短至5～6 h。

2.3 充填工藝

板廟子金礦針對不同工序和特點的采場，應用不同充填工藝與料漿輸送方式。形成了以尾砂、廢石等做充填材料，依靠自流、泵送兩大泵送方式進行的以尾砂膠結充填為主，廢石膠結充填和廢石充填相結合的充填工藝。有效地控制地壓、保障作業安全、降低了采礦成本、大幅度減少了廢石對礦山環境的破壞。

(1)充填材料。膠結劑采用32.5級復合硅酸鹽水泥，礦山所用尾砂采用外購尾砂，添加自產廢石破碎后用于井下充填。

(2)充填能力。目前礦山井下生產能力約為75萬t/a，年需充填體積約為28萬m3/a。充填攪拌站充填能力為1 200 m3/d。

(3)充填系統。充填料漿采用地面集中攪拌制備方式，自產破碎的廢石與鐵礦尾砂采用前裝機混合后，采用斗車和皮帶由585 m水平運至670 m水平充填攪拌站的臥式攪拌倉，與水泥漿均勻攪拌后，經充填鉆孔和3條充填管路分別送往南區、中區和北區，完成自流輸送。對于650 m標高以上和局部充填倍線不足，無法自流充填的采場采用泵送方式充填，充填系統與充填材料提升運輸系統見圖2。充填系統的主要技術參數見表5。

表5 充填系統主要技術參數Table 5 Main technical parameters of backfilling system

圖2 充填系統及充填材料提升運輸系統Fig.2 Filling system and filling materials hoisting-transportation system

(4)充填體強度要求。一期采場充填時，首先進行10 m高的打底充填，要求充填體強度值為1.2～1.5 MPa，水泥摻入量為14%，之后采用較低強度的膠結充填，要求充填體強度為0.8～1.0 MPa，水泥摻入量為9%。對于二期采場，首先進行10 m高的打底充填，要求充填體強度值為1.2～1.5 MPa，水泥摻入量為14%，后續則采用全廢石回填，或采用低強度充填料漿充填，充填體強度設計值為0.5 MPa，水泥摻入量為6%，上述充填料漿質量濃度均為75%［18-19］。

2.4 富水礦體的開采

針對礦體內積水量大的特點，采取了如下措施:①采用多種方式封閉地表河床，阻止地表河水灌入井下回采區;②超前施工礦體下部開拓巷道，使礦體內水位下降至采場最低水平以下，以最大限度減少地下水對采礦作業的影響;③加強井下采場通風，以盡可能降低井下作業區域的濕度［20］。

2.5 技術經濟指標

針對富水溶洞區復雜難采礦體，該礦基于裝藥臺車機械化裝藥、高精度控制爆破、及遙控鏟運機出礦、大型機械化濕噴和鑿巖臺車機械化安裝高預應力樹脂錨桿等一系列關鍵技術與工藝，實現了安全、高效、低成本、高回收率目標，其主要技術經濟指標見表6。同時，基于前述新技術的大量應用，大大改善了采礦作業環境，降低了采礦勞動強度，固體廢棄物充填也改善了礦山環境，取得了顯著的社會效益。

表6 主要經濟技術指標Table 6 Main economic and technical indexes

3 結論

(1)大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法在板廟子金礦的成功應用，實現了溶洞區復雜難采礦體的高效、安全開采。分段高度30 m的采場鉆孔深度達46 m，鑿巖機生產效率為510 m/d，遙控鏟運機出礦效率達120 t/h，單采場生產能力2 000 t/d，自流充填的料漿濃度為72% ～78%，充填能力為110 m3/h。

(2)利用遙控鏟運機出礦安全性好的優勢，采用了平底式底部結構，避免了傳統漏斗式或塹溝式底部結構采切工程量大、結構復雜、穩定性差、施工周期長的弊病。傾角大于50°的礦體，采用30 m高分段采礦，減少了采切工程，并通過散裝ANFO炸藥機械化裝藥、高精度數字雷管微差爆破，實現了大藥量、低震動采場控制爆破，使采礦回收率達到94%，貧化率控制在7%以內，同時還實現了4 m2小斷面切割天井的一次爆破成井施工工藝。根據不同的溶洞賦存位置和體積，通過優化爆破回采順序、修復炮孔、“隔山打牛”爆破等多種方式，有效解決了溶洞區的采礦難題。

(3)采用Atlas Simba 1354深孔鑿巖臺車、Normet MC 605裝藥臺車、CAT R1700G遙控鏟車、CAT45t卡車、Normet Spraymec 1050 WPC濕噴臺車、H282雙臂液壓鑿巖臺車等一大批先進的無軌機械化采礦設備，大幅度提高了采礦效率，降低了井下作業人員的勞動強度，有效改善了井下作業環境。

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